PL243604B1 - Układ grzewczy zasilany czystym wodorem - Google Patents

Abstract

Układ grzewczy zasilany czystym wodorem zawierający zbiornik wodoru, zespół grzewczy, zawór zerowego ciśnienia oraz wentylator i przewody charakteryzuje się tym, że zbiornik (1) zawierający wodór połączony jest za pomocą przewodu (3) reduktorami (2) i (4) a następnie z gazowym zaworem (5) zerowego ciśnienia, z którego wychodzi przewód (3) zakończony palnikiem (10) umieszczonym w komorze spalania (15), będącej częścią wymiennika ciepła (14), a na palniku zamontowana jest regulowana przesłona (7), zaś w wylocie spalin (13) z wymiennika ciepła (14) umieszczony jest wentylator (12).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ grzewczy zasilany czystym wodorem umożliwiający nagrzanie medium wykorzystywanego w przemyśle grzewczym.

Znane jest rozwiązanie z opisu patentowego nr W02005024301, w którym przedstawiono rozwiązanie zakładające katalityczne spalanie wodoru. W rozwiązaniu tym powietrze podawane jest przez wentylator nadmuchowy na palnik katalityczny. Wodór jest wstępnie mieszany z powietrzem i podawany pod ciśnieniem 20 mbar. Utlenienie wodoru zachodzi na katalizatorze w temperaturze 2QQ-450°C, czyli niskiej temperaturze spalania, która sprzyja niskiej emisji NOx. Niniejszy wynalazek dotyczy palnika oraz bezpośredniego sposobu spalania mieszaniny powietrzno-wodorowej w celu wytwarzania ciepła. Zaproponowany sposób spalania wodoru w palniku obejmuje następujące etapy: na początku następuje mieszanie wodoru i powietrza w celu uzyskania mieszaniny palnej, a następnie dostarcza się powyższą mieszaninę do palnika na katalizatorze tak, aby rozpocząć spala nie przez kontaktowanie wymienionej mieszaniny i katalizatora, po czym następuje spalanie w niskiej temperaturze wymienionego wodoru bez tworzenia płomieni. Jako katalizator stosuje się pallad (Pd 46), platynę (Pt 78) lub inne metale lub ich stopy, a wspomniany wodór jest dostarczany pod niskim ciśnieniem w zakresie 16 do 25 milibarów. Wodór jest spalany w zakresie temperatur od 200 do 450°C, a ciepło ze wspomnianego spalania jest wykorzystywane do ogrzewania płynu chłodzącego, takiego jak woda chłodząca. Wodór do spalania jest przechowywany w zbiorniku magazynującym i jest używany do tworzenia wodorków poprzez reakcję z metalami lub ich stopami, takimi jak tytan, żelazo, mangan, nikiel, chrom lub tym podobne.

W opisie patentowym EP1179709 przedstawiono konstrukcję grzejnika spalinowego na wodór oraz sposób spalania wodoru w tym grzejniku. Zawiera on kanał umożliwiający przepływ przez niego gazowego wodoru i powietrza oraz pierwszy elektryczny katalizator grzewczy umieszczony we wspomnianym kanale, który to katalizator jest podgrzewany poprzez doprowadzony do niego prąd, co rozpoczyna pierwsze spalanie pierwszej mieszaniny wodoru i powietrza. Wymiennik ciepła umieszczony jest w kanale za pierwszym katalizatorem i jest przystosowany do przekazywania ciepła wytworzonego przez wspomniane pierwsze spalanie do ogrzewania medium wymienionego wymiennika ciepła. W urządzeniu zastosowano środki kontrolowania stosunku szybkości przepływu powietrza w stosunku do wodoru, ograniczając w ten sposób pierwsze spalanie do łagodnego utleniania. Grzejnik spalania wodoru może zawierać drugi katalizator umieszczony pomiędzy pierwszym katalizatorem a wymiennikiem ciepła. Drugi katalizator umożliwia drugie spalanie drugiej mieszaniny gazowego wodoru i powietrza we wspomnianym drugim katalizatorze, podczas gdy drugi katalizator jest ogrzewany przez pierwsze spalanie.

