PL244321B1

PL244321B1 - Heat exchanger

Info

Publication number: PL244321B1
Application number: PL437577A
Authority: PL
Inventors: Dariusz Piotr Okoniewski
Original assignee: Dariusz Piotr Okoniewski
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2024-01-08
Also published as: PL437577A1

Abstract

Wymiennik ciepła przeznaczony do płaszczowej wymiany ciepła pomiędzy gazem i czynnikiem cieplnym, gdy procesowi towarzyszy wydzielanie frakcji stałej. Koliste płyty (1), stożkowo wyprofilowanymi obrzeżami, zespolone są szczelnie w pary, poprzez koliste płyty (3) wewnętrzne, z otworami (4). Płyty (1) osiowymi otworami (2), przez pierścienie (7) dystansowe zespojone są w obrotowy zespół przepływowy czynnika cieplnego. Każda para płyt (1) obwodowo zespolona jest z pierścieniem (5) zębatym i osobno spoczywa na dwóch zębatych wałach (10), od góry dociśnięta zębami osi (12). Pod zespołem znajduje się skrzyniowy zsyp (13) z przegrodami (14), wchodzącymi pomiędzy płyty (1) a ich przedłużeniem w górę są przegrody (17) środkowe, styczne szczelnie, z przegrodami (19) górnymi. Przegrody te tworzą przyosiowe otwory (15) przepływowe gazu i zespolone są z pokrywami (16, 18), które łącznie ze zsypem (13) tworzą wokół zespołu płyt (1) zwarty kanał przepływowy gazu wokół płyt o dużej powierzchni wymiany, ze skrobakami (21), od których odpadające grudki frakcji stałej spadają do przenośników ślimakowych. Wymiennik ciepła stosowany jest szczególnie w kriogenicznych metodach oczyszczania spalin, połączonych z wychwytywaniem zestalonego dwutlenku węgla.A heat exchanger designed for shell heat exchange between a gas and a thermal medium when the process is accompanied by the release of a solid fraction. The circular plates (1), with conically profiled edges, are tightly connected in pairs by internal circular plates (3) with holes (4). The plates (1) are connected with axial holes (2) and through spacer rings (7) to form a rotary flow unit of the thermal medium. Each pair of plates (1) is peripherally connected to the toothed ring (5) and rests separately on two toothed shafts (10), pressed from above by the axle teeth (12). Under the assembly there is a box-like chute (13) with partitions (14), extending between the plates (1) and their extension upwards are the middle partitions (17), tightly touching, with the upper partitions (19). These partitions create paraxial gas flow holes (15) and are combined with covers (16, 18), which, together with the chute (13), create a compact gas flow channel around the set of plates (1) around the plates with a large exchange surface, with scrapers (21). ), from which the falling lumps of solid fraction fall into the screw conveyors. The heat exchanger is used especially in cryogenic exhaust gas purification methods combined with the capture of solidified carbon dioxide.

Description

Przedmiotem wynalazku jest płaszczowy wymiennik ciepła, do zastosowania szczególnie w biogazowniach do oczyszczania biogazu do gazu wysokometanowego, oraz wychwytywaniem dwutlenku węgla powstałego w wyniku spalania biogazu lub biometanu. Wychwyt dwutlenku węgla z procesów w biogazowniach jako sekwestracja, w swej istocie jest usuwaniem dwutlenku węgla z atmosfery.The subject of the invention is a shell heat exchanger, especially for use in biogas plants for purifying biogas into high-methane gas, and for capturing carbon dioxide resulting from the combustion of biogas or biomethane. Carbon dioxide capture from processes in biogas plants as sequestration is, in essence, the removal of carbon dioxide from the atmosphere.

Biogaz jest mieszaniną składającą się głównie z metanu i dwutlenku węgla, produkowaną przez mikroorganizmy z rozkładu substancji organicznych w warunkach beztlenowych. Powstały biogaz składa się w 50-75% z metanu i 25-45% z dwutlenku węgla, a także z małych ilości siarkowodoru, azotu, tlenu i wodoru. Skład biogazu zależy od procesu technologicznego i zastosowanych substratów. Procentowy udział metanu w biogazie stanowi o wartości opałowej tego paliwa. Im większy jego udział, tym większa wartość kaloryczna biogazu (przyjmuje się, że biogaz o zawartości 65% metanu ma zazwyczaj wartość kaloryczną 23 MJ/m³) . Ze względu na obecność zanieczyszczeń bezpośrednie wykorzystanie wytworzonego w procesie fermentacji biogazu jest właściwie niemożliwe. Biogaz jest zazwyczaj wykorzystywany do wytwarzania energii cieplnej w kotłach lub do produkcji energii elektrycznej i cieplnej w skojarzeniu. Oczyszczanie biogazu w takich instalacjach sprowadza się do usuwania siarkowodoru i pary wodnej, odpowiedzialnych za korozję i obniżenie żywotności urządzeń energetycznych. Natomiast, aby wytworzony biogaz można było wtłoczyć do sieci gazowej, wykorzystać do napędu pojazdów należy usunąć z niego dwutlenek węgla, a także siarkowodór, siloksany, a następnie go osuszyć. Stosując odpowiednie technologie oczyszczania biogazu, można uzyskać tzw. biometan o zawartości metanu powyżej 95%. Biometan może być bezpiecznie wtłaczany do sieci, oraz wykorzystywany do produkcji energii, nawet w ogniwach paliwowych czy mikroturbinach, które wymagają gazu pozbawionego zanieczyszczeń. Wszystkie te przedsięwzięcia prowadzą jedynie do korzystania z energii czystej, nieobciążonej emisją dwutlenku węgla.Biogas is a mixture consisting mainly of methane and carbon dioxide, produced by microorganisms from the decomposition of organic substances in anaerobic conditions. The resulting biogas consists of 50-75% methane and 25-45% carbon dioxide, as well as small amounts of hydrogen sulfide, nitrogen, oxygen and hydrogen. The composition of biogas depends on the technological process and the substrates used. The percentage of methane in biogas determines the calorific value of this fuel. The greater its share, the greater the calorific value of biogas (it is assumed that biogas with 65% methane content usually has a calorific value of 23 MJ/m ³ ). Due to the presence of pollutants, direct use of the biogas produced in the fermentation process is virtually impossible. Biogas is typically used to generate heat in boilers or to produce electricity and heat in combination. Biogas purification in such installations comes down to removing hydrogen sulphide and water vapor, which are responsible for corrosion and reducing the life of energy equipment. However, in order for the produced biogas to be injected into the gas network and used to power vehicles, carbon dioxide, hydrogen sulphide and siloxanes must be removed from it and then dried. By using appropriate biogas purification technologies, it is possible to obtain the so-called biomethane with methane content above 95%. Biomethane can be safely injected into the grid and used to produce energy, even in fuel cells or microturbines, which require pollutant-free gas. All these projects only lead to the use of clean energy, free from carbon dioxide emissions.

