CZ38693U1 - Energetický zdroj pro výrobu užitečného tepla - Google Patents

Description

Energetický zdroj pro výrobu užitečného tepla

Oblast techniky

Technické řešení se týká speciální aplikace zvlhčovače spalovacího vzduchu pro kotle vybavené spalinovým kondenzátorem.

Dosavadní stav techniky

V současnosti je hlavním cílem energetických zdrojů pro výrobu užitečného tepla maximalizovat celkovou účinnost, aby využití paliva bylo co nej efektivnější. Největší ztrátou kotlů je tzv. komínová ztráta, tedy ztráta citelným teplem spalin za kotlem, jejichž teplota je ovlivněna parametry a provedením kotle a může být v rozmezí 100 až 180 °C. Jsou-li aplikovány spalinové kondenzátory, lze dosáhnout teploty spalin o 5 až 20 °C vyšší, než je teplota chladicího média.

Ve zdrojích menších výkonů pro mono výrobu tepla jsou v současnosti hojně využívány sprchové spalinové kondenzátory, které jsou zapojovány za filtr, slouží i k dochlazování spalin a získávání odpadního tepla. Spaliny vstupují do spodní části kondenzátoru a v protiproudu vůči nim je z horní části kondenzátoru rozstřikována voda. Spaliny přicházejí do přímého kontaktu s chladicí vodou, která se tím ohřívá, na povrchu kapek dochází ke kondenzaci vodní páry ze spalin. Ohřátá sprchová voda je čerpána do externího výměníku, kde své teplo předává vratné vodě otopné soustavy centralizovaného zásobování teplem (CZT). Toto řešení je popsáno ve spisu L. Kuukkanen, J. Alin, and A. Pasanen, “Energy Efficient District Heating Concept,” In Proceedings of the POWER-GEN Europe 2015, Jun. 2015.

Energetickou efektivitu spalinového kondenzátoru lze dále zvýšit zvlhčováním spalovacího vzduchu. Do trasy spalovacího vzduchu se zapojí sprchový zvlhčovač spalovacího vzduchu, který je zařazen před všechny ostatní typy ohříváků vzduchu. Energie předaná do spalovacího vzduchu ve zvlhčovači je zpětně získávána ve spalinovém kondenzátoru. Hlavním přínosem užití zvlhčovače spalovacího vzduchu je zvýšení podílu vodní páry ve spalinách a tím i jejich teploty rosného bodu. Skupenské kondenzační teplo ze spalin je tak možné využít při vyšší teplotě ohřívané vody z CZT nebo docílit vyššího energetické zisku. Sprchová voda ohřátá ve sprchovém kondenzátoru projde výměníkem, kde se ochladí a část svého citelného tepla předá do vratné vody z CZT, a je dále vedena do sprchového zvlhčovače spalovacího vzduchu, který je nasáván z okolí. Teplota i tepelný obsah sprchové vody je dostatečný pro ohřátí spalovacího vzduchu o 20 až 30 °C, přičemž část vody se odpaří, ve formě páry přejde do spalovacího vzduchu a zvýší jeho vlhkost. Ochlazená sprchová voda ze zvlhčovače je použita pro sprchování spalin v kondenzátoru. Očekávaným benefitem tohoto řešení je jednak rekuperace tepla ze spalin do vzduchu, u něhož vzroste teplota a vlhkost, jednak zvýšení teploty rosného bodu spalin, takže z kondenzátoru bude odcházet teplejší sprchová voda, což zlepší podmínky pro přenos tepla ve výměníku a přispěje ke zvýšení jeho výkonu.

Spalovací vzduch opouští zvlhčovač v nasyceném stavu, při styku s chladným povrchem navazujících částí vzduchového traktu kotle proto hrozí kondenzace vodní páry a potenciální riziko koroze. Proto se doporučuje teplotu vzduchu na výstupu ze zvlhčovače ještě poněkud zvýšit. K tomuto účelu může být zařazen rekuperační výměník otápěný parou případně horkou vodou.

Podstata technického řešení

Nedostatky stávajících řešení jsou do značné míry odstraněny energetickým zdrojem pro výrobu užitečného tepla, obsahujícím obvod vratné vody s výměníkem a kotel, ke kterému je připojen spalinový kondenzátor se zvlhčovačem spalovacího vzduchu, podle tohoto technického řešení.

- 1 CZ 38693 UI

Jeho podstatou je to, že k výstupu zvlhčovače do kotle je připojen přes recirkulační ventilátor výstup spalin z kotle, přičemž pracovní přetlak recirkulačního ventilátoru je větší než přetlak vzduchového ventilátoru zvlhčovače.

Podstatou nového řešení je tedy náhrada ohřevu spalovacího vzduchu na výstupu ze zvlhčovače, které je standardně realizováno v rekuperačním výměníku, smísením s recirkulovanými spalinami.