Sposób spalania wodoru w grzejniku do spalania wodoru obejmuje ogrzewanie pierwszego katalizatora przez doprowadzenie do niego elektryczności, tym samym rozpoczynając pierwsze spalanie pierwszej mieszaniny wspomnianego gazowego wodoru i powietrza w pierwszym katalizatorze oraz przenoszenie ciepła wytworzonego przez pierwsze spalanie do czynnika grzewczego wymiennika ciepła i kontrolowanie stosunku natężenia przepływu powietrza do wodoru, ograniczając w ten sposób pierwsze spalanie do łagodnego utleniania, które jest definiowane jako wolne od wypalania wspomnianego wodoru. Temperatura pierwszego katalizatora jest ograniczona do 500°C.

Znane jest również rozwiązanie ujawnione w opisie nr NL2022826. Rozwiązanie przedstawia typowy palnik pre-mix. Do komory spalania jest podawana odpowiednia proporcja gazu i powietrza już zmieszana. Rozwiązanie wykorzystuje zawór zerowego ciśnienia. Rozwiązanie dotyczy spalania gazu zawierającego wodór lub w domyśle czystego wodoru. Przedstawione i zastosowane w rozwiązaniu sterownik i palnik ograniczają ryzyko cofnięcia płomienia poprzez zastosowanie zabezpieczeń i zmiennej regulacji współczynnika nadmiaru powietrza. Dla większych obciążeń cieplnych jest stosowany niski współczynnik nadmiaru powietrza, bo prędkość przepływu jest większa i mniejsze ryzyko cofnięcia płomienia, zaś dla niskich obciążeń cieplnych jest on większy, by zwiększyć prędkość przepływu mieszanki gaz-wodór-powietrze. W komorze spalania panuje nadciśnienie, a wentylator jest umieszczony przed komorą spalania.

Z kolei opis patentowy EP0784190 przedstawia rozwiązanie problemu zmiany nadmiaru powietrza wraz ze zmianą obciążenia cieplnego urządzenia w kotłach typu C wyposażonych w wentylator za komorą spalania. W pierwotnej wersji kotły te posiadają wentylator powietrza o stałej mocy, który dostarcza znamionową ilość powietrza do spalania. Paliwo gazowe podawane jest do kotła na palnik za pomocą regulatora ciśnienia gazu pod ciśnieniem wynikającym z obciążenia cieplnego kotła, a w komorze spalania kotła panuje podciśnienie. Zastosowano rozwiązanie, które umożliwiło utrzymanie stałego nadmiaru powietrza w stosunku do dawki gazu w całym zakresie obciążenia cieplnego kotła. Zrealizowano to poprzez sterownik, który umożliwił zmianę prędkości obrotowej wentylatora w zależności od strumienia gazu, który dostaje się na palnik poprzez regulator ciśnienia gazu.

Opisane urządzenie do optymalizacji wydajności generatora ciepła opalanego gazem zawiera palnik umieszczony w komorze spalania, wyposażonej w wentylator do odprowadzania spalonych gazów, gaz dociera do wspomnianego palnika przez rurę zasilającą, w której znajduje się zasilany elektrycznie regulator ciśnienia, przy czym wspomniany regulator jest sterowany w celu zmiany natężenia przepływu gazu do palnika za pomocą sygnałów elektrycznych, generowanych przez jednostkę sterującą generatora ciepła. Wspomniane urządzenie zawiera środki sterujące dla silnika wentylatora, przystosowane do modyfikowania prędkości silnika, a tym samym natężenia przepływu powietrza do spalania do komory spalania. Charakteryzuje się ono tym, że środki sterujące są połączone z przełącznikami sterującymi, połączonymi między linią zasilającą, dostarczającą zasilanie sieciowe, a silnikiem wentylatora w celu doprowadzenia zasilania sieciowego do silnika wentylatora, sygnał (Vref) z regulatora ciśnienia odpowiada stanowi przepływu gazu do palnika mierzonego w sposób ciągły przez wsp omniane środki sterujące, przy czym te ostatnie modyfikują prędkość silnika wentylatora zgodnie z ciągłym porównywaniem sygnału (Vr) reprezentującego napięcie sieci zasilającej silnik i wspomniany zmierzony sygnał (Vref).