Dotychczas znane technologie oczyszczania gazu z biogazowni i wysypisk śmieci dzielą się na metody wykorzystujące membrany, metody oparte o reakcje chemiczne, oraz metody kriogeniczne. Proces usuwania pary wodnej z biogazu polega na doprowadzeniu go do parametrów, w których przekroczony zostaje punkt rosy. Podwyższenie ciśnienia pozwala uzyskać ten punkt przy wyższej temperaturze.The currently known technologies for purifying gas from biogas plants and landfills are divided into methods using membranes, methods based on chemical reactions, and cryogenic methods. The process of removing water vapor from biogas involves bringing it to parameters that exceed the dew point. Increasing the pressure allows you to reach this point at a higher temperature.

Kriogeniczny proces najczęściej oparty jest na wykorzystaniu zjawiska Jouela - Thompsona i polega na sprężaniu biogazu do wysokiego ciśnienia np. 50 MPa, schłodzeniu a następnie jego rozprężaniu, przez co uzyskuje się niską temperaturę biogazu. Rozdzielanie dwutlenku węgla przebiega dwuetapowo, najpierw około 40% w postaci ciekłej, a dopiero w kolejnym etapie resztę gazu, ale już w postaci ciała stałego. Wadą tego typu instalacji jest to, że aby sprężyć biogaz do wysokiego ciśnienia np. 50 MPa potrzeba odpowiednich sprężarek, co generuje bardzo wysokie koszty całego procesu.The cryogenic process is most often based on the Jouel-Thompson effect and involves compressing biogas to a high pressure, e.g. 50 MPa, cooling it and then expanding it, thereby obtaining a low biogas temperature. The separation of carbon dioxide takes place in two stages, first about 40% in liquid form, and only in the next stage the rest of the gas, but in the form of a solid. The disadvantage of this type of installation is that to compress biogas to high pressure, e.g. 50 MPa, appropriate compressors are needed, which generates very high costs of the entire process.

Znany jest Pat.225854 pt. „Sposób oczyszczania biogazu do parametrów gazu przesyłowego, oraz instalacja do oczyszczania biogazu”. Sposób charakteryzuje się tym, że usuwanie dwutlenku węgla odbywa się poprzez przeponowe schłodzenie biogazu ciekłym azotem, doprowadzając do wykroplenia się dwutlenku węgla, wydzielonego następnie w separatorze. Proces prowadzi się pod ciśnieniem nie niższym niż 1,5 MPa, w przedziale temperatur od -62 do -72°C. Proces wstępnego schłodzenia nieoczyszczonego biogazu odbywa się w wymienniku ciepła przy pomocy oczyszczonego biogazu mającego temperaturę od -50 do -60°C. Następnie z nieoczyszczonego biogazu w specjalnej kolumnie usuwana jest woda i siarkowodór, po czym kierowany jest już do wymiennika ciepła z ciekłym azotem, który wrząc (w warunkach normalnych -196°C) pobiera przeponowo ciepło parowania od przepływającego biogazu, schładzając go do wymaganej temperatury.Pat. 225854 is known: "A method of purifying biogas to the parameters of transmission gas, and an installation for biogas purification." The method is characterized by the fact that carbon dioxide is removed by diaphragm cooling of the biogas with liquid nitrogen, leading to the condensation of carbon dioxide, which is then separated in the separator. The process is carried out at a pressure of not less than 1.5 MPa, in the temperature range from -62 to -72°C. The process of pre-cooling the unpurified biogas takes place in a heat exchanger using purified biogas at a temperature of -50 to -60°C. Then, water and hydrogen sulphide are removed from the unpurified biogas in a special column, and then it is directed to a heat exchanger with liquid nitrogen, which, while boiling (in normal conditions -196°C), absorbs the heat of evaporation from the flowing biogas, cooling it to the required temperature.

W metodzie tej wstępne schłodzenie nieoczyszczonego biogazu, biogazem oczyszczonym o temperaturze poniżej -50°C będzie powodować problemy wynikające z tworzenia się lodu na powierzchni wymiany ciepła. Bardzo pogorszy to parametry wymiany i będzie wprost blokować przepływ.In this method, pre-cooling of unpurified biogas with purified biogas at a temperature below -50°C will cause problems resulting from the formation of ice on the heat exchange surface. This will significantly worsen the exchange parameters and will directly block the flow.

Całe ciepło pobrane przez parujący azot zostanie utracone , bowiem gazowy azot ulatuje do atmosfery.All the heat absorbed by the evaporating nitrogen will be lost as the nitrogen gas escapes into the atmosphere.

Zastosowanie tej metody w większej skali spowoduje nieuchronnie wzrost ceny ciekłego azotu. Rzutować to będzie niekorzystnie na opłacalność całej metody.Applying this method on a larger scale will inevitably result in an increase in the price of liquid nitrogen. This will have a negative impact on the profitability of the entire method.

Celem wynalazku było opracowanie takiej konstrukcji powierzchni wymiany ciepła, aby możliwe było zastosowanie, w procesie ciągłym, długiej drogi wymiany, z równoczesnym oddzielaniem, powstającej w niskotemperaturowym procesie resublimacji, frakcji stałego dwutlenku węgla. Roz wiązanie ma dać możliwość przeprowadzenia całego procesu w jednym urządzeniu. Nawet bez żadnej fazy przygotowawczej.The aim of the invention was to develop such a design of the heat exchange surface that would enable the use of a long exchange path in a continuous process, with simultaneous separation of the solid carbon dioxide fraction generated in the low-temperature resublimation process. The solution is intended to make it possible to carry out the entire process in one device. Even without any preparatory phase.

