PL240197B1 - Kogeneracyjna komora spalania, zwłaszcza dla energetyki rozproszonej i prosumenckiej - Google Patents

Abstract

Kogeneracyjna komora spalania, zwłaszcza dla energetyki rozproszonej i prosumenckiej realizuje proces podgrzewania czynnika roboczego wykorzystywanego do wytwarzania pracy mechanicznej oraz proces podgrzewania czynnika wykorzystywanego do celów ciepłowniczych lub technologicznych (przemysłowych). Oba te procesy zachodzą kosztem ciepła chemicznych reakcji spalania i odbywają się jednocześnie w jednym korpusie. W korpusie komory (IV) znajduje się układ przepływowy (I) czynnika wykonującego pracę mechaniczną, układ przepływowy (III) czynnika ciepła użytkowego oraz palnik (II), do którego doprowadzane jest paliwo oraz powietrze biorące udział w spalaniu. Ciepło wydzielone w palniku ogrzewa zarówno czynnik roboczy wykonujący pracę mechaniczną, jak i czynnik ciepła użytkowego. Istota wynalazku polega na tym, że ciepło wydzielone w procesach spalania paliwa może być najpierw wykorzystane przez czynnik wymagający wysokiej temperatury (najczęściej czynnik roboczy), a następnie przez czynnik podgrzewany do niższej temperatury (najczęściej czynnik ciepła użytkowego). Podgrzewanie czynnika o wymaganej wyższej temperaturze może odbywać się przy tym w dużym stopniu drogą promieniowania, a podgrzewanie czynnika o niższej temperaturze może być realizowane także drogą konwekcji. Pozwala to lepiej wykorzystać ciepło spalania i zwiększyć sprawność komory spalania. W szczególnym rozwiązaniu kanały przepływowe (I) czynnika roboczego wykonane są w postaci dysz rozłożonych promieniowo na obwodzie palnika, a kanały przepływowe (III) czynnika ciepła użytkowego są wykonane jako wymiennik spiralny ze szczelinami między zwojami ułożonymi obwodowo nad dyszami czynnika roboczego.

Description

PL 240 197 B1

Opis wynalazku

Dziedzina techniki. Przedmiotem wynalazku jest kogeneracyjna komora spalania, zwłaszcza dla energetyki rozproszonej i prosumenckiej, przeznaczona do pracy z różnymi czynnikami.

Stan techniki. Siłownie kogeneracyjne, to znaczy produkujące jednocześnie energię elektryczną i cieplną, uważane za jedne z tych, które w sposób najbardziej efektywny wykorzystują energię zawartą w paliwie. Takim typowym przykładem są turbiny parowe - przeciwprężne lub upustowe (Rys. 1) lub wykorzystanie ciepła spalin i ciepła z układu chłodzenia silnika tłokowego do podgrzewania wody użytkowej (Rys. 2). W tego typu rozwiązaniach spalanie paliwa p owoduje wydzielanie się energii cieplnej, która służy do podnoszenia parametrów (zwiększania temperatury lub temperatury i ciśnienia) czynnika roboczego pod kątem wykorzystania go do wytworzenia pracy mechanicznej (a w efekcie tak że do energii elektrycznej). Natomiast odbieranie energii cieplnej odbywa się od czynnika roboczego, który wykonał już pracę mechaniczną.

W przedłożonym rozwiązaniu komory spalania proponuje się wykorzystanie ciepła z chemicznych reakcji spalania paliwa do jednoczesnego podnoszenia parametrów czynnika roboczego wytwarzającego pracę mechaniczną, jak i do przekazywania ciepła na cele użytkowe w oddzielnym obiegu. W tym miejscu należy zaznaczyć, że znane są w technice „wspólne komory spalania” dla układów z turbiną parową i gazową, ale w tych przypadkach ciepło z paliwa dostarczane jest do różnych czynników roboczych, pracujących w różnych turbinach, a nic do czynnika ciepła użytkowego.

