Теплообмінна установка для передачі теплоти гарячого газу до потоку середовища

1. Теплообмінна установка для передачі тепла гарячого потоку газу до потоку середовища, теплообмінник якої містить замкнуту конструкцію (30, 31, 31′), впускний отвір потоку газу (25′), у якому газ вимушений протікати в суттєво вертикальному напрямку, і випускний отвір потоку газу (36), причому замкнута конструкція теплообмінної установки охоплює ряд теплообмінників (21, 22, 23, 24), які оснащені суттєво газонепроникною стінкою і які, принаймні частково, розташовані усередині один одного відносно подовжньої осі (26) замкнутої конструкції так, що потік газу щоразу вимушений проходити у просторі, утвореному двома розташованими один у одному теплообмінниками, яка відрізняється тим, що замкнута конструкція містить нижню частину (31), на якій теплообмінники підтримуються, головним чином, за допомогою опорного засобу (32), і що цей опорний засіб містить відкриту поверхню (28) принаймні в одному з теплообмінників для того, щоб дозволити потоку 2 (19) 1 3 Винахід стосується способу нагрівання та/або випарювання органічного середовища за пунктом 1 формули шляхом передавання тепла від потоку гарячого газу органічному середовищу, у якому органічне середовище протікає через ряд послідовно з'єднаних теплообмінників, які розташовані в потоку газу, а цей потік газу охолоджується від початкової до кінцевої температури. Винахід також стосується теплообмінної установки за п. 5 формули для рекуперація теплоти гарячого потоку газу до потоку середовища, яка містить замкнуту конструкцію, впускний отвір потоку газу, у якому газ спрямовується в суттєво вертикальному напрямку, і випускний отвір потоку газу, причому замкнута конструкція теплообмінної установки охоплює ряд теплообмінників, оснащених суттєво газонепроникною стінкою та розташованих, принаймні частково, усередині один одного відносно подовжньої осі замкнутої конструкції так, що потік газу вимушений проходити відповідно в кільцевому просторі, утвореному двома теплообмінниками, розташованими усередині один одного. Головним чином, винахід стосується випарника для органічного середовища та способу його випарювання та/або нагрівання. Одним із застосувань винаходу є процес Ранкіна (Rankine), заснований на органічному циркулюючому середовищі, тобто процес ORC (ORC = Органічний Цикл Ранкіна). У процесі ORC придатне органічне середовище, наприклад, толуол, ізобутан або ізопентан, використовується як циркулююче середовище замість води. Процес ORC, зокрема, застосовується при відносно низькому температурному рівні, внаслідок чого використане тепло, вивільнене навіть при низькій температурі, може бути утилізовано. У процесі ORC між гарячими топковими газами та парким середовищем часто використовується проміжний контур з гарячим маслом. При використанні проміжного контуру з гарячим маслом теплота від топкового газу передається гарячому маслу в окремій теплоізольованій масляній посудині, від якої нагріта рідина - гаряче масло - подається до випарника для циркулюючого органічного середовища, де теплота далі передається від рідкого гарячого масла цьому середовищу. Зберігаючи досить сильний гарячий масляний потік у проміжному контурі з гарячим маслом, можна запобігти перегріванню як гарячого масла, так і циркулюючого органічного середовища. Однак, це рішення є складним і дорогим, воно включає додатковий перепад температур через наявність контуру з гарячим маслом, і, особливо через прокачування гарячого масла, тягне за собою значні експлуатаційні витрати. Публікація FI86464 розкриває на принциповому рівні ORC-електростанцію, у якій випарник для органічного середовища знаходиться в безпосередньому зв'язку теплопередачі з гарячим газом. Проблема, пов'язана з випарюванням органічного середовища безпосередньо гарячим газом, зокрема котельними газами або подібними їм, які повільно реагують на регулювання потужності, полягає у тому, як уникнути як перегрівання матеріалу випарника, так і перегрівання органічного середо 92777 4 вища, що приводить до хімічних змін речовини, наприклад, руйнування вуглеводнів, особливо в перехідних ситуаціях. У такому випадку перегрівання органічного середовища, зокрема, викликало б шкідливі