Istota wynalazku.The essence of the invention.

Zostało to rozwiązane, według wynalazku, w ten sposób, że zespół przegród wymiany ciepła składa się z obrotowych, kolistych płyt z osiowym otworem, obwodowo stożkowo wyprofilowanych. Przy tym parami, obrzeżami, są one połączone z sobą szczelnie, poprzez dodatkową kolistą płytę wewnętrzną, z zespołem otworów przepływowych, blisko wewnętrznej strony obwodowego obrzeża. Wszystkie pary płyt, osiowymi otworami, połączone są z sobą szczelnie długimi śrubami, za pośrednictwem pierścieni dystansowych. Rozwiązanie to sprawia, że strumień czynnika cieplnego, przepływającego przez wnętrze zespołu połączonych płyt, każdorazowo rozpływa się równo, odosiowo, wewnątrz kolistych par do obwodowych otworów przepływowych i p otem ponownie koncentruje się w kolejnych przyosiowych otworach przepływowych. Zapewnione zostaje wyrównane natężenie wymiany ciepła na całych powierzchniach płyt. Jednocześnie, pierścienie dystansowe wytworzyły, na zewnątrz par płyt, przestrzenie dla przepływu gazu poddawanego przerobowi.This is solved, according to the invention, in such a way that the set of heat exchange partitions consists of rotating, circular plates with an axial hole, conically profiled circumferentially. In this case, in pairs, they are tightly connected to each other by an additional circular inner plate with a set of flow holes close to the inner side of the peripheral rim. All pairs of plates are tightly connected with axial holes with long screws and spacer rings. This solution causes the stream of the thermal medium flowing through the interior of the set of connected plates to spread evenly, axially, inside the circular pairs to the peripheral flow holes and then concentrate again in the subsequent paraxial flow holes. The intensity of heat transfer across the entire plate surfaces is ensured. At the same time, the spacer rings created, outside the plate pairs, spaces for the flow of the gas to be processed.

W rozwiązaniu, wg wynalazku, koliste płyty wewnętrzne wychodzą nieznacznie poza obrzeże kolistych płyt wymiany i połączone są sztywno z pierścieniami zębatymi. Zębami tych pierścieni, każda para płyt podparta jest na dwóch wałach z zespołami zębów.In the solution according to the invention, the circular internal plates extend slightly beyond the periphery of the circular exchange plates and are rigidly connected to the toothed rings. With the teeth of these rings, each pair of plates is supported on two shafts with sets of teeth.

Rozwiązanie to umożliwia rezygnację z napędu całego zespołu przez jeden osiowy wał, który musiałby spełniać wymóg dużej sztywności. Dzięki przyjętemu rozwiązaniu, zespół kolistych płyt podparty jest na całej swej długości. Jednocześnie boczne wały przenoszą napęd osobno na każdą parę płyt. Wyeliminowane są duże osiowe siły skrętne wewnątrz całego zespołu. Siła obrotowa na każdą parę przenoszona jest w dwóch punktach. Z kolei płyty wewnętrzne przenoszą ją dalej, po obwodach płyt, bez ryzyka odkształceń.This solution makes it possible to resign from driving the entire assembly through one axial shaft, which would have to meet the requirement of high stiffness. Thanks to the adopted solution, the set of circular plates is supported along its entire length. At the same time, the side shafts transmit the drive separately to each pair of plates. Large axial torsional forces within the entire assembly are eliminated. The rotational force is transmitted to each pair at two points. In turn, the internal plates carry it further, along the perimeters of the plates, without the risk of deformation.

W rozwiązaniu, wg wynalazku, zespół par kolistych płyt od góry dociskany jest osią zębatą, stycznie z zębami pierścieni płyt.In the solution according to the invention, a set of pairs of circular plates is pressed from above by a toothed axis, tangentially to the teeth of the plate rings.

Rozwiązanie zabezpiecza zespół płyt przed wyboczeniem osi obrotu pod wpływem dużego bocznego oporu. Możliwe staje się zeskrobywanie osadzającej się frakcji stałej jednocześnie z wszystkich kolistych płyt wymiany ciepła.The solution protects the plate assembly against buckling of the rotation axis under the influence of high lateral resistance. It becomes possible to scrape the deposited solid fraction simultaneously from all circular heat exchange plates.

W rozwiązaniu, wg wynalazku, wały z zespołami zębów i oś dociskowa, osadzone są skrajnie w konstrukcji nośnej, zbudowanej z dwóch ram, połączonych wzdłużnymi belkami. Na górnej parze belek, wspornikami, spoczywa skrzyniowy zsyp, z poprzecznymi przegrodami. Do jego wnętrza, pomiędzy przegrody, wchodzą dolne części obracających się kolistych płyt wymiany ciepła. Poprzeczne przegrody wychodzą w górę, ponad krawędź zsypu i szczelnie przylegają do dolnych powierzchni wałów. Wychodzą też w górę i krawędziami części przyosiowych tworzą, wspólnie z pierścieniami dystansowymi, części dolne pierścieniowych otworów przepływowych gazu. Pozostałą część górną pierścieniowych otworów tworzą skraje przegród, będące częścią półwalcowej pokrywy przykrywającej cały zespół kolistych płyt, od góry, obrzeżem, szczelnie zespolonej z krawędzią zsypu. Przegrody pokrywy obejmują, szczelnie, górne powierzchnie walców i dolną powierzchnię osi zębatej, oraz stykają się, szczelnie, swymi krawędziami, z krawędziami przegród zsypu. Od góry podłużny otwór w pokrywie, wokół osi zębatej, zamyka szczelnie obudowa. Posiada ona również wewnętrzne przegrody, stycznie szczelne z osią i przegrodami pokrywy.In the solution according to the invention, the shafts with sets of teeth and the pressure axis are mounted at the extremes in a supporting structure composed of two frames connected by longitudinal beams. A box chute with transverse partitions rests on the upper pair of beams with brackets. The lower parts of rotating circular heat exchange plates enter its interior, between the partitions. The transverse partitions extend upwards, over the edge of the chute and tightly adhere to the lower surfaces of the shafts. They also extend upwards and, together with the spacer rings, form the lower parts of the annular gas flow holes with the edges of the axial parts. The remaining upper part of the annular holes is formed by the edges of the partitions, which are part of the semi-cylindrical cover covering the entire set of circular plates, from above, with an edge, tightly connected to the edge of the chute. The cover partitions tightly cover the upper surfaces of the rollers and the lower surface of the gear axis, and their edges are in tight contact with the edges of the chute partitions. From above, the oblong hole in the cover, around the gear axis, is tightly closed by the housing. It also has internal partitions, tangentially tight with the axis and partitions of the cover.

