FI120557B - Lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta - Google Patents

Lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta Download PDF

Info

Publication number
FI120557B
FI120557B FI20055718A FI20055718A FI120557B FI 120557 B FI120557 B FI 120557B FI 20055718 A FI20055718 A FI 20055718A FI 20055718 A FI20055718 A FI 20055718A FI 120557 B FI120557 B FI 120557B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
heat exchanger
heat
att
gas
exchanger unit
Prior art date
Application number
FI20055718A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI20055718A0 (fi
FI20055718A (sv
Inventor
Juha Huotari
Juha Honkatukia
Original Assignee
Mw Biopower Oy
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mw Biopower Oy filed Critical Mw Biopower Oy
Priority to FI20055718A priority Critical patent/FI120557B/fi
Publication of FI20055718A0 publication Critical patent/FI20055718A0/fi
Priority to UAA200809882A priority patent/UA92777C2/ru
Priority to CA2632275A priority patent/CA2632275C/en
Priority to RU2008131292/06A priority patent/RU2403522C2/ru
Priority to PCT/FI2006/050488 priority patent/WO2007077293A1/en
Priority to EP06808029.0A priority patent/EP1966559B1/en
Publication of FI20055718A publication Critical patent/FI20055718A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI120557B publication Critical patent/FI120557B/fi

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/04Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being spirally coiled
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01KSTEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B1/00Methods of steam generation characterised by form of heating method
    • F22B1/02Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers
    • F22B1/18Methods of steam generation characterised by form of heating method by exploitation of the heat content of hot heat carriers the heat carrier being a hot gas, e.g. waste gas such as exhaust gas of internal-combustion engines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F22STEAM GENERATION
    • F22BMETHODS OF STEAM GENERATION; STEAM BOILERS
    • F22B37/00Component parts or details of steam boilers
    • F22B37/02Component parts or details of steam boilers applicable to more than one kind or type of steam boiler
    • F22B37/10Water tubes; Accessories therefor
    • F22B37/14Supply mains, e.g. rising mains, down-comers, in connection with water tubes
    • F22B37/142Supply mains, e.g. rising mains, down-comers, in connection with water tubes involving horizontally-or helically-disposed water tubes, e.g. walls built-up from horizontal or helical tubes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Description