зміни в його властивостях плинності та теплопередачі. Метою цього винаходу є створення способу нагрівання та/або випарювання органічного середовища, який зменшує проблеми рівня техніки. Зокрема, метою цього винаходу є створення способу нагрівання та/або випарювання органічного середовища, у якому можна уникнути його перегрівання. Також метою цього винаходу є створення теплообмінної установки, яка була б придатна для випарювання та/або нагрівання органічного середовища гарячим газом, особливо топковим газом від згоряння біомаси. Цілі цього винаходу головним чином досягаються рішеннями, розкритими в пунктах 1 і 5 доданої формули винаходу, а більш конкретно - рішеннями, розкритими в інших пунктах формули. У способі нагрівання та/або випарювання органічного середовища, згідно з цим винаходом, шляхом передавання тепла від гарячого потоку газу, органічне середовище проходить через ряд послідовних теплообмінників, які розміщені у потоку газу, а потік газу охолоджується від початкової до кінцевої температури. Спосіб характеризується тим, що теплота передається першому теплообміннику в напрямку потоку органічного середовища, при охолодженні потоку газу до його кінцевої температурі. За допомогою цього способу запобігають перегріванню органічного середовища та першого теплообмінника . Далі в цьому способі тепло передається до другого теплообмінника, щоб почати охолодження потоку газу від його початкової температури, причому органічне середовище тече спочатку через перший теплообмінник і потім через другий. Теплообмінна установка згідно з цим винаходом для рекуперації тепла гарячого потоку газу до потоку середовища містить замкнуту конструкцію, впускний отвір для потоку газу, у якому газ вимушений текти в суттєво вертикальному напрямку, і випускний отвір для потоку газу, причому замкнута конструкція теплообмінної установки охоплює ряд теплообмінників, оснащених суттєво газонепроникною стінкою та розташованих принаймні частково усередині один одного відносно подовжньої осі установки так, що потік газу вимушений пройти відповідно в просторі, який утворений двома розташованими усередині один одного теплообмінниками. Винахід характеризується замкнутою конструкцією, яка містить нижню частину, на яку теплообмінники головним чином опираються за допомогою опорного засобу, причому цей засіб містить відкриту поверхню принаймні в одному з теплообмінників для того, щоб надати можливість потоку пройти з першої сторони теплообмінника на його другу сторону. Опорний засіб теплообмінників виконаний з охолоджувальної структури, яка виконана з можливістю протікання в ній потоку середовища теплообмінника. Краще, коли теплообмінники є трубчастими спіральними теплообмінниками, а 5 92777 6 охолоджувальна структура опорного засобу місються втрати тепла проміжного контуру з гарячим тить відвід у формі коліна трубчастої спіралі. За маслом; допомогою відводу утворена відкрита поверхня, - теплообмінна установка за цим винаходом є розташована на відстані від внутрішньої поверхні більш надійною, оскільки в ній використовується нижньої частини замкнутої конструкції, внаслідок менше компонентів, схильних до відмови; чого в зоні над нижньою частиною, яка простира- зменшується, в порівнянні з випарником для ється від її внутрішньої поверхні до нижнього краю проміжного контуру з гарячим маслом, простір, відкритої поверхні, утворюється зона збирання необхідний для теплообмінної установки за цим золи. винаходом, що уможливлює компактну конструкРозмір зони збирання золи є настільки велицію з печі та випарника. ким, що вона також виконує роль зони обслуговуНижче винахід пояснюється за допомогою вання, через яку також можуть виконуватися необприкладу з посиланням на додані схематичні крехідні ремонтні роботи. Отже, розмір цієї зони слення, з яких: такий, що ремонтнику вистачає простору для ро- на фіг. 1 представлена схема застосування боти усередині. Для утворення відкритої поверхні, способу за цим винаходом у зв'язку зі спалювана також відповідних зовнішніх лю-ків/люківням біомаси; зольників необхідно декілька отворів, звичайно, - на фіг. 2 представлена установка теплообнаприклад, чотири. мінника за цим винаходом; Відкрита поверхня в кожному теплообміннику - на