Rozwiązania te tworzą, wokół zespołu kolistych płyt wymiany ciepła, zamkniętą przestrzeń przepływową dla gazu poddawanego przerobowi. Przy tym poprzeczne, częściowe, przegrody wymuszają przepływ całego strumienia gazu, blisko całych powierzchni wymiany ciepła.These solutions create a closed flow space for the gas to be processed around the set of circular heat exchange plates. At the same time, transverse, partial partitions force the entire gas stream to flow close to the entire heat exchange surfaces.

W rozwiązaniu, wg wynalazku, w obudowanych otworach bocznej ściany zsypu, stycznie do powierzchni płyt wymiany ciepła, osadzone są skrobaki. Posiadają one kliny z ostrymi krawędziami, stycznymi do powierzchni płyt i schodzącymi się w kierunku natarcia, osadzonej na powierzchniach płyt, frakcji stałej.In the solution according to the invention, scrapers are embedded in the enclosed holes in the side wall of the chute, tangentially to the surface of the heat exchange plates. They have wedges with sharp edges, tangential to the plate surfaces and meeting in the direction of the attack of the solid fraction deposited on the plate surfaces.

Rozwiązania te umożliwiają ciągłe usuwanie z powierzchni płyt gromadzącej się frakcji stałej i utrzymanie przenikania ciepła na wymaganym poziomie. Zastosowanie klinowych ostrzy, działających stycznie z płytami, znacznie zmniejsza siłę natarcia osadu ze względu na wytworzone zjawisko podważania go przez klinowe ostrza i odspajania od powierzchni płyt. Jednocześnie, skośne natarcie ostrzy daje efekt rozcinania.These solutions enable continuous removal of the accumulating solid fraction from the plate surface and maintaining heat transfer at the required level. The use of wedge blades operating tangentially with the plates significantly reduces the impact force of the sediment due to the phenomenon of the wedge blades lifting it and detaching it from the plate surface. At the same time, the oblique attack of the blades creates a cutting effect.

W rozwiązaniu, wg wynalazku, do dna zsypu przytwierdzone są, szczelnie, przenośniki ślimakowe z piórami bezwałowymi, posiadające poprzeczną przegrodę i dwa wysypy. Rozwiązania te zamykają denną część przestrzeni przepływowej przerabianego gazu, jednocześnie umożliwiając ciągły odbiór spadającego osadu (frakcję stałą), odspajanego od płyt wymiany ciepła. Większa niż jeden ilość przenośników umożliwia zachowanie niezbędnego kąta ścian zsypu. Bezwałowe pióra ślimaków umożliwiają przesuw okruchów osadu w kierunku otworów wysypowych, przy całkowitym wypełnieniu przestrzeni ich obudowy. Jeśli masa osadu utrzymywana jest możliwie wysoko, to stanowi ona barierę dla przepływu gazu przez przestrzeń ślimaków, bez kontaktu z płytami wymiany ciepła. Rozwiązanie umożliwia, w przypadku dwufazowego procesu schładzania gazu, osob ne odbieranie frakcji stałych z obydwu faz.In the solution according to the invention, screw conveyors with shaftless blades, having a transverse partition and two discharges, are tightly attached to the bottom of the chute. These solutions close the bottom part of the flow space of the processed gas, while enabling continuous collection of falling sediment (solid fraction), detached from the heat exchange plates. More than one number of conveyors allows you to maintain the necessary angle of the chute walls. Shaftless screw blades enable the sludge crumbs to move towards the discharge holes, while completely filling the space in their housing. If the sludge mass is kept as high as possible, it constitutes a barrier to the flow of gas through the screw space, without contact with the heat exchange plates. The solution enables, in the case of a two-phase gas cooling process, separate collection of solid fractions from both phases.

W rozwiązaniu, wg wynalazku, pierścienie zębate kolistych płyt wymiany ciepła przegrodzone są pierścieniami termoizolacyjnymi.In the solution according to the invention, the toothed rings of the circular heat exchange plates are separated with thermal insulating rings.

Rozwiązanie to zapobiega przewodzeniu ciepła od zębów w kierunku płyt wymiany lub odwrotnie, w zależności od warunków procesu. Umożliwia to utrzymywanie przez zęby pierścieni temperatury takiej, jaką posiada gaz. Skutkuje to brakiem osadzania się na nich frakcji stałej, która wypełniając przestrzenie pomiędzy nimi uniemożliwiałaby zazębianie się i w konsekwencji niewłaściwą pracę wałów.This solution prevents heat conduction from the teeth towards the exchange plates or vice versa, depending on the process conditions. This allows the teeth of the rings to maintain the temperature of the gas. This results in no solid fraction settling on them, which by filling the spaces between them would prevent the shafts from interlocking and, consequently, improper operation.

W rozwiązaniu, wg wynalazku, do ramowego skraju konstrukcji nośnej, z jednej strony, przytwierdzone są sztywno napędy wałów i kolektor dolotowy przerabianego gazu, w płycie skrajnej, z zaworem doprowadzania czynnika cieplnego. Z przeciwnej strony, do skrajnej ściany półwalcowej pokrywy przytwierdzony jest szczelnie, kolektor wylotowy przerabianego gazu, z osiową rurą odprowadzania czynnika cieplnego, której otwór skrajny przystaje do otworu obracającego się pierścienia skrajnego zespołu płyt wymiany ciepła i napędy przenośników ślimakowych.In the solution according to the invention, on one side, the shaft drives and the intake manifold of the processed gas are rigidly attached to the frame edge of the supporting structure, in the end plate, with a valve for supplying the thermal medium. On the opposite side, the outlet manifold of the processed gas is tightly attached to the extreme wall of the semi-cylindrical cover, with an axial pipe for discharging the thermal medium, the extreme opening of which corresponds to the opening of the rotating ring of the extreme heat exchange plate set, and the screw conveyor drives.