W opisie patentu WO2014087639 A1 przedstawiono rozwiązanie komory kogeneracyjnej przeznaczonej do współpracy z siłownią działającą według obiegu Rankine’a z parą jako czynnikiem roboczym, a w kanałach z czynnikiem wykorzystywanym do wykonania pracy mechanicznej zachodzi jego odparowanie. W przedłożonym rozwiązaniu czynnik wykorzystywany do wytwarzania pracy mechanicznej jest czynnikiem gazowym przeznaczonym do ekspansji w obiegach turbiny gazowej (w obiegu Braytona lub obiegu Ericssona), a w komorze kogeneracyjnej zachodzi jego podgrzewanie bez przemian fazowych.

Dodatkowo promieniowe ustawienie kanałów grzewczych czynnika wytwarzającego prace mechaniczna pozwala ukształtować je w postaci dysz i zotermicznych, przez co możliwa jest realizacja obiegu Ericssona, co niemożliwe jest w rozwiązaniu dokumentu WO2014087639 A1.

Wykaz oznaczeń na rysunku dla stanu techniki

A - turbina parowa przeciwprężna

B - wymiennik ciepła (podgrzewacz wody)

C - upustowa turbina parowa (kondensacyjna lub przeciwprężna)

D - upust pary użytkowej (na cele ciepłownicze lub technologiczne)

E - silnik tłokowy

F - podgrzewana woda użytkowa

G - wymiennik odzyskujący ciepło ze spalin wylotowych

H - wymiennik odzyskujący ciepło z układu chłodzenia silnika

Istota wynalazku. Komora spalania według wynalazku realizuje proces podgrzewania czynnika roboczego wykorzystywanego do wytwarzania pracy mechanicznej oraz proces podgrzewania czynnika wykorzystywanego do celów ciepłowniczych lub technologicznych (przemysłowych). Oba te procesy zachodzą kosztem ciepła chemicznych reakcji spalania i odbywają się jednocześnie w jednym korpusie (w jednym urządzeniu). Ideowy schemat komory spalania przedstawiono na Fig. 1. W korpusie komory (IV) znajduje się układ przepływowy (I) czynnika wykonującego pracę mechaniczną, układ przepływowy (III) czynnika ciepła użytkowego oraz palnik ( II), do którego doprowadzane jest paliwo oraz powietrze biorące udział w spalaniu. Ciepło wydzielone w palniki ogrzewa zarówno czynnik roboczy wykonujący pracę mechaniczną, jak i czynnik ciepła użytkowego. Do komory dopływa o niskiej temperaturze czynnik roboczy wykonujący pracę, przepływa przez swój układ przepływowy (I), gdzie ulega podgrzaniu wykorzystując ciepło z paliwa spalanego w palniku i wypływa o wyższej temperaturze z komory do urządzenia realizującego pracę mechaniczną (np. turbiny gazowej). Do komory dopływa także o niskiej temperaturze czynnik ciepła użytkowego, przepływa przez swój układ przepływowy (III), w którym zostaje podgrzany do wyższej temperatury przez ciepło wydzielone w palniku i wypływa z komory do urządzenia wykorzystującego ciepło do celów ciepłowniczych lub innych użytkowych (procesy technologiczne, wymienniki ciepła).

PL 240 197 B1

Istota wynalazku polega na tym, że ciepło wydzielone w procesach spalania paliwa może być najpierw wykorzystane przez czynnik wymagający wyso kiej temperatury (najczęściej czynnik roboczy), a następnie przez czynnik podgrzewany do niższej te mperatury (najczęściej czynnik ciepła użytkowego). Podgrzewanie czynnika o wymaganej wyższej temperaturze może odbywać się przy tym w dużym stopniu drogą promieniowania, a podgrzewanie czynnika o niższej temperaturze może być realizowane także drogą konwekcji. Pozwala to lepiej wykorzystać ciepło spalania i zwiększyć sprawność komory spalania.

Istota wynalazku według alternatywnych rozwiązań polega na tym, że w rozwiązaniach wariantowych można:

- zastosować kanały przepływowe czynnika roboczego różnych kształtów i wymiarów tak, by mogły stanowić część urządzenia roboczego, np. dysze turbinowe.

- zwiększać liczbę kanałów z czynnikami roboczymi lub czynnikami ciepła użytkowego, - stosować różne czynniki i różne ich parametry.