фіг. 3 і 4 представлені частини установки визначається так, що сума поверхонь поперечних теплообмінника згідно фіг. 2; перетинів окремих (радіальних) отворів є більшою - на фіг. 5 представлена частина одного з ваніж площа поперечного прохідного перерізу кільріантів здійснення теплообмінника теплообмінної цевого простору теплообмінника (простір між тепустановки згідно з винаходом; лообмінниками розташованими усередині один - на фіг. 6 представлений перетин А-А на фіг. одного), внаслідок чого втрата тиску потоку газу в 5і отворах менше або дорівнює втраті тиску в кіль- на фіг. 7 представлена діаграма температури цевому просторі між розташованими усередині та відносного теплового потоку одного із застосуодин одного теплообмінниками. Відношення висовань способу за цим винаходом. ти до радіальної ширини зони збирання золи біЯк видно з блок-схеми процесу ORC, схематильше 1, і зола, що осідає в ній під час роботи, як чно представленого на фіг. 1, теплообмінна устаправило, не буде повторно захоплюватися газом. новка 1 виробляє перегріту пару для турбіни 5, яка Теплообмінна установка містить переважно запускає ви-сокошвидкісний генератор 4, пов'язадекілька проходів для золовида-лення, які можуть ний з електричною мережею 2 за допомогою перевідкриватися у зону збирання золи. Прохід для творювача частоти 3. З органічних середовищ, які золовидалення містить суттєво газонепроникний можуть застосовуватися на даний момент, для канал, що проходить газонепроникним чином чецього винаходу найбільш придатним органічним рез опорний засіб теплообмінника, причому при середовищем є толуол. Оскільки котел на паливі з нормальному використанні це не заважає протібіомаси є важливою ціллю застосування цього канню газу в теплообмінній установці. винаходу, отже гарячий газ або потік газу далі моТеплообмінна установка виконана для нагріжуть також згадуватися як топковий газ. Від турбівання та/або випарювання органічного середовини 5 пари толуолу надходять у рекуператор 6, у ща, причому останній з теплообмінників, які розякому рідкий толуол перед поданням його в тепташовані усередині один одного, використовується лообмінну установку 1 підігрівають парами толуов потоку середовища як перший теплообмінник, а лу. З іншого боку, завдання рекуператора 6 поляперший із цих теплообмінників використовується гає у тому, щоб усунути перегрів пари, який як другий теплообмінник у потоку середовища. прибуває з турбіни, оскільки пари толуолу харакЦим винаходом досягається ряд переваг: теризуються тим, що вони все ще є перегрітими - у випарнику за цим винаходом тепло передапісля розширення в турбіні. З рекуператора пари ється від гарячих топкових газів безпосередньо толуолу надходять у конденсор 7, у якому конденпотоку середовища, при цьому не потрібна ніяка суються в рідину і в якому також усувається решта окрема посудина для гарячого масла. Отже, усуперегріву, якщо пара після рекуператора все ще ваються також конструкції та компоненти, які залишається перегрітою. Потім рідкий толуол повключені в проміжний контур з гарячим маслом, дається в резервуар конденсату 8, звідки він надтакі як трубопроводи, посудини, а також системи ходить далі при підвищеному тиску через поперебезпеки та аварійної безпеки, що, таким чином, дній живильний насос 9 і живильний насос 10 до робить цей пристрій простішим і дешевшим; рекуператора 6. У рекуператорі 6 пари толуолу - поліпшується ефективність теплопередачі, нагрівають рідкий толуол і після цього він подаєтьоскільки різниця температур топкового газу і потося в теплообмінну установку 1, у якій толуол далі ку середовища більша, ніж газу і гарячого масла, нагрівається, випарюється, а пара перегрівається. при використанні проміжного контуру з гарячим Теплообмінна установка 1 розміщена безпосередмаслом, а газ із випарника виходить при більш ньо у потоку 11 гарячого газу, який у цьому застонизькій температурі, що зменшує втрати топкового суванні є топковим газом від згоряння біомаси, і газу; тому теплообмінна установка пов'язана з котлом - поліпшується продуктивність, оскільки не по13 для спалювання біомаси. трібні ніякі додаткові насоси для гарячого масла, Конструкція теплообмінної установки за цим що знижує витрати на прокачування. Також