Rozwiązania te powodują współprądowy przepływ przerabianego gazu i czynnika cieplnego, istotny ze względu na taki sam kierunek spadku ciśnienia i mniejszą różnicę ciśnień w miejscu uszczelnień skrajnych obrotowego zespołu płyt. Uwzględniany jest też, możliwy, wpływ na te uszczelnienia skurczu liniowego pracujących w innej temperaturze elementów roboczych, w stosunku do znajdującej się poza izolacją termiczną konstrukcji nośnej.These solutions cause a co-current flow of the processed gas and the thermal medium, which is important due to the same direction of pressure drop and a smaller pressure difference at the end seals of the rotating plate assembly. The possible impact on these seals of linear shrinkage of working elements operating at a different temperature in relation to the supporting structure located outside the thermal insulation is also taken into account.

W rozwiązaniu, wg wynalazku, pomiędzy skrajnymi pierścieniami przyosiowymi zespołu płyt wymiany ciepła i płytą skrajną, z zaworem doprowadzania czynnika cieplnego, oraz kolektorem dolotowym przerabianego gazu, obok pierścieniowych uszczelek, znajdują się ślizgowe pierścienie oporowe.In the solution according to the invention, between the extreme axial rings of the heat exchange plate set and the extreme plate with the heat medium supply valve and the intake manifold of the processed gas, next to the ring seals, there are sliding resistance rings.

Rozwiązanie to eliminuje możliwość poziomych osiowych przemieszczeń zespołu płyt względem całej obudowy i ułatwia zachowanie szczelności przepływu gazów przez skraje wymiennika.This solution eliminates the possibility of horizontal axial displacements of the plate group in relation to the entire casing and facilitates the tightness of gas flow through the edges of the exchanger.

Objaśnienie figur rysunku.Explanation of drawing figures.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia urządzenie w widoku z boku, z przekrojami wzdłużnymi. Dwoma stopniowymi, cząstkowymi przekrojami C-C, przez oś obrotu zespołu kolistych przegród 1 wymiany ciepła i oś obrotu ślimaka 23 bezwałowego przenośnika, oraz trzecim przekrojem D-D cząstkowym, przez oś obrotu wału 10. Przy czym we wszystkich przekrojach pominięto warstwę zewnętrznej termoizolacji. Fig. 2 przedstawia urządzenie w dwóch połówkowych przekrojach poprzecznych. Przekrój A-A wyznacza płaszczyzna poprowadzona przez wnętrze kolistych par płyt 1 wymiany ciepła. Przekrój B-B wyznacza płaszczyzna poprowadzona pionowo przez pierścień 7 przepływowy metanu i pierścieniowy kanał przepływowy spalin. Fig. 3 przedstawia wykrój poprzecznego przekroju przez wsporniki 20 urządzenia i skrobaki 21, oraz koliste płyty 1 wymiany ciepła.The subject of the invention is presented in an embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows the device in a side view, with longitudinal sections. Two gradual, partial cross-sections C-C, through the axis of rotation of the set of circular heat exchange partitions 1 and the axis of rotation of the screw 23 of the shaftless conveyor, and a third partial cross-section D-D, through the axis of rotation of the shaft 10. In all cross-sections, the layer of external thermal insulation was omitted. Fig. 2 shows the device in two half cross sections. Cross-section A-A is defined by a plane drawn through the interior of the circular pairs of heat exchange plates 1. Cross-section B-B is defined by a plane drawn vertically through the methane flow ring 7 and the annular exhaust gas flow channel. Fig. 3 shows a cross-sectional view through the device supports 20 and scrapers 21, and the circular heat exchange plates 1.

Przykład 1 wykonania wynalazku.Example 1 of the invention.