LÄMMÖNSIIRRINYKSIKKÖ LÄMMÖN TALTEENOTTAMISEKSI KUUMASTA KAASUVIRTAU KSESTA
5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönsiirrinyksik-kö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta väliainevirtauk-seen, joka lämmönsiirrinyksikkö käsittää kotelorakenteen, kaasuvirtauksen sisääntulon, jossa kaasu on sovitettu virtaamaan oleellisesti pystysuorassa suunnassa sekä kaasuvirtauksen ulostulon, jossa kotelorakenteeseen on sijoi-10 tettu useita oleellisesti kaasutiiviillä seinämällä varustettuja lämmönsiirtimiä kotelorakenteen pituusakselin suhteen ainakin osittain sisäkkäin siten, että kaasuvirtaus on järjestetty kulkemaan aina kahden sisäkkäisen lämmönsiir-timen muodostamassa rengasmaisessa tilassa.
15 Eräänä sovelluskohteena keksinnölle on orgaaniseen kiertoaineeseen perustuva Rankine-prosessi eli ORC-prosessi (ORC = Organic Rankine Cycle). ORC-prosessissa kiertoaineena veden asemesta käytetään sopivaa orgaanista ainetta, esimerkiksi tolueenia, isobutaania tai isopentaania. ORC-prosessi soveltuu erityisen hyvin suhteellisen matalalle lämpötilatasolle, jolloin voidaan 20 hyödyntää alhaisessakin lämpötilassa vapautuvaa hukkalämpöä.
ORC-prosessissa käytetään usein kuumaöljyvälipiiriä kuumien savukaasujen ja höyrystyvän kiertoaineen välillä. Kuumaöljyvälipiiriä käytettäessä lämpö siirtyy savukaasusta kuumaöljyyn erillisessä kuumaöljykattilassa, josta kuu-25 mentunut nestemäinen kuumaöljy pumpataan orgaanisen kiertoaineen höyrystimeen, jossa lämpö edelleen siirtyy nestemäisestä kuumaöljystä orgaaniseen kiertoaineeseen. Pitämällä kuumaöljyvälipiirissä yllä riittävän suurta kuumaöljyvirtausta on mahdollista estää sekä kuumaöljyn että orgaanisen kiertoaineen ylikuumeneminen. Tämä ratkaisu on kuitenkin monimutkainen 30 ja kallis, sisältää ylimääräisen lämpötilaeron kuumaöljypiirin vuoksi ja erityisesti kuumaöljyn pumppaus on merkittävä käyttökulu.
2
Julkaisussa FI 86464 on esitetty eräs ORC-voimala, jossa orgaanisen aineen höyrystin on suorassa lämmönsiirtoyhteydessä kuuman kaasun kanssa periaatetasolla esitettynä. Orgaanisen aineen höyrystäminen suoraan kuumalla kaasulla erityisesti kattilan savukaasuilla tai vastaavilla, jossa tehon säädön 5 muutos on hidasta, on ongelmana välttää sekä höyrystimen materiaalin liiallinen kuumeneminen että orgaanisen aineen ylikuumeneminen, mikä voi johtaa aineen kemiallisiin muutoksiin, kuten hiilivetyjen pilkkoutumiseen, erityisesti transienttitilanteissa. Erityisesti orgaanisen aineen ylikuumeneminen aiheuttaa tällöin haitallisia muutoksia sen virtaus- ja lämmönsiirto-10 ominaisuuksissa.
Julkaisussa US 3769789 on esitetty energian muuuntamisjärjestelmä, jossa osa järjestelmässä kierrätettävästä orgaanisesta väliaineesta kierrätetään pa-kokaasuvirtaukseen sijoitettujen lämmönsiirtimien kautta.
15
Keksinnön tarkoituksena on myös aikaansaada lämmönsiirrinyksikkö, joka soveltuu orgaanisen aineen höyrystämiseen ja/tai lämmittämiseen kuumalla kaasulla, erityisesti biomassan polton savukaasulla.
20 Keksinnön tavoitteet saavutetaan pääasiassa patenttivaatimuksessa 1 sekä muissa vaatimuksissa tarkemmin esitetyllä tavalla.
Keksinnön mukainen lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta väliainevirtaukseen käsittää kotelorakenteen, kaasu-25 virtauksen sisääntulon, jossa kaasu on sovitettu virtaamaan oleellisesti pystysuorassa suunnassa, sekä kaasuvirtauksen ulostulon, jossa kotelorakentee-seen on sijoitettu useita oleellisesti kaasutiiviillä seinämällä varustettuja lämmönsiirtimiä kotelorakenteen pituusakselin suhteen ainakin osittain sisäkkäin siten, että kaasuvirtaus on järjestetty kulkemaan aina kahden sisäk-30 käisen lämmönsiirtimen muodostamassa tilassa. Keksinnölle on tunnusomaista, että kotelorakenne käsittää pohjaosan, johon lämmönsiirtimet on pääosin tuettu tukijärjestelyllä, ja että ainakin yhdessä lämmönsiirtimistä tu- 3 kijärjestely käsittää aukkopintaa kaasuvirtauksen läpivirtauksen sallimiseksi lämmönsiirtimen ensimmäiseltä puolelta toiselle puolelle.
Lämmönsiirtimien tukijärjestely on jäähdytettyä rakennetta, johon on järjes-5 tetty virtaamaan lämmönsiirtimessä virtaava väliainevirtaus. Edullisesti lämmönsiirtimet ovat putkispiraalilämmönsiirtimiä, ja tukijärjestelyn jäähdytetty rakenne käsittää putkispiraalista putkimutkaksi muodostetun ulosoton. Ulosoton avulla muodostetaan aukkopinta, joka on järjestetty ulottumaan etäisyyden päähän kotelorakenteen pohjaosan sisäpinnasta, jolloin pohja-10 osan yläpuoliselle alueelle muodostuu tuhkatila ulottuen sisäpinnasta aukko-pinnan alareunaan.