усувавинаходом більш докладно зображена на інших 7 92777 8 кресленнях, але при використанні згоряння біомакожний другий теплообмінник 21, 23 має відкриту си простір теплообмінника, що першим зустрічаповерхню 28 у його нижній частині, при цьому ця ється з газом теплообмінної установки, частково поверхня дозволяє газу протікати з першої стородіє також як допалювач, для чого установка місни згаданого теплообмінника на його другу сторотить елементи подання 12 повітря (або кисню) ну, тобто радіально переміщатися ближче до зовбезпосередньо перед введенням гарячого газу в нішньої секції. Потік газу в згаданій відкритій теплообмінну установку 1 або одночасно з ним. На поверхні досить слабкий, що перешкоджає потоку фіг. 1 також представлена теплообмінна установка газу захопити за собою істотну частину золи із дна 1 за цим винаходом, у якій теплота передається зони збирання золи. Опорна конструкція містить першому теплообміннику у напрямку потоку оргаохолоджувальні опорні конструкції, утворені із труб нічного середовища, охолоджуючи таким чином і колінчастих патрубків так, що топковий газ може потік газу до його кінцевої температури. проходити між ними від каналу, утвореного трубДля більшої ясності на фіг. 2-6 використовучастими спіралями 20, до наступного каналу в наються взаємно відповідні номери позицій, а далі у прямку радіуса теплообмінної установки. Органічописі номери позицій у кожному окремому випадку не середовище, що тече по трубах і колінчастих зазначаються з посиланням на фіг.2-6. На фіг. 2 патрубках, які утворюють конструкцію, використопредставлений один з варіантів здійснення тепловується для охолодження опорної конструкції. На обмінної установки 1 за цим винаходом. На фіг. 2 практиці таке може бути виконано, а відкрита попредставлений перетин теплообмінної установки верхня утворена так, що теплообмінник установтаким чином, що на кресленні зліва на від подовжлений на нижній частині 31 замкнутої конструкції ньої осі 26 представлена, головним чином, опорна теплообмінної установки за допомогою теплообконструкція теплообмінників і хід потоку газу, а мінної трубки або трубок шляхом виконання відвосправа представлений взаємозв'язок теплообмінду у вигляді U-подібного коліна в трубці, розташоників. Теплообмінна установка містить теплообваній в нижній частині. Це також представлено на мінники 21, 22, 23 24, які розташовані усередині фіг. 5 і 6. З іншого боку, ці конструкції також дозвоодин одного та виконані з трубчастих спіралей 20. ляють утворити шляхи, необхідні для чищення Ці теплообмінники виконані переважно симетричтеплообмінних поверхонь і газових каналів між ними відносно перетину за подовжньою віссю і як трубчастими спіралями 20, а також зони збирання трубчасті спіралі, в основному, циліндричні. Тепзоли 39, які розташовані нижче. лообмінна установка за цим винаходом відповідає Між теплообмінниками, оснащеними відкритою типу однопрохідного випарника. Установка викоповерхнею, знаходиться теплообмінник, який занана так, що органічне середовище протікає по мість неї містить відкриту поверхню 28' ближче до трубках теплообмінників, а газ - ззовні цих трубок кришки 31’ замкнутої конструкції, тобто зверху від теплообмінників. нього. Такий тип теплообмінника виконаний у своНа фіг. 2 показана теплообмінна установка, їй нижній частині суттєво газонепроникним, наприщо утворена усередині замкнутої конструкції, яка клад, за допомогою вогнетривкої футеровки або містить зовнішню оболонку 30, кришку 31’ і основу цегляної кладки, яка проте переважно є охолоджу31. Теплообмінна установка має впускний отвір вальною конструкцією. Топкові гази випускаються потоку газу 25', який розташований паралельно з теплообмінної установки через випускний отвір подовжній осі і розташований в центрі теплообмін36 газу, який у варіанті на фіг. 1 розташований на ної установки 26. Внутрішній, щодо подовжньої осі зовнішньому ободі установки. 