Urządzenie przystosowane jest do oczyszczania spalin, w powiązaniu z wychwytywaniem dwutlenku węgla. Spaliny powstają w wyniku spalania biometanu, pochodzącego z biogazowni średniej wielkości. Wymiennik ciepła zbudowany jest z 30 kolistych płyt 1 o średnicy 3 m, z osiowym otworem 2, o łącznej powierzchni wymiany ciepła wynoszącej 200 m². Wszystkie płyty 1 są obwodowo wyprofilowane stożkowo i zewnętrznymi krawędziami, parami, z sobą szczelnie połączone, poprzez kolistą płytę 3 wewnętrzną, z zespołem otworów 4 przepływowych, blisko wewnętrznej strony obrzeża. Koliste płyty 3 wychodzą obwodowo poza obrzeża płyt 1 i do każdej z nich przytwierdzony jest pierścień 5 zębaty, poprzez obwodową przegrodę 6 termoizolacyjną. Wszystkie 15 par płyt 1 osiowo jest z sobą, szczelnie, zespolonych poprzez pierścienie 7 dystansowe, przepływowe czynnika cieplnego, długimi śrubami 8 łączeniowymi. Przeprowadzone są one poprzez otwory w pierścieniach 7. Przechodzą też przez otwory w płytach 1, otwory w płytach 3 wewnętrznych i oddzielające je tuleje 9 dystansowe. Cały zespół płyt 1, zębami pierścieni 5, leży na zębach wałów 10, osadzonych w łożyskach ślizgowych konstrukcji 11 nośnej. W górnych ramach, skrajnych, konstrukcji 11 osadzona jest oś 12 zębata, stycznie z zębami pierścieni 5. Na całej swej długości zespół płyt 1, dolną częścią, wchodzi do wnętrza skrzyniowego zsypu 13, z poprzecznymi przegrodami 14 stycznymi szczelnie z dolnymi po wierzchniami wałów 10. Przegrody 14 znajdują się pomiędzy wszystkimi parami kolistych płyt 1 i krawędzią części przyosiowej tworzą, blisko pierścieni 7 dystansowych, części dolne pierścieniowych otworów 15 przepływowych spalin. Od góry, szczelnie, stycznie z krawędzią zsypu 13 cały zespół kolistych płyt wymiany ciepła przykryty jest półwalcową pokrywą 16, z poprzecznymi przegrodami 17 stycznymi, szczelnie, ze skośnymi krawędziami przegród 14 i stycznymi też, szczelnie, z górnymi powierzchniami wałów 10. Przegrody 17, zaokrągloną krawędzią części przyosiowej, tworzą blisko pierścieni 7 dystansowych, części górne pierścieniowych otworów 15 przepływowych spalin. Półwalcowa pokrywa 16, w przewyższeniu, posiada długi prostokątny otwór do osadzenia osi 12 w konstrukcji 11 nośnej. Krawędzie przegród 17 są koliście wyprofilowane, by szczelnie przylegały, pomiędzy zębami, do dolnej połowy osi 12. Otwór w pokrywie 16 zamknięty jest szczelnie pokrywą 18 górną, z przegrodami 19 górnymi, zaokrągleniami, szczelnie, przylegającymi do osi 12 i stycznymi, szczelnie, z górnymi skrajami przegród 17. W ten sposób wokół całego zespołu kolistych przegród wymiany ciepła wytworzony jest pierścieniowy kanał opływowy spalin. W bocznej ścianie zsypu 13 skrzyniowego znajduje się zespół obudowanych otworów, w których osadzone są, szczelnie, skrobaki, składające się ze wsporników 20, do których są przytwierdzone, zawiasowo, klinowe skrobaki 21, dociskane sprężynami 22 do powierzchni kolistych płyt 1 wymiany ciepła. Składają się one ze wsporników, skrajnie opartych o pierścienie 7 dystansowe, z zespołami bocznych klinów, posiadających ostre krawędzie przylegające do ścian kolistych przegród 1 dystansowych. Skrobaki 20 są tak zainstalowane, że odpadający od nich, stały dwutlenek węgla wpada grawitacyjnie do wnętrza zsypu 13, na pióra ślimaków 21 bezwałowych dwóch przenośników. Obudowy przenośników są podzielone przegrodami 22, znajdującymi się pod przegrodą 14, pomiędzy drugą i trzecią parą kolistych przegród 1. Osadzone są w nich krótkie wały 23, dzielące ślimaki 21 na dwie części. Ślimaki 21 przednie przenoszą lód w kierunku dwóch wysypów 24 a ślimaki 21 tylne w kierunku dwóch wysypów 25 stałego CO2. Do ramowego skraju konstrukcji H nośnej, z jednej strony przytwierdzone są, sztywno, napędy 26 wałów 10 i kolektor 27 dolotowy spalin, będący częścią płyty 28 skrajnej, z zaworem 29 doprowadzania ciekłego metanu. Z przeciwnej strony, do skrajnej ściany półwalcowej pokrywy 16 przytwierdzony jest, szczelnie, kolektor 30 wylotowy spalin, z osiową rurą 31 odprowadzania gazowego metanu, której otwór skrajny przystaje do otworu, obracającego się, pierścienia 32 skrajnego zespołu płyt wymiany ciepła i napędy 33 przenośników, ze ślimakami 21 bezwałowymi. W kolektorach 27 i 30, stycznie do pierścieni 32 skrajnych, osadzone są pierścienie 34 oporowe zespołu kolistych przegród (1) wymiany ciepła.The device is designed to purify exhaust gases and capture carbon dioxide. Exhaust gases are produced by the combustion of biomethane from medium-sized biogas plants. The heat exchanger is made of 30 circular plates 1 with a diameter of 3 m, with an axial hole 2, with a total heat exchange area of 200 m ² . All plates 1 are peripherally profiled conically and with their outer edges, in pairs, tightly connected to each other through a circular inner plate 3, with a set of flow holes 4, close to the inner side of the rim. The circular plates 3 extend circumferentially beyond the edges of the plates 1 and a toothed ring 5 is attached to each of them through a circumferential thermal insulation partition 6. All 15 pairs of plates 1 are axially and tightly connected to each other through 7 spacer rings, the flow of the thermal medium, and long 8 connecting screws. They are led through the holes in the rings 7. They also pass through the holes in the plates 1, holes in the inner plates 3 and the spacer sleeves 9 separating them. The entire set of plates 1, with the teeth of the rings 5, lies on the teeth of the shafts 10, mounted in the sliding bearings of the supporting structure 11. The toothed axle 12 is mounted in the upper, outer frames of the structure 11, tangentially with the teeth of the rings 5. Along its entire length, the set of plates 1, with its lower part, enters the interior of the box chute 13, with transverse partitions 14 in close contact with the lower surfaces of the shafts 10 The partitions 14 are located between all pairs of circular plates 1 and the edge of the paraxial part form, close to the spacer rings 7, the lower parts of the annular exhaust gas flow holes 15. From the top, tightly, tangentially with the edge of the chute 13, the entire set of circular heat exchange plates is covered with a semi-cylindrical cover 16, with transverse partitions 17 touching, tightly, with the oblique edges of the partitions 14 and also touching, tightly, the upper surfaces of the shafts 10. The partitions 17, with the rounded edge of the axial part, form the upper parts of the annular exhaust gas flow holes 15 close to the spacer rings 7. The semi-cylindrical cover 16, at the height, has a long rectangular hole for mounting the axis 12 in the supporting structure 11. The edges of the partitions 17 are circularly profiled to fit tightly, between the teeth, to the lower half of the axis 12. The opening in the cover 16 is tightly closed with the upper cover 18, with the upper partitions 19, rounded, tightly adjacent to the axis 12 and tangential, tightly, with the upper edges of the partitions 17. In this way, an annular flue gas flow channel is created around the entire set of circular heat exchange partitions. In the side wall of the box chute 13 there is a set of enclosed holes in which scrapers are tightly mounted, consisting of brackets 20 to which wedge-shaped scrapers 21 are hinged and pressed with springs 22 to the surface of the circular heat exchange plates 1. They consist of brackets, based on spacer rings 7, with sets of side wedges having sharp edges adjacent to the walls of circular spacer partitions 1. The scrapers 20 are installed in such a way that the solid carbon dioxide falling off them falls by gravity into the chute 13, onto the blades of the screws 21 of the two shaftless conveyors. The conveyor housings are divided by partitions 22, located under the partition 14, between the second and third pair of circular partitions 1. Short shafts 23 are embedded in them, dividing the screws 21 into two parts. The front screws 21 transport the ice towards the two chutes 24 and the rear screws 21 towards the two chutes 25 of solid CO2. On one side, the drives 26 of the shafts 10 and the exhaust gas intake manifold 27, which is part of the end plate 28, with the liquid methane supply valve 29, are rigidly attached to the frame edge of the supporting structure H. On the opposite side, to the extreme wall of the semi-cylindrical cover 16, a flue gas outlet collector 30 is tightly attached, with an axial methane gas discharge pipe 31, the extreme opening of which corresponds to the opening of the rotating ring 32 of the extreme heat exchange plate set and the conveyor drives 33, with 21 shaftless screws. In the collectors 27 and 30, tangentially to the extreme rings 32, the resistance rings 34 of the set of circular heat exchange partitions (1) are mounted.