Tuhkatila on kooltaan niin suuri, että se samalla muodostaa huoltotilan, jota kautta voidaan tehdä myös tarvittaessa korjauksia. Tällöin tilan on kooltaan 15 sellainen, että huoltomies mahtuu työskentelemään tilassa. Aukkopinnan muodostavia aukkoja on oltava useita - tyypillisesti esim. 4 kpl kuten vastaavia ulommaisia huolto/tuhkaluukkuja.
Aukkopinta kussakin lämmönsiirtimessä määritetään siten, että yksittäisten 20 (radiaalisten) aukkojen poikkipintojen summa on suurempi kuin lämmönsiirtimen rengastilan (sisäkkäisten lämmönsiirtimien välinen tila) virtauspoikki-pinnan ala, jolloin kaasuvirtauksen painehäviö aukoissa on pienempi tai yhtä suuri kuin painehäviö rengastilassa sisäkkäisten lämmönsiirtimien välissä. Tuhkathan korkeuden ja radiaalisen leveyden suhde on suurempi kuin yksi ja 25 käytössä tuhkatilaan asettunut tuhka ei pääasiassa lähde uudelleen liikkeelle kaasun mukana.
Lämmönsiirrinyksikkö käsittää edullisesti useita tuhkatilaan avattavissa olevia tuhkanpoistoyhteitä. Tuhkanpoistoyhde käsittää oleellisesti kaasutiiviin ja 30 kaasutiiviisti lämmönsiirtimen tukijärjestelyn lävistävän kanavan, jolloin se normaalikäytössä ei häiritse kaasun virtausta lämmönsiirrinyksikössä.
4 Lämmönsiirrinyksikkö on sovitettu lämmittämään ja/tai höyrystämään orgaanista ainetta, jolloin sisäkkäisistä lämmönsiirtimistä viimeinen on sovitettu ensimmäiseksi iämmönsiirtimeksi väliainevirtauksessa ja sisäkkäisistä lämmönsiirtimistä ensimmäinen on sovitettu toiseksi Iämmönsiirtimeksi vä-5 liainevirtauksessa.
Keksinnön avulla saadaan aikaiseksi useita etuja: keksinnön kohteena olevassa höyrystimessä lämpö siirtyy kuumista 10 savukaasuista suoraan väliainevirtaukseen, jolloin erillistä kuumaöljy- kattilaa ei tarvita, samalla myös kuumaöljyvälipiiriin kuuluvat rakenteet ja osat, kuten putkistot, säiliöt, pumput sekä varo- ja turvajärjestelmät jäävät pois ja laitteistosta tulee siten yksinkertaisempi ja halvempi lämmönsiirron tehokkuus on parempi, sillä lämpötilaero savukaasun ja 15 väliainevirtauksen välillä on suurempi kuin kaasun ja kuumaöljyn välil lä kuumaöljyvälipiiriä käytettäessä ja kaasu poistuu höyrystimestä alhaisemmassa lämpötilassa, mikä pienentää savukaasuhäviötä hyötysuhde on parempi, koska erillisiä kuumaöljypumppuja ei tarvita, mikä tuo säästöä pumppauskustannuksiin. Lisäksi myös kuumaöljyvä- 20 lipiirin lämpöhäviöt jäävät pois.
keksinnön mukainen lämmönsiirtoyksikkö on luotettavampi, sillä vikaantumiselle alttiita komponentteja on vähemmän.
keksinnön mukainen lämmönsiirtoyksikön tilantarve on vähäisempi kuumaöljyvälipiirihöyrystimeen verrattuna, mikä mahdollistaa tulipe- 25 sän ja höyrystimen muodostaman kompaktin rakenteen.
Keksintöä selostetaan seuraavassa esimerkinomaisesti viitaten oheisiin kaa-viomaisiin piirustuksiin, joissa kuvio 1 esittää kaaviollisesti erästä keksinnön mukaisen menetelmän 30 soveltamista biomassan polton yhteyteen, kuvio 2 esittää erästä keksinnön mukaista lämmönsiirrinyksikköä, kuviot 3 ja 4 esittävät yksityiskohtaa kuvion 2 lämmönsiirrinyksiköstä, 5 kuvio 5 esittää yksityiskohtaa eräästä keksinnön mukaisen lämmönsiir-rinyksikön lämmönsiirtimien sovellusmuodosta, kuvio 6 kuvion 5 leikkausta A-A, ja kuvio 7 esittää keksinnön mukaisen menetelmän erään sovellusmuo- 5 don lämpötila-suhteellinen lämpövirta-piirrosta.
Kuviossa 1 kaaviomaisesti esitettyyn erääseen ORC-prosessin virtauskaavi-oon viitaten lämmönsiirrinyksikkö 1 tuottaa tulistettua höyryä turbiinille 5, joka käyttää sähköverkkoon 2 taajuusmuuttajan 3 välityksellä kytkettyä suur-10 nopeusgeneraattoria 4. Tällä hetkellä sovellettavissa olevista orgaanisista aineista tolueeni soveltuu erityisen hyvin esillä olevan keksinnön yhteydessä käytettäväksi orgaaniseksi aineeksi. Koska keksinnön tärkeä sovelluskohde on biopolttoainekattilaan soveltaminen, voidaan kuumasta kaasusta tai kaa-suvirtauksesta käyttää seuraavassa myös nimitystä savukaasu. Turbiinista 5 15 tolueenihöyry johdetaan rekuperaattoriin 6, jossa tolueenihöyryllä esilämmi-tetään lämmönsiirrinyksikköön 