26, теплообмінник 22 теплообмінної установки Взаємний зв'язок між потоками органічного сеутворює зону допалювання 25, яка розташована редовища і топкового газу за цим винаходом здійвище фактичної топки котла 13 (фіг. 1). У зоні доснюється наступним чином. Взагалі, ця теплообпалювання 25 відбувається допалювання топковомінна установка є проміжною формою го газу та твердих часток речовини, які туди потпротитечійного та прямотечійного теплообмінника, рапляють із топки, і тому для подання в гарячий оскільки напрямки потоків топкового газу ззовні газ повітря (або кисню) в зоні допалювання 25 пе(обидва кільцевих простори) середовища (у трубредбачені елементи подання 12. Із зони допалючастій спіралі), яке потрібно нагріти, є протилежвання 25 топкові гази відводяться в кільцеві кананими. ли, які утворені між теплообмінниками 21 - 24, що Органічне середовище спочатку подається по розташовані усередині один одного паралельно трубопроводу 35 до першого теплообмінника 21, у подовжній осі. У зоні допалювання 25 теплота пеякому воно нагрівається гарячим топковим газом, редається теплообміннику 22 головним чином у охолоджуючи його таким чином до кінцевої темпевигляді теплового випромінювання, тоді як далі, у ратури. Рідке органічне середовище, що надхоменш гарячих секціях за напрямком потоку газу, дить у теплообмінну установку, подається у менш домінує конвекційний теплообмін. За допомогою гарячу частину з боку топкового газу. У цій частині вищеописаної конструкції мінімізують недоліки, органічне середовище тече, головним чином, пропов'язані з ефектом забруднення топкового газу, а титечією відносно газу для того, щоб можна було з іншого боку, з боку топкового газу забезпечуєтьзробити поверхню теплообміну якнайменшою. ся належна теплопередача в різних частинах тепЗавдяки цьому пристрою вирішуються проблеми з лообмінної установки. Потік газу направляється по перегріванням органічного середовища, а також каналах, утворених теплообмінниками, розташотеплообмінника 21, які, інакше, могли б виникнути, ваними усередині один одного, так, що головний наприклад у перехідних ситуаціях. Перший теплонапрямок руху є від центральної частини до зовобмінник 21, що у цьому випадку є найбільш віднішніх секцій по черзі вверх і вниз. Краще, коли даленим з теплообмінників, розташованих усере 9 92777 10 дині один одного, з'єднується із другим теплообконструкцій в нижніх частинах з боку топкового мінником 22 патрубком 21’ (фіг. 2) у їхніх нижніх газу, причому зібране у цих зонах забруднення частинах. Другий теплообмінник є самим внутрішможе бути викинуте при очищенні під час відклюнім з теплообмінників, розташованих усередині чення через вищезгадані люки для золовидалення один одного. Далі, другий теплообмінник 22 з'єд38. Зона збирання золи утворена в нижній частині наний із третім теплообмінником 23 за допомогою конструкцій 28, 33, по якій проходить потік топкопатрубка 22’. Краще, щоб третій теплообмінник 23 вого газу так, що відкрита поверхня 28 біля основи насамперед працював як випарник. Далі, за допо31 теплообмінної установки простирається від могою патрубка 23' він пов'язаний із четвертим основи принаймні так, щоб уся поверхня поперечтеплообмінником 24, у якому пара перегрівається. ного перерізу отворів відповідала поперечному У теплообмінній установці решта теплообмінників перерізу прохідного простору між трубчатими спірозташована радіально в просторі між першим і ралями. другим теплообмінником, симетрично відносно На фіг. 5 і 6 представлена краща трубчаста подовжньої осі 26. конструкція, у якій кріплення теплообмінників 21 Щоб уникнути перегріву органічного середо24 і охолодження конструкцій 28, 33, по яких провища та матеріалу теплообмінників, перегріта паходить потік топкового газу, передбачене згідно з ра випускається із частини з боку топкового газу, у цим винаходом. У нижніх частинах трубчастих спіякій топковий газ не є найгарячішим. Насамперед, ралей теплообмінників 21-24 розташована Uпара перегрівається за допомогою четвертого теподібна частина 32, яка простиратися вниз від плообмінника 24, який розташований між самими нижньої поверхні спирали, причому ця частина внутрішнім 22 і зовнішнім 21 з розташованих усевиконує роль як охолоджувальної, так і опорної редині один одного теплообмінників. У верхній конструкції теплообмінників. частині трубчастої спіралі 20 четвертий теплообНа фіг. 7 представлений спосіб нагрівання мінник 24 оснащений випускним отвором 37 для та/або випарювання органічного середовища за органічного середовища. Далі, особливо