W przykładzie pracy, zespół kolistych płyt 1 wymiany ciepła wykonuje 10 obr./h. Spaliny podawane są do kolektora 29 w ilości 78500 Nm³/dobę. Schłodzone są już do temperatury 10°C w procesie produkcji energii elektrycznej, w obiegu Rankine’a, z odbiorem ciepła odpadowego przez sieć propanową. Nadciśnienie w rurze doprowadzającej kolektora 29 jest tylko takie, aby wywołać przepływ spalin o zakładanym natężeniu, przy odprowadzaniu azotu pospalinowego bezpośrednio do atmosfery.In the working example, the set of circular heat exchange plates 1 performs 10 rpm. Exhaust gases are fed to the collector 29 in the amount of 78,500 Nm ³ /day. They are cooled to a temperature of 10°C in the electricity production process, in the Rankine cycle, with waste heat collected through the propane network. The overpressure in the collector supply pipe 29 is only sufficient to cause the exhaust gas flow at the intended rate, while discharging the exhaust nitrogen directly to the atmosphere.

Jednocześnie z tej samej strony, przez zawór 31, wtryskiwany jest ciekły metan, w miejscu pierścienia skrajnego 34, do wewnętrznej przestrzeni zespołu płyt 1 wymiany ciepła, pod ciśnieniem bliskim ciśnieniu spalin, po drugiej stronie płyt 1. Ciekły metan, wrząc, przepływa otworami 4 i osiowymi otworami pierścieni 7, przez przestrzenie kolejnych par płyt 1, pobierając ciepło wrzenia i stopniowo przechodząc w gaz. Ilość wtryskiwanego metanu jest tak sterowana, aby faza ciekła zanikała dopiero we wnętrzu ostatniej pary płyt 1. Dzięki temu, we wnętrzu zespołu panuje zbliżona temperatura, wyznaczana jedynie przez ciśnienie i jest cały czas bliska -160°C.At the same time, from the same side, liquid methane is injected through the valve 31, in the place of the outer ring 34, into the internal space of the set of heat exchange plates 1, at a pressure close to the exhaust gas pressure, on the other side of the plates 1. Liquid methane, boiling, flows through the holes 4 and axial holes of rings 7, through the spaces of subsequent pairs of plates 1, absorbing the boiling heat and gradually turning into gas. The amount of injected methane is controlled so that the liquid phase disappears only inside the last pair of plates 1. Thanks to this, the temperature inside the unit is similar, determined only by pressure, and is constantly close to -160°C.

Spaliny w kolektorze 29 dolotowym rozpływają się pierścieniowo i wlatują do przedniej części kanału opływowego spalin. Wokół pierwszej pary płyt 1 schładzają się do temperatury 0°C i zawarta w spalinach woda, w postaci warstwy lodu zostaje wydzielona na kolistych płytach 1. Skrobaki 21, przylegając ostrymi krawędziami do obracających się powierzchni płyt 1, odspajają od nich lód i jego grudki wpadają do zsypu 13. Następnie, dwa ślimaki 23 bezwałowe przesuwają grudki do wysypów 26 lodu. Wysypujący się z nich lód jest odbierany. Wokół drugiej i trzeciej pary kolistych płyt 1, przepływające spaliny schładzają się do temperatury resublimacji dwutlenku węgla, to jest 78,5°C. Od czwartej pary następuje proces wydzielania się na powierzchni płyt 1 frakcji stałej CO2 (tzw. suchy lód). Nie posiada on własności ciernych i jest stosunkowo miękki (twardość na poziomie gipsu). Kruszony jest i odspajany od powierzchni płyt 1, jak wcześniej lód, wpada do przenośnika ślimakowego i wysypem 27 opuszcza urządzenie. Razem usuwany jest obecny w spalinach dwutlenek siarki. Na powierzchniach płyt 1 zestala się on w temperaturze -75,5°C. W obrębie ostatniej pary płyt 1 temperatu ra gazu spada niżej, ze względu na wydzielenie już całości CO2. Opuszczając urządzenie kolektorem 32 azot pospalinowy posiada temperaturę -85°C.The exhaust gases in the intake manifold 29 spread in an annular manner and enter the front part of the exhaust gas flow channel. Around the first pair of plates 1, they cool down to a temperature of 0°C and the water contained in the exhaust gases, in the form of a layer of ice, is separated on the circular plates 1. The scrapers 21, adhering with their sharp edges to the rotating surfaces of the plates 1, loosen the ice from them and its lumps fall into the to the chute 13. Then, two shaftless screws 23 move the lumps to the ice chutes 26. The ice that spills out of them is collected. Around the second and third pair of circular plates 1, the flowing exhaust gases are cooled to the carbon dioxide resublimation temperature, i.e. 78.5°C. From the fourth pair, the process of 1 solid CO2 fraction (so-called dry ice) is released on the surface of the plates. It does not have friction properties and is relatively soft (hardness at the level of plaster). It is crushed and detached from the surface of the plates 1, like ice before, falls into the screw conveyor and leaves the device through a discharge 27. Together, sulfur dioxide present in the exhaust gases is removed. It solidifies on the surfaces of plates 1 at a temperature of -75.5°C. Within the last pair of plates 1, the gas temperature drops lower due to the release of all CO2. Leaving the device through the collector 32, the exhaust nitrogen has a temperature of -85°C.

W trakcie przerobu spalin dobowo wydzielone zostało 780 kg lodu i 30 800 kg zestalonego CO2. Wrzący wewnątrz urządzenia metan odebrał 28 500 MJ ciepła. Odpowiada to mocy prawie 330 kW. Metan cyrkuluje w chłodniczym obiegu zamkniętym, oddając ciepło ciekłemu etanowi (R1150). Obieg etanowy stanowi etap pośredni w przekazywaniu ciepła do sieci propanowej .During the processing of exhaust gases, 780 kg of ice and 30,800 kg of solidified CO2 were released daily. Methane boiling inside the device absorbed 28,500 MJ of heat. This corresponds to a power of almost 330 kW. Methane circulates in a closed cooling circuit, giving up heat to liquid ethane (R1150). The ethane cycle is an intermediate stage in the transfer of heat to the propane network.