Przykładowe powyższe rozwiązania mają skomplikowany układ sterowania i regulacji stosunku wodór-powietrze. Eliminują niebezpieczne zjawisko, jakim jest cofanie się płomienia, ale przy znacznie wyższym wydatku technicznym. Ponadto, w niektórych przypadkach wymuszają konieczność zasto sowania palnika katalitycznego.

Celem wynalazku jest stworzenie układu grzewczego zasilanego czystym wodorem, w którym następuje płomieniowe spalanie wodoru w sposób dyfuzyjny lub kinetyczno-dyfuzyjny. Zastosowane rozwiązanie będzie ograniczało emisję NOx, a obciążenie cieplne palnika nie będzie wpływać na pracę układu grzewczego i wymuszać stosowania dodatkowej elektronicznej kontroli.

Cel ten osiągnięto w rozwiązaniu według wynalazku, w którym układ grzewczy zasilany czystym wodorem zawierający zbiornik wodoru, zespół grzewczy, zawór zerowego ciśnienia oraz wentylator i przewody charakteryzuje się tym, że zbiornik zawierający wodór połączony jest za pomocą przewodu z reduktorami, a następnie z zaworem gazowym zerowego ciśnienia, z którego wychodzi przewód zakończony palnikiem umieszczonym w komorze spalania, będącej częścią wymiennika ciepła, a na palniku zamontowana jest regulowana przesłona, zaś w wylocie spalin z wymiennika ciepła umieszczony jest wentylator.

Zaletą takiego rozwiązania jest zastosowanie prostego i taniego w wykonaniu palnika oraz łatwa regulacja obciążenia cieplnego. Dodatkowo istnieje możliwość wielopoziomowego wprowadzenia powietrza w strefę reakcji ze względu na podciśnienie w komorze spalania i obniżenie emisji NOx do poziomu gwarantującego spełnienie wymagań emisyjnych dotyczących określonej grupy urządzeń. Występujące w układzie dyfuzyjne spalanie, gdzie mieszanka palna powstaje w komorze spalania, sprawia, że nie istnieje ryzyko cofnięcia płomienia. Zapewnienie stosunku wodór-powietrze bliskiego stechiometrycznemu daje wysoką sprawność przekazywania ciepła ze spalania wodoru do ogrzewanej wody na poziomie około 100% liczonej do wartości opałowej paliwa. Zastosowanie zaworu gazowego zerowego ciśnienia w połączeniu z obrotami wentylatora umożliwia utrzymanie stałego stosunku gaz-powietrze. Opracowany układ, który umieszczono w stosowanych obecnie wymiennikach ciepła, może być zasilany ciśnieniem 10+50 mbar z zachowaniem prawidłowego zapłonu, przenoszenia i stabilności płomienia oraz właściwości użytkowych kotła, takich jak: obciążenie cieplne i sprawność cieplna.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania uwidoczniony jest na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat układu grzewczego zasilanego czystym wodorem, fig. 2 przedstawia schemat układu grzewczego z wymiennikiem ciepła, a fig. 3 przedstawia schemat palnika układu zasilanego czystym wodorem, co opisano poniżej.

Zbiornik 1 o pojemności 35+45 dm³ wypełniony wodorem pod ciśnieniem 150+200 bar połączony jest z reduktorem 2 ciśnienia gazu pierwszego stopnia. Ciśnienie za reduktorem 2 wynosi około 0,8+2,5 bar. Użyty butlowy reduktor 2 połączony jest za pomocą elastycznego, ciśnieniowego przewodu 3 0 8/6 mm z reduktorem ciśnienia 4 drugiego stopnia firmy GOK (typ NDR 0516) o wydajności przepływu 12 kg/h, w którym ciśnienie wyjściowe regulowane wynosi 37/50 mbar, ciśnienie wejściowe wynosi 80-250 kPa, a gwint wejściowy/wyjściowy jest 1/2”. Redukuje on ciśnienie gazu do 37 mbar, ponieważ jego wielkość jest wymagana dla prawidłowej pracy gazowego zaworu 5 zerowego ciśnienia i musi się mieścić w przedziale 10+50 mbar. W układzie użyty został zawór zerowego ciśnienia 5 firmy