1 syötettävää nestemäistä tolueenia. Toisaalta rekuperaattorin 6 tehtävänä on tulistuksen poisto turbiinilta tulevasta höyrystä, sillä tolueenihöyrylle on ominaista, että se on turbiinissa tapahtuneen paisunnan jälkeenkin tulistunutta. Rekuperaattorista tolueenihöyry johdetaan 20 lauhduttimeen 7, jossa se lauhdutetaan nesteeksi, ja jossa myös poistetaan mahdollinen loppuosa tulistuksesta, mikäli höyry on vielä rekuperaattorin jälkeen tulistunutta. Nestemäinen tolueeni johdetaan edelleen lauhdesäiliöön 8, josta se johdetaan edelleen esisyöttöpumpun 9 ja syöttöpumpun 10 kautta korotetussa paineessa rekuperaattoriin 6. Rekuperaattorissa 6 nestemäinen 25 tolueeni lämpenee tolueenihöyryn lämmöllä, jonka jälkeen se syötetään lämmönsiirrinyksikköön 1, jossa tolueeni edelleen lämpenee, höyrystyy ja höyry tulistuu. Lämmönsiirrinyksikkö 1 on sovitettu suoraan kuumaan kaasu-virtaan 11, joka tässä sovellusmuodossa on biomassan polton savukaasua ja lämmönsiirrinyksikkö onkin yhdistetty biomassakattilaan 13.
30
Itse keksinnön mukaisen lämmönsiirrinyksikön rakennetta kuvataan tarkemmin muissa kuvioissa, mutta biomassan polttosovelluksessa lämmönsiir- 6 rinyksikön kaasun ensimmäisenä kohtaavan lämmönsiirtimen tila toimii osittain myös jälkipolttimena, joten laitos käsittää syöttöelimet 12 ilman (tai hap-pipitoisen kaasun) tuomiseksi kuumaan kaasuun juuri ennen tai samanaikaisesti, kun se johdetaan lämmönsiirrinyksikköön 1. Kuviosta 1 käy ilmi myös 5 keksinnön mukainen lämmönsiirrinyksikkö 1, jossa orgaanisen aineen vir-taussuunnassa ensimmäiseen lämmönsiirtimeen siirretään lämpöä jäähdyttäen kaasuvirtaus sen loppulämpötilaan.
Kuviossa 2-6 on käytetty toisiaan vastaavia viitenumerolta selvyyden vuoksi 10 ja seuraavassa viittaukset viitenumeroihin viittaavat kuvioihin 2-6 tapauskohtaisesti. Kuviossa 2 on esitetty eräs suoritusmuoto keksinnön mukaisesta lämmönsiirrinyksiköstä 1. Kuviossa 2 on esitetty poikkileikkaus lämmönsiir-rinyksiköstä sillä tavoin, että pituusakselin 26 kuviossa vasen puoli esittää pääasiassa lämmönsiirtimien tuentaa sekä kaasupuolen virtauksen järjestä-15 mistä, ja oikea puoli kuviossa esittää lämmönsiirtimien kytkentää toisiinsa. Lämmönsiirrinyksikkö käsittää sisäkkäisiä lämmönsiirtimiä 21, 22, 23, 24, jotka on muodostettu putkispiraaleista 20. Lämmönsiirtimet ovat edullisesti symmetrisiä pituusakselin poikkileikkauksen suhteen, putkispiraaleina edullisesti pääasiassa sylinterimäisiä. Lämmönsiirrinyksikkö on tyypiltään keksin-20 nön mukaisesti läpivirtaushöyrystin. Orgaaninen aine on sovitettu virtaamaan lämmönsiirtimien putkistoissa ja kaasu lämmönsiirtimien putkien ulkopuolella.
Kuviossa 2 on esitetty lämmönsiirrin yksikkö, joka on muodostettu ulkovai-25 pan 30, kansi- 31' ja pohjaosan 31 muodostamaan kotelorakenteeseen. Lämmönsiirrinyksikkö käsittää kaasuvirtauksen sisääntulon 25', joka on läm-mönsiirrinyksikön pituusakselin 26 suuntainen ja keskellä lämmönsiirrinyk-sikköä. Lämmönsiirrinyksikön pituusakseliin 26 nähden sisin lämmönsiirrin 22 muodostaa jälkipalotilan 25, joka sijaitsee varsinaisen kattilan 13 (kuvioi) 30 tulipesän yläpuolella. Jälkipalotilassa 25 tapahtuu tulipesästä tulevan savukaasun ja siinä olevien kiintoainepartikkeleiden jälkipoltto ja tämän vuoksi jälkipalotilaan 25 on järjestetty syöttöelimet 12 ilman (tai happipitoisen kaa- 7 sun) tuomiseksi kuumaan kaasun. Jälkipalotilasta 25 savukaasut johdetaan sisäkkäisten lämmönsiirtimien 21 - 24 muodostamiin niiden välisiin pituusakselin suuntaisiin rengasmaisiin kanaviin. Jälkipalotilassa 25 lämpö siirtyy lämmönsiirtimeen 22 pääasiassa lämpösäteilynä, kun taas tämän jälkeen 5 kaasun virtaussuunnassa vähemmän kuumissa osissa konvektiolämmönsiir-to on hallitseva. Edellä esitetyllä rakenteella minimoidaan savukaasun likaavasta vaikutuksesta aiheutuvia haittoja ja toisaalta saadaan aikaan riittävä savukaasupuolen lämmönsiirto lämmönsiirrinyksikön eri osissa. Kaasun virtausta ohjataan sisäkkäisten lämmönsiirtimen muodostamissa kanavissa 10 pääsuuntana keskiosasta ulko-osia kohti vuorotellen ylös ja alas. Edullisesti joka toinen lämmönsiirrin 21, 23 käsittää aukkopintaa 28 alaosassaan, joka aukkopinta mahdollistaa kaasun virtauksen kyseessä olevan lämmönsiirtimen ensimmäiseltä puolelta toiselle puolelle