при перецим винаходом, на прикладі толуолу. На кресленні хідних ситуаціях, таких які виникають під час змевертикальна вісь відображає температуру Т, а ншення потужності, незважаючи на зміни мас погоризонтальна - відносний тепловий потік газу q. токів газу та органічного середовища, кінцева Графік 71 показує, як падає температура газу, що температура пари органічного середовища не мовиконує роль джерела тепла, з ситуації, коли відже підвищитися занадто високо. За допомогою носний тепловий потік складає 100%, до ситуації, цього пристрою можна знизити необхідну поверхколи він його величина становить 0 %, іншими ню теплообміну, оскільки середня різниця темпесловами, коли газ охолоджується від початкової ратур між топковим газом і органічним середовитемператури (q=100 %) до кінцевої температури щем більша, ніж у ситуації, коли вся теплообмінна (q=0 %). Діаграма 72 показує температуру толуолу установка виконана прямотечійною. і її зростання, коли толуол проходить через ряд Нижні частини зовнішньої оболонки 30 теплопослідовних теплообмінників. Чисельні значення обмінної установки та конструкцій 28, 33, по яких температур наведені нижче, є величинами для рухається потік топкового газу, оснащені люками одного конкретного випадку, які представлені тут для золовидалення 38, які використовуються для тільки для полегшення розуміння винаходу. Оргачищення теплообмінної установки з боку топкового нічне середовище, у цьому випадку толуол, подагазу. Нижні частини трубчастих спіралей 20 утвоється в перший теплообмінник 21 при температурі рюють у вертикальному напрямку радіально схід156°С, яка у цьому прикладі відповідає кінцевій часту конструкцію так, що також стає можливим температурі вихідного газу 350 °С. Толуол нагріваочищення каналів, сформованих внутрішніми трується в першому теплообміннику 21 до темперабчастими спіралями, через ці люки для золовидатури 196°С, у той час як температура вхідного газу лення 38, які виконують роль проходів для золо- 475°С. Це досягається, головним чином, шляхом видалення. Це більш докладно показано на фіг. 3 і теплопередачі протитечійного типу, причому необ4. У варіанті, показаному на кресленні 3, люк для хідна для нагрівання поверхня теплообмінника золовидалення оснащений суттєво газонепроникмінімізована. Далі, толуол нагрівають у другому ним каналом 38', що простирається до самої внуттеплообміннику 22 до температури 300°С, але рішньої зони збирання золи 39. На фіг.4 представтепер джерелом теплоти є газ, що починає охололений варіант, у якому люк 38", який може джуватися від початкової температури, у цьому відкриватися і закриватися, виконаний у з'єднанні з випадку 1100°С, і охолоджується до температури конструкціями, по яких проходить потік топкового 755°С. Тут теплообмінник є, головним чином, прягазу теплообмінника 24, для чищення зони збимотечійним. Далі толуол подається в секцію випарання золи. Люки для золовидалення розташоварника, яка містить, головним чином, третій теплоні, так, щоб можна було ефективно виконувати обмінник 23. Пароутворення знижує температуру очищення. газу до 570°С. У четвертому теплообміннику 24 Очищення теплообмінної установки потрібно пара перегрівається, у цьому прикладі до темпеяк під час її роботи, так і при відключенні. Очиратури 326°С, а температура топкового газу стащення під час роботи виконується автоматично, новить 475°С, тобто він знаходиться в стані, коли шляхом скидання забруднення, що збирається на починається теплопередача в першому теплообповерхнях теплообміну та інших частин газових міннику. каналів з боку топкового газу, у нижні частини з У способі згідно з цим винаходом необхідна боку топкового газу, придатним для цієї ситуації поверхня теплообмінника може бути суттєво менспособом. Зони збирання золи 39 утворюються з 11 92777 12 шою, ніж в одиночному прямотечійному теплообтрубчаста спіраль, на відміну від варіантів, предміннику. ставлених на кресленнях, може бути зроблена з Це винахід не обмежується представленими двох труб або декількох суміжних труб замість варіантами, але декілька варіантів є можливими в однієї труби. рамках доданої формули винаходу. Наприклад, Комп’ютерна верстка М. Мацело Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601