Zaletami rozwiązania według wynalazku są:

- Zwiększenie sprawności komory spalania w przypadku układów kogeneracyjnych (lepsze wykorzystanie paliwa).

- Obniżenie temperatury spalin wylotowych z komory spalania.

- Pełniejsze wykorzystanie możliwości przekazywania ciepła drogą promieniowania i konwekcji.

- Możliwość budowy całkowicie oddzielnych (nie związanych stosowanym czynnikiem ani jego parametrami) układów generujących pracę mechaniczną i ciepło użytkowe, które mogą pracować w oddzielnie optymalizowanych obiegach. Odkrywa to znacznie szersze możliwości przed nowymi siłowniami kogeneracyjnymi.

- Regeneracyjną komorę spalania można stosować do układów energetycznych małej i bardzo malej mocy, zwłaszcza w energetyce rozproszonej i prosumenckiej.

Objaśnienie figur na rysunku. Przedmiot wynalazku pokazano na przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 2 przedstawia komorę spalania według wynalazku.

Przykład wykonania wynalazku. Przykładowe rozwiązanie, gdy czynnikiem roboczym wykorzystywanym do wytworzenia mocy mechanicznej w turbinie jest powietrze, a czynnikiem odbierającym ciepło użytkowe jest woda, pokazano na fig. 2. Układ składa się z dysz układu przepływowego czynnika roboczego (I), spiralnego wym iennika ciepła stanowiącego układ przepływowy czynnika ciepła użytkowego (III), palnika II i obudowy komory (IV).

Czynnik, roboczy (powietrze) wypływa ze sprężarki lub regeneratora turbozespołu i dopływa do komory spalania, a dalej przepływa w niej kanałami przepływowymi (II), które w tym przypadku, są dyszami rozstawionymi promieniowo na obwodzie wokół umieszczonego centralnie palnika. Po zwiększeniu swej temperatury kosztem ciepła z palnika czynnik roboczy wypływa z komory spalania i kierowany jest do urządzenia wykonującego pracę mechaniczną (np. turbiny). Do komory spalania dopływa też niezależni czynnik będący nośnikiem ciepła użytkowego, przepływa prze z komorę swoimi kanałami przepływowymi (III), które w tym przypadku są wymiennikiem spiralnym ze szczelinami między zwojami ułożonymi dookoła palnika nad dyszami powietrznymi. Po zwiększeniu swojej temperatury czynnik ciepła użytkowego wypływa z komory spalania do odbiornika ciepła (cele grzewcze lub technologiczne). Ponieważ czynnik roboczy (powietrze) wymaga wyższej temperatury jego układ przepływowy, czyli dysze, są położone bliżej palnika i w przekazywaniu ciepła można w dużym stopniu wykorzystać promieniowanie, a czynnik ciepła użytkowego wymagający podgrzania do niższej temperatury przepływa przez zwoje wymiennika dalej położone od palnika i może też efektywnie wykorzystać konwekcyjne przekazywanie ciepła. Do palnika doprowadzane jest paliwo oraz powietrze potrzebne do jego spalania, a spaliny wyprowadzane są z komory spalania. Ciepło wydzielone w trakcie chemicznych reakcji spalania wykorzystywane jest do zwiększenia temperatury zarówno czynnika roboczego, jak i czynnika ciepła użytkowego.

WYKAZ OZNACZEŃ NA RYSUNKU

I - układ przepływowy czynnika roboczego

II - palnik

III - układ przepływowy czynnika ciepła użytkowego

IV - obudowa komory spalania

Claims (1)

1. 4 PL 240 197 B1

   Zastrzeżenie patentowe

   1. Kogeneracyjna komora spalania, zwłaszcza dla energetyki rozproszonej i prosumenckiej znamienna tym, że w jednej obudowie komory (IV) znajduje się palnik (II), dookoła którego ustawione sa promieniowo kanały (I) dla przepływu gazu roboczego, przeznaczonego do ekspansji i wytworzenia pracy mechanicznej, a dookoła kanałów gazu roboczego umiejscowione są oddzielne kanały przepływowe (III) czynnika ciepła użytkowego.