ts. siirtymään säteittäisesti lähemmäs ulko-osaa. Kaasuvirtaus on mainitussa aukkopinnassa riittävän al-15 hainen estämään tuhkatilojen pohjalla olevan tuhkan kulkeutumisen merkittävissä määrin takaisin kaasuvirtaukseen. Tuentaan käytetään jäähdytettyjä tukirakenteita, jotka muodostuvat putkista ja putkimutkista siten, että niiden välistä savukaasu voi edetä putkispiraalien 20 muodostamasta kanavasta lämmönsiirrinyksikön säteen suunnassa seuraavaan kanavaan. Tukirakentei-20 den jäähdytykseen käytetään rakenteen muodostavissa putkissa ja putkimut-kissa virtaavaa orgaanista ainetta. Käytännössä tämä voidaan toteuttaa ja aukkopinta muodostaa siten, että lämmönsiirrin on tuettuna lämmönsiirrinyksikön kotelorakenteen pohjaosaan 31 lämmönsiirrinputken tai -putkien avulla muodostamalla alaosan putkeen u-muotoiseksi putkimutkaksi muo-25 dostetun ulosoton. Tämä on nähtävissä myös kuvioissa 5 ja 6. Toisaalta em. rakenteet mahdollistavat myös putkispiraalien 20 välisten lämmönsiirtopinto-jen ja savukanavien sekä niiden alapuolella olevien tuhkatilojen 39 puhdistukseen tarvittavien reittien muodostamisen.
30 Aukkopinnalla varustettujen lämmönsiirtimien välissä on lämmönsiirrin, joka taas käsittää aukkopintaa 28' kotelorakenteen kansiosan 31' päässä, yläpuolellaan. Tällainen lämmönsiirrin on alaosastaan tehty oleellisesti kaasutiiviik- 8 si, esimerkiksi massan tai muurauksen avulla, joka on kuitenkin edullisesti jäähdytetty rakenne. Savukaasut johdetaan pois lämmönsiirtoyksiköstä kaasun ulostulon 36 kautta, joka on sovitettu yksikön kuvion 2 suoritusmuodossa ulkokehälle.
5
Orgaanisen aineen ja savukaasun välinen keskinäinen virtauskytkentä on keksinnön mukaan järjestetty seuraavasti. Yleisesti ottaen lämmönsiirrinyk-sikkö on vasta- ja myötävirtalämmönsiirtimen välimuoto, koska lämmitettävän väliaineen (spiraaliputkessa) ulkopuolella (kaksi rengastilaa) savukaasu-10 virtojen suunta on vastakkainen.
Orgaaninen aine johdetaan ensin yhteen 35 kautta ensimmäiseen lämmön-siirtimeen 21, jossa orgaanista ainetta lämmitetään kuumalla savukaasulla jäähdyttäen kaasuvirtauksen sen loppulämpötilaan. Lämmönsiirrinyksikköön 15 tuleva nestemäinen orgaaninen aine johdetaan savukaasupuolen vähiten kuumaan osaan. Tässä osassa orgaaninen aine virtaa pääasiassa vastavirtaan kaasuun nähden, jotta lämmönsiirtopinta-ala saadaan mahdollisimman pieneksi. Tällä sijoittelulla vältytään orgaanisen aineen ja myös lämmönsiir-timen 21 ylikuumenemisongelmilta, joita mm. transienttitilanteissa voisi 20 muutoin ilmetä. Ensimmäinen lämmönsiirrin 21, joka siis on uloin sisäkkäisistä lämmönsiirtimistä, on yhdistetty toiseen lämmönsiirtimeen 22 yhdys-putkella 21', joka kytkee nämä toisiinsa (kuviossa 2) alaosistaan. Toinen lämmönsiirrin on sisin sisäkkäisistä lämmönsiirtimistä. Toinen lämmönsiirrin 22 on edelleen yhteydessä kolmanteen lämmönsiirtimeen 23 yhdysputken 25 22' kautta. Edullisesti kolmas lämmönsiirrin 23 toimii pääasiassa höyrysti menä. Se on edelleen yhteydessä neljänteen lämmönsiirtimeen 24 yhdysputken 23' avulla, jossa tapahtuu höyryn tulistus. Lämmönsiirrinyksikössä kaikki muut lämmönsiirtimet ovat järjestettynä radiaalisesti ensimmäisen ja toisen lämmönsiirtimen väliseen tilaan symmetrisesti pituusakselin 26 suhteen.
30
Orgaanisen aineen ja lämmönsiirtimien materiaalin ylikuumenemisen estämiseksi tulistunut höyry poistuu savukaasupuolen osasta, jossa savukaasu ei 9 ole kuumimmillaan. Höyry tulistetaan pääasiassa neljännellä lämmönsiirti-mellä 24, joka on sisäkkäisten lämmönsiirtimien sisimmän 22 ja uloimman lämmönsiirtimen 21 välissä. Neljäs lämmönsiirrin 24 on varustettu orgaanisen aineen poistoyhteellä 37 putkispiraalin 20 yläosassa. Tällöin varsinkin 5 transienttitilanteissa, kuten tehon vähentämisen aikana kaasun ja orgaanisen aineen massavirtojen muutoksista huolimatta ei orgaanisen aineen höyryn loppulämpötila pääse nousemaan liian korkeaksi. Tällaisella järjestelyllä saadaan pienennettyä tarvittavan lämmönsiirtopinnan kokoa, koska savukaasun ja orgaanisen aineen välinen keskimääräinen lämpötilaero on silloin suu-10 rempi verrattuna tilanteeseen, jossa koko lämmönsiirrinyksikkö olisi myötä-virtatyyppinen.