Przykład 2 wykonania wynalazku.Example 2 of the invention.

Urządzenie przystosowane jest do głębokiego schładzania spalin przed etapem wydzielania dwutlenku węgla, schłodzonych już do 10°C . Czynnikiem cieplnym odbierającym spalinom ciepło jest azot pospalinowy o temperaturze -85°C pochodzący ze spalenia biometanu i wychwyceniu CO2 z biogazowni średniej wielkości. Urządzenie zbudowane zostało jak w Przykładzie 1 z tą różnicą, że płyta 30 skrajna zamiast zaworu 31 posiada rurę odprowadzania azotu pospalinowego, po pobraniu ciepła a dwa przenośniki ślimakowe nie posiadają przegród 24. Zespół kolistych płyt 1 wymiany ciepła posiada 9 par płyt 1, o średnicy 3 m. Daje to łącznie powierzchnię wymiany ciepła wynoszącą 120 m².The device is designed for deep cooling of exhaust gases before the carbon dioxide release stage, already cooled to 10°C. The thermal factor that receives heat from the exhaust gases is post-combustion nitrogen at a temperature of -85°C, which comes from the combustion of biomethane and capture of CO2 from medium-sized biogas plants. The device was constructed as in Example 1, with the difference that the end plate 30, instead of the valve 31, has a pipe for removing post-combustion nitrogen after heat has been absorbed, and the two screw conveyors do not have partitions 24. The set of circular heat exchange plates 1 has 9 pairs of plates 1, with a diameter 3 m. This gives a total heat exchange area of 120 m ² .

W przykładzie pracy spaliny podawane są do kolektora 29 w ilości 78500 Nm³/dobę. Azot pospalinowy podawany jest w ilości 49000 Nm³/dobę (w temp. -85°C objętość ok. 1200 m³) rurą 33. Zespół kolistych płyt 1 obraca się z prędkością 5 obr./h. Spaliny i azot pospalinowy przepływają przez urządzenie przeciwprądowo. W efekcie następuje wydzielenie na powierzchniach wymiany ciepła 780 kg lodu. Spaliny wypływając kolektorem 32 posiadają temperaturę ok. -20°C. Azot pospalinowy wypływa rurą osadzoną w płycie 30 skrajnej. Posiada temperaturę 0°C.In the working example, exhaust gases are fed to the collector 29 in the amount of 78,500 Nm ³ /day. Post-combustion nitrogen is fed in an amount of 49,000 Nm ³ /day (at -85°C, volume approx. 1,200 m ³ ) through pipe 33. The set of circular plates 1 rotates at a speed of 5 rpm. Exhaust gases and exhaust nitrogen flow through the device countercurrently. As a result, 780 kg of ice is released on the heat exchange surfaces. The exhaust gases flowing out through the collector 32 have a temperature of approximately -20°C. Exhaust nitrogen flows out through a pipe embedded in the end plate. It has a temperature of 0°C.

Claims

1. A heat exchanger with rotating baffles for diaphragm heat exchange, characterized in that they have the shape of circular plates (1), with an axial hole (2), circumferentially conically profiled, and in pairs, edges, connected to each other tightly, through a circular inner plate (3), with a set of flow holes (4) close to the inner side of the rim and on the outside with a toothed ring (5) attached, all pairs of plates (1) are tightly connected to each other through spacer rings (7), close to the holes (2) and the entire set of plates (1), with the teeth of the rings (5), lies on the teeth of the shafts (10) embedded in the supporting structure (11), which are additionally in contact with the teeth of the gear axis (12) from above, and the lower part of the set is inside the box chute (13), with lower transverse partitions (14), which, with their roundings, fit tightly to the lower surfaces of the shafts (10), and the partitions (14) with the edge of the paraxial part create, close to the spacer rings (7), the lower parts of the annular holes (15) gas flow, from the top, tightly, tangentially with the edge of the chute (13), the entire set of circular partitions (1) is covered with a semi-cylindrical cover (16), with the middle partitions (17), tightly tangential, with the edges of the partitions (14) lower and tightly adjacent roundings to the upper surfaces of the shafts (10), the middle partitions (17), with the rounded edge of the paraxial part, together with the spacer rings (7), form the upper parts of the annular gas flow holes (15), and the rounded parts the upper ones tightly cover the lower surface of the gear axle (12), and they are also tangent, tightly, with the lower edges of the partitions 19 of the upper cover (18), covering the long hole in the middle partition (17), made for the axle (12), in the holes in the side wall of the chute (13), supports (20) with scrapers (21) are mounted tangentially to the surface of the plates (1) and spacer rings (7), and conveyors with screws (23) are tightly attached to the bottom of the chute, having a transverse partition ( 24) and two discharges (26), (27) each to the frame edge of the supporting structure (11), on one side the shaft drives (28) and the intake manifold (29) of the processed gas are rigidly attached to the end plate (30), with valve (31) for supplying the thermal medium, and on the opposite side, to the extreme wall of the semi-cylindrical cover (16), there is a tightly attached outlet collector (32) of the processed gas, with an axial pipe (33) for discharging the thermal medium, the extreme opening of which is adjacent to the opening the rotating ring (34), the outer ring, the set of heat exchange plates (1) and the screw conveyor drives (35).

2. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the toothed rings (5) are connected to the edges of the circular internal plates through peripheral thermal insulation partitions (6).

3. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the scrapers (21) are hinged to the supports (20).

4. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the scrapers (21) press the heat exchange springs (22) against the circular plates (1).

5. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the scrapers (21) have sharp edges.

6. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the sharp edges of the scrapers (21) meet in the direction of attack of the solid fraction deposited on the plates (1).

7. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that the sharp edges of the scraper wedges (20) are tangential to the surface of the plates (1).

8. Heat exchanger according to claim 1, characterized by: that the conveyor screws (23) have shaftless blades.

9. Heat exchanger according to claim 1, characterized in that at the edges of the set of plates (1), close to the axis of rotation, there are sliding stop rings (36).