Honeywell o napięciu zasilania 24 V oraz 4,4 VA typu VK8205VE1003 z dwoma zaworami gazowymi klasy C. Maksymalne ciśnienie dolotowe dla tego zaworu to 60 mbar. Zadaniem gazowego zaworu 5 zerowego ciśnienia jest utrzymywanie ciśnienia rozprężenia na poziomie 5+10 Pa w typowym dla zaworu gazowego zakresie przepływów. Wyjście reduktora ciśnienia 4 drugiego stopnia połączone jest z wejściem gazowego zaworu 5 zerowego ciśnienia za pomocą elastycznego przewodu ciśnieniowego 3 o średnicy 0 8/6 mm. Wyjście gazowego zaworu 5 zerowego ciśnienia połączone jest elastycznym przewodem ciśnieniowym 3 o średnicy 0 8/6 mm i o długości 20 cm ze stalowym łącznikiem rurowym 6 o średnicy 1/2”' i kącie 90° będącym częścią palnika 2. Ponadto, palnik 2 stanowi rura stalowa 8 o średnicy 1” oraz rura stalowa 9 o średnicy 1/2”. Są one umieszczone względem siebie współosiowo. Przestrzenią pomiędzy stalowymi rurami 8 i 9 w trakcie pracy urządzenia dopływa powietrze atmosferyczne, które miesza się z wodorem w komorze spalania 15, który dopływa rurą 9 o średnicy 1/2” w stanie otwarcia zaworu 5 zerowego ciśnienia. W rurze 8, na jej końcowym odcinku, znajduje się zawirowywacz 16. Przepływ powietrza i wodoru wywołany jest podciśnieniem panującym w komorze spalania 15. Na wielkość podciśnienia w komorze spalania 15 wpływają obroty wentylatora 12 firmy SIT S. p. a. oraz pozycja przesłony powietrza 7. W układzie użyto wentylator 12 typu EV GOLD/C/S/V120/M25CCO, zasilanego 230 V AC, 50 Hz i mocy znamionowej 40 W. Przy zadanym poziomie podciśnienia w komorze spalania 15, po regulacji zaworu 5 zerowego ciśnienia, dochodzi do ustalenia proporcji przepływu wodoru i powietrza, która może zmieniać się dla pozostałych wielkości podciśnienia w komorze spalania 15 w zakresie do 25%. Jako układ odbioru ciepła, stanowiący jednocześnie komorę spalania 15, zastosowano wymiennik ciepła 14 firmy CONDEVO S.p.A., typ CONDCELL S20/25 1E+V. Wymiennik ciepła 14 posiada moc cieplną 25 kW i wylot 13 odprowadzenia spalin o średnicy 0 60 mm do którego przyłączono przewód spalinowy 11 o średnicy 0 60 mm. Do wyjścia przewodu 11 przyłączono wyciągowy wentylator 12 spalin.

Przedmiot według wynalazku może być stosowany w jednofunkcyjnym kotle gazowym opalanym czystym wodorem z otwartą lub zamkniętą komorą spalania, a na większą skalę w kotłach o obciążeniu cieplnym rzędu kilkuset kW przy wykorzystaniu kilku lub kilkunastu palników i zaworów zerowego ciśnienia lub układów kaskadowych. Układ regulacji doprowadzenia paliwa oraz powietrza do spalania może być wykorzystywany we wszystkich przypadkach, gdzie paliwem jest gaz a utleniaczem powietrze atmosferyczne.

Claims (1)

1. Układ grzewczy zasilany czystym wodorem zawierający zbiornik wodoru, zespół grzewczy, zawór zerowego ciśnienia oraz wentylator i przewody znamienny tym, że zbiornik (1) zawierający wodór połączony jest za pomocą przewodu (3) z reduktorami (2) i (4) a następnie zgazowym zaworem (5) zerowego ciśnienia, z którego wychodzi przewód (3) zakończony palnikiem umieszczonym w komorze spalania (15), będącej częścią wymiennika ciepła (14), a na palniku (2) zamontowana jest regulowana przesłona (7), zaś w wylocie spalin (13) z wymiennika ciepła (14) umieszczony jest wentylator (12).