Lämmönsiirtoyksikön ulkovaipan 30 ja savukaasuvirtausta ohjaavien rakenteiden 28,33 alaosissa on tuhkanpoistoluukut 38, joita käytetään lämmönsiir-15 rinyksikön savukaasupuolen puhdistukseen. Putkispiraalit 20 muodostavat alaosiltaan radiaalisuunnassa porrastetun rakenteen pystysuunnassa siten, että myös sisempien putkispiraalien muodostamien kanavien puhdistus on mahdollista tuhkanpoistoyhteinä toimivien tuhkanpoistoluukkujen 38 kautta. Tämä on esitetty tarkemmin kuvioissa 3 ja 4. Kuvion 3 esittämässä suoritus-20 muodossa on tuhkanpoistoluukku varustettu oleellisesti kaasutiiviillä kanavalla 38', joka ulottuu sisimpään tuhkatilaan 39 saakka. Kuviossa 4 on esitetty suoritusmuoto, jossa lämmönsiirtimen 24 savukaasuvirtausta ohjaavien rakenteiden yhteyteen on järjestetty avattavissa ja suljettavissa oleva luukku 38" tuhkatilan puhdistamiseksi. Tuhkanpoistoluukkuja sijoitetaan siten, että 25 puhdistus voidaan suorittaa tehokkaasti.
Lämmönsiirrinyksikössä tarvitaan sekä käytön että seisokin aikaista puhdistusta. Käytön aikainen puhdistus hoidetaan automaattisesti pudottamalla savukaasupuolen lämmönsiirtopintoihin ja muihin savukanavien osiin kertynyt 30 lika savukaasupuolen alaosiin tilanteeseen sopivaa puhdistusmenetelmää käyttäen. Savukaasupuolen alaosien rakenteista on muodostettu tuhkatiloja 39, joihin kertynyt lika voidaan poistaa seisokin aikaisessa puhdistuksessa 10 edellä mainittujen tuhkanpoistoluukkujen 38 kautta. Tuhkatila muodostuu sa-vukaasuvirtausta ohjaavien rakenteiden 28,33 alaosaan siten, että lämmön-siirrinyksikön pohjaosan 31 läheisyydessä oleva aukkopinta 28 ulottuu pohjaosasta vähintään .siten, että aukkojen yhteenlaskettu virtauspoikkipinta vas-5 taa putkispiraaleiden välistä virtauspoikkipintaa.
Kuvioissa 5 ja 6 on nähtävissä edullinen putkirakenne, jolla lämmönsiirtimien 21-24 tuenta sekä savukaasuvirtausta ohjaavien rakenteiden 28,33 jäähdytys on keksinnön mukaisesti toteutettu. Lämmönsiirtimien 21-24 putkispiraalien 10 alaosiin on järjestetty spiraalin alapinnasta alaspäin ulottuva u-osa 32, joka toimii jäähdytys-ja tukirakenteena lämmönsiirtimille.
Kuviossa 7 on selostettu keksinnön mukaista menetelmää orgaanisen aineen lämmittämiseksi ja/tai höyrystämiseksi esimerkinomaisesti tolueenilla. Kuvi-15 ossa pystyakseli esittää lämpötilaa T ja vaaka-akseli suhteellista kaasun suhteellista lämpövirtaa q. Käyrä 71 esittää lämmön lähteenä olevan kaasun lämpötilan laskua suhteellisen lämpövirran 100% tilanteesta arvoon 0%, toisin sanoen jäähdytettäessä kaasu alkulämpötilasta (q=100%) loppulämpöti-laan (q=0%). Käyrä 72 kuvaa tolueenin lämpötilaa ja sen kehitystä, kun se 20 kulkee usean peräkkäisen lämmönsiirtimen lävitse. Seuraavassa esitetyt lukuarvot lämpötiloille ovat erään yksittäisen tapauksen arvoja, jotka on esitetty tässä vain keksinnön ymmärtämisen helpottamiseksi. Orgaaninen aine, tässä tolueeni, tuodaan ensimmäiseen lämmönsiirtimeen 21 lämpötilassa 156°C, jota vastaava poistuvan kaasun loppulämpötila tässä esimerkissä on 25 350°C. Tolueeni lämmitetään ensimmäisessä lämmönsiirtimessä 21 lämpöti laan 196°C tulevan kaasun ollessa lämpötilassa 475°C. Tämä tapahtuu pääasiassa vastavirtatyyppisellä lämmönsiirrolla, jolloin lämmittämiseen tarvittava lämmönsiirtimen pinta-ala on minimoitu. Tämän jälkeen tolueenia lämmitetään edelleen toisessa lämmönsiirtimessä 22 lämpötilaan 300°C, mutta 30 nyt lämmön lähteenä on kaasu aloittaen kaasuvirtauksen jäähdytyksen sen alkulämpötilasta, tässä esimerkissä 1100°C ja jäähdyttäen kaasua lämpötilaan 755°C. Nyt lämmönsiirrin on pääasiassa myötävirtalämmönsiirrin. Tämän jäi- 11 keen tolueeni johdetaan höyrystinosaan, jona toimii pääasiassa kolmas lämmönsiirrin 23. Höyrystäminen laskee kaasun lämpötilan 570°C:een. Neljännessä lämmönsiirtimessä 24 höyry tulistetaan, tässä esimerkissä lämpötilaan 326°C, jolloin savukaasun lämpötila on 475°C, eli tilassa jossa lämmön-5 siirto ensimmäisellä lämmönsiirtimellä alkaa.
Keksinnön mukaisella menetelmällä saadaan tarvittava kokonaislämmönsiir-topinta-ala merkittävästi pienemmäksi kuin pelkälle myötävirtalämmönsiirti-melle.
10
Keksintö ei ole rajoitettu esitettyihin sovellusmuotoihin, vaan useita muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa. Esimerkiksi kuvioiden esityksestä poiketen putkispriraali voidaan valmistaa yhden putken sijasta esimerkiksi putkiparista tai useammasta rinnakkaisesta putkesta.