Současné biomasové a též některé plynové kotle jsou běžně provozovány s recirkulací spalin odebíraných za výstupem z kotle. Cílem přihlašovaného řešení je snížení emisí NO_X, u fluidích kotlů též zajištění dostatečného průtoku fluidačního média. Recirkulované spaliny se do kotle zavádějí různými způsoby, mohou mít samostatné vstupy nebo mohou být přiváděny se spalovacím vzduchem. Jejich teplota se obvykle pohybuje v intervalu 100 až 180 °C, průtok činí 10 až 20 % z množství spalin odváděných do komína. Teplota i průtok recirkulovaných spalin je tedy dostatečný, aby jejich zavedením do výstupní části zvlhčovače spalovacího vzduchu a smísením se zvlhčením spalovacím vzduchem vznikla směs, jejíž teplota bude s dostatečnou rezervou vyšší než její teplota rosného bodu.

Výhody navrženého řešení spočívají zejména ve zjednodušení a zlevnění řešení, protože odpadá výměník pro zvýšení teploty zvlhčeného vzduchu a nutnost dodávat topné médium. Pokud je kotel vybaven recirkulací spalin, což je dnes častý případ, je zapojení recirkulovaných spalin na výstup zvlhčovače technicky jednoduché a finančně nenáročné. V kotli nejsou třeba samostatné vstupy pro zavedení recirkulovaných spalin.

Další výhodou je zvýšení účinnosti systému, kdy je pro zvýšení teploty zvlhčeného vzduchu využito odpadní teplo spalin odebraných za kotlem. Odpadní teplo je tak rekuperováno zpět do kotle, což vede k úspoře paliva a zvýšení účinnosti systému.

Objasnění výkresů

Energetický zdroj pro výrobu užitečného tepla podle tohoto technického řešení bude podrobněji popsán na konkrétním příkladu provedení s pomocí přiloženého výkresu, kde na obr. 1 je znázorněno schéma zapojení ohřevu zvlhčeného spalovacího vzduchu recirkulovanými spalinami.

Příklad uskutečnění technického řešení

Příkladný energetický zdroj pro výrobu užitečného tepla obsahuje kotel L který je opatřen přívodem paliva 6 a obvodem recirkulovaných spalin 7 s filtrem 2. Dále energetický zdroj obsahuje obvod vratné vody 8 s výměníkem 4, ke kterému je připojen spalinový kondenzátor 3 a zvlhčovač 5 spalovacího vzduchu 11. K výstupu zvlhčovače 5 do kotle 1 je připojen přes recirkulační ventilátor 12 výstup spalin z kotle 1, přičemž pracovní přetlak recirkulačního ventilátoru 12 je větší než přetlak vzduchového ventilátoru 13 zvlhčovače 5. Spalinový kondenzátor 3 a zvlhčovač 5 spalovacího vzduchu 11 jsou opatřeny přívody sprchové vody 10.

Část spalin 7 odcházejících z kotle 1 je před vstupem do spalinového kondenzátoru 3 nasáta recirkulačním ventilátorem 12 a vedena k výstupu zvlhčovače 5 vzduchu, kde se smísí se zvlhčeným spalovacím vzduchem 11. který je nasycený vodní parou a vstupuje do kotle 1 jako směs 9 spalovacího vzduchu a recirkulovaných spalin. Pracovní přetlak recirkulačního ventilátoru 12 musí být větší než přetlak vzduchového ventilátoru 13. aby ke smísení došlo. Tím vznikne směs 9 spalovacího vzduchu a recirkulovaných spalin, jejíž teplota je vyšší než teplota rosného bodu směsi. Tím je eliminováno riziko vzniku kondenzace vlhkosti v dopravní trase spalovacího vzduchu 11 do kotle L

-2CZ 38693 UI

Příklad výsledků energetické bilance tohoto řešení pro spalovaní biomasy s obsahem vody 45 % je následující:

teplota spalin za kotlem	120.0	°C
součinitel přebytku vzduchu	1.5
objem vlhkých spalin	4.938	Nm3/kgpv
poměrná recirkulace	0.15
průtok recirkulovaných spalin	0.741	Nm3/kgpV
teplota rosného bodu (TRB) spalin	64.0	°C
teplota vzduchu za zvlhčovačem	34.6	°C
průtok vzduchu	4.034	Nm3/kgpV
objem směsi celkem	4.773	Nm3/kgpV
teplota směsi	49.0	°C
teplota rosného bodu (TRB) směsi	42.6	°C

Je vidět, že smísením spalovacího vzduchu, který opouští zvlhčovač 5 v sytém stavu při teplotě 34,6 °C, s 15 % průtoku spalin odebraných za kotlem 1 při teplotě 120 °C by se teplota směsi zvýšila o 6,4 °C nad teplotu rosného bodu.

ίο Průmyslová využitelnost

Technické řešení je využitelné u nových i stávajících energetických zdrojů pro výrobu užitečného tepla.

Claims (1)

1. Energetický zdroj pro výrobu užitečného tepla, obsahující obvod vratné vody (8) s výměníkem (4) a kotel (1), ke kterému je připojen spalinový kondenzátor (3) se zvlhčovačem (5) spalovacího 5 vzduchu (11), vyznačující se tím, že k výstupu zvlhčovače (5) do kotle (1) je připojen přes recirkulační ventilátor (12) výstup spalin z kotle (1), přičemž pracovní přetlak recirkulačního ventilátoru (12) je větší než přetlak vzduchového ventilátoru zvlhčovače (5).