Claims (8)

12
1. Lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirta-5 uksesta väliainevirtaukseen, joka lämmönsiirrinyksikkö käsittää kotelora- kenteen (30,31,31'), kaasuvirtauksen sisääntulon (25"), jossa kaasu on sovitettu virtaamaan oleellisesti pystysuorassa suunnassa sekä kaasuvirtauksen ulostulon (36), jossa kotelorakenteeseen on sijoitettu useita oleellisesti kaasutiiviillä seinämällä varustettuja lämmönsiirtimiä (21,22,23,24) 10 kotelo rakenteen pituusakselin (26) suhteen ainakin osittain sisäkkäin siten, että kaasuvirtaus on järjestetty kulkemaan aina kahden sisäkkäisen läm-mönsiirtimen muodostamassa tilassa, tunnettu siitä, että kotelorakenne käsittää pohjaosan (31), johon lämmönsiirtimet on pääosin tuettu tukijärjestelyllä (32), ja että ainakin yhdessä lämmönsiirtimistä tukijärjestely kä- 15 sittää aukkopintaa (28) kaasuvirtauksen läpivirtauksen sallimiseksi läm-mönsiirtimen ensimmäiseltä puolelta toiselle puolelle.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönsiirrinyksikkö, tunnettu siitä, että tukijärjestely on jäähdytettyä rakennetta (32), johon on järjestetty virtaa- 20 maan lämmönsiirtimessä virtaava väliainevirtaus.
3. Värmeväxlarenhet enligt patentkrav 2, kännetecknad av att värmeväx- 25 lama är rörspiralvärmeväxlare (20) och att stödarrangemangets kylda konstruktion omfattar ett utlopp format till en rörkrök ur rörspiralen.
3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen lämmönsiirrinyksikkö, tunnettu siitä, että lämmönsiirtimet ovat putkispiraalilämmönsiirtimiä (20) ja että tukijärjestelyn jäähdytetty rakenne käsittää putkispiraalista putkimutkaksi muodoste- 25 tun ulosoton.
4. Värmeväxlarenhet enligt patentkrav 1, kännetecknad av att öppningsy-tan (28) är anordnad att sträcka sig tili ett avstand fran den inre ytan av 30 höljeskonstruktionens bottendel, varvid i omradet ovanför bottendelen uppstär ett askutrymme (39) fran bottendelens inre yta tili öppningsy-tans nedre kant. 15
4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen lämmönsiirrinyksikkö, tunnettu siitä, että aukkopinta (28) on järjestetty ulottumaan etäisyyden päähän koteloraken-teen pohjaosan sisäpinnasta, jolloin pohjaosan yläpuoliselle alueelle 30 muodostuu tuhkatila (39) ulottuen pohjaosan sisäpinnasta aukkopinnan alareunaan. 13
5. Värmeväxlarenhet enligt patentkrav 4, kännetecknad av att summan av tvärytorna av de enskilda öppningarna i öppningsytan är större än summan av ringutrymmets tväryta. 5
5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen iämmönsiirtoyksikkö, tunnettu siitä, että aukkopinnan muodostaman yksittäisten aukkojen poikkipintojen summa on suurempi kuin rengastilan poikkileikkausalojen summa.
6. Värmeväxlarenhet enligt patentkrav 4, kännetecknad av att värmeväx-larenheten omfattar flera i askutrymmet (39) öppningsbara askutlopp (38). 10 7. Värmeväxlarenhet enligt patentkrav 6, kännetecknad av att askutloppet (38) omfattar en kanal som är en väsentligen gastät och som sträcker sig genom värmeväxlarens stödarrangemang gastätt.
6. Patenttivaatimuksen 4 mukainen lämmönsiirrinyksikkö, tunnettu siitä, että lämmönsiirrinyksikkö käsittää useita tuhkatilaan (39) avautuvissa olevia tuhkanpoistoyhteitä (38).
7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen lämmönsiirrinyksikkö, tunnettu siitä, että 10 tuhkanpoistoyhde (38) käsittää oleellisesti kaasutiiviin ja kaasutiiviisti lämmönsiirtimen tukijärjestelyn lävistävän kanavan.
8. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen lämmönsiirrinyksikkö, joka on sovitettu lämmittämään ja/tai höyrystämään orgaanista ainetta, tunnettu 15 siitä, että sisäkkäisistä lämmönsiirtimistä viimeinen on sovitettu ensimmäiseksi lämmönsiirtimeksi (21) väliainevirtauksessa ja sisäkkäisistä lämmönsiirtimistä ensimmäinen on sovitettu toiseksi lämmönsiirtimeksi (22) väliainevirtauksessa. 14 5 1. Värmeväxlarenhet för tillvaratagande av värme fran en het gasström tili en medieström, vilken värmeväxlarenhet omfattar en höljeskon-struktion (30, 31, 31'), ett inlopp för gasströmmen (25") där gasen är anordnad att strömma väsentligen vertikalt samt ett utlopp för gasströmmen (36), varvid i höljeskonstruktionen är placerade flera värme-10 växlare (21, 22, 23, 24) försedda med en väsentligen gastät vägg at- minstone delvis inne i varandra i förhällande tili höljeskonstruktionens längdaxel (26) sa att gasströmmen alltid är anordnad att ga i ett ut-rymme bildat av atminstone tva inne i varandra liggande värmeväxla-re, kännetecknad av att höljeskonstruktionen omfattar en bottendel 15 (31) mot vilken värmeväxlarna tili största delen är stödda med ett stö- darrangemang (32), och att stödarrangemanget i atminstone en av värmeväxlarna omfattar öppningsyta (28) för att tillata gasströmmens genomströmning frän värmeväxlarens första sida till dess andra sida. 20 2. Värmeväxlarenhet enligt patentkrav 1, kännetecknad av att stödarran gemanget är av kyld konstruktion (32) där den i värmeväxlaren strömmande medieströmmen är anordnad att strömma.
8. Värmeväxlarenhet enligt nagot av patentkraven 1 - 4 som är anordnad 15 att uppvärma och/eller föränga organiskt ämne, kännetecknad av att den sista av de inne i varandra liggande värmeväxlarna är anordnad som första värmeväxlare (21) i medieströmmen och att den första av de inne i varandra liggande värmeväxlarna är anordnad som andra värmeväxlare (22) i medieströmmen. 20
FI20055718A 2005-12-30 2005-12-30 Lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta FI120557B (fi)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20055718A FI120557B (fi) 2005-12-30 2005-12-30 Lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta
UAA200809882A UA92777C2 (ru) 2005-12-30 2006-11-10 Теплообменная установка для передачи теплоты горячего газа к потоку среды
CA2632275A CA2632275C (en) 2005-12-30 2006-11-10 A heat exchanger unit for recovering heat from a hot gas flow
RU2008131292/06A RU2403522C2 (ru) 2005-12-30 2006-11-10 Способ нагрева и/или испарения органической среды и теплообменный блок для извлечения теплоты от потока горячего газа
PCT/FI2006/050488 WO2007077293A1 (en) 2005-12-30 2006-11-10 Method of heating and/or evaporating an organic medium and a heat exchanger unit for recovering heat from a hot gas flow
EP06808029.0A EP1966559B1 (en) 2005-12-30 2006-11-10 A heat exchanger unit for recovering heat from a hot gas flow

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20055718A FI120557B (fi) 2005-12-30 2005-12-30 Lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta
FI20055718 2005-12-30

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI20055718A0 FI20055718A0 (fi) 2005-12-30
FI20055718A FI20055718A (sv) 2007-07-01
FI120557B true FI120557B (fi) 2009-11-30

Family

ID=35510796

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20055718A FI120557B (fi) 2005-12-30 2005-12-30 Lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP1966559B1 (fi)
CA (1) CA2632275C (fi)
FI (1) FI120557B (fi)
RU (1) RU2403522C2 (fi)
UA (1) UA92777C2 (fi)
WO (1) WO2007077293A1 (fi)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8181463B2 (en) * 2005-10-31 2012-05-22 Ormat Technologies Inc. Direct heating organic Rankine cycle
ES2368960T3 (es) 2008-12-23 2011-11-24 Kronotec Ag Instalación de secado de productos de la trituración de la madera.
IT1397145B1 (it) * 2009-11-30 2013-01-04 Nuovo Pignone Spa Sistema evaporatore diretto e metodo per sistemi a ciclo rankine organico.
WO2012129079A1 (en) * 2011-03-21 2012-09-27 The Penn State Research Foundation High efficiency combustor and closed-cycle heat engine interface
CN102147105B (zh) 2011-04-11 2012-11-21 中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司 适用于超高汽温蒸汽参数的倒置煤粉锅炉布置结构
RU2609273C2 (ru) * 2015-06-17 2017-02-01 Общество С Ограниченной Ответственностью "Промвектор" Электрогенерирующий комплекс "СКАТ"
CN108534569B (zh) * 2018-04-20 2024-03-29 杨艺 一种高效热交换器
CN110513669B (zh) * 2019-08-23 2021-02-26 七台河宝泰隆新能源有限公司 一种蒸汽发生器重油温度调节装置

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1738086A (en) * 1923-01-03 1929-12-03 Frank L O Wadsworth Water heater
US2718217A (en) * 1952-08-27 1955-09-20 Aeroil Prod Water heating apparatus
US3351041A (en) * 1965-05-21 1967-11-07 Mitchell Engineering Ltd Water tube boiler
US3352289A (en) * 1966-06-13 1967-11-14 Vapor Corp Steam generator
GB1221521A (en) * 1967-04-29 1971-02-03 Mitchell Engineering Ltd Improvements in or relating to water tube boilers
US3769789A (en) * 1971-07-06 1973-11-06 Sundstrand Corp Rankine cycle engine
US3809061A (en) * 1971-11-03 1974-05-07 Steam Engine Syst Corp Heat exchanger and fluid heater
FR2191080B3 (fi) * 1972-06-28 1976-05-21 Wanson Constr Mat Therm
DE2534093A1 (de) * 1975-07-30 1977-04-21 Konus Kessel Waermetech Einrichtung zum erwaermen einer gegen ueberhitzung zu schuetzenden waermeuebertragungsfluessigkeit
FR2660056B1 (fr) * 1990-03-23 1994-07-22 Muller Cie Echangeur pour eau chaude sanitaire notamment pour chaudiere murale.
FI86464C (fi) 1990-09-26 1992-08-25 High Speed Tech Ltd Oy Foerfarande foer att saekra lagersmoerjning i en hermetisk hoegshastighetsmaskin.
FI913367A0 (fi) * 1991-07-11 1991-07-11 High Speed Tech Ltd Oy Foerfarande och anordning foer att foerbaettra nyttighetsfoerhaollande av en orc-process.
JPH09203304A (ja) * 1996-01-24 1997-08-05 Ebara Corp 廃棄物を燃料とする複合発電システム
US6101813A (en) * 1998-04-07 2000-08-15 Moncton Energy Systems Inc. Electric power generator using a ranking cycle drive and exhaust combustion products as a heat source
DE10324058B4 (de) * 2003-05-27 2007-10-18 GMK-Gesellschaft für Motoren und Kraftanlagen mbH Wärmetauscher sowie Heizkraftanlage

Also Published As

Publication number Publication date
WO2007077293A1 (en) 2007-07-12
CA2632275C (en) 2013-10-01
EP1966559A1 (en) 2008-09-10
EP1966559A4 (en) 2011-10-19
UA92777C2 (ru) 2010-12-10
RU2008131292A (ru) 2010-02-10
FI20055718A0 (fi) 2005-12-30
RU2403522C2 (ru) 2010-11-10
FI20055718A (sv) 2007-07-01
CA2632275A1 (en) 2007-07-12
EP1966559B1 (en) 2013-05-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
FI120557B (fi) Lämmönsiirrinyksikkö lämmön talteenottamiseksi kuumasta kaasuvirtauksesta
RU2438073C2 (ru) Конденсационный теплообменник, имеющий два первичных трубных пучка и один вторичный трубный пучок
KR101740010B1 (ko) 응축형 열교환기를 구비한 고온 유체 생성 장치
JP2008145097A (ja) 分解ガスを冷却するための熱交換器
US20110100009A1 (en) Heat Exchanger for Direct Evaporation in Organic Rankine Cycle Systems and Method
US6269754B1 (en) Steam generator for superheated steam for incineration plants with corrosive flue gases
CA1069884A (en) Gas turbine regenerator
US20100221675A1 (en) Condensing boiler and water heater
DK2577206T3 (en) Heat exchanger unit
EP3001102B1 (en) A heat recovery unit and power plant
RU2386905C1 (ru) Теплогенератор
JPH0271003A (ja) ボイラ
Mehta Waste heat recovery
JP2772584B2 (ja) 蒸気発生装置用エコノマイザシステム
JPH0474601B2 (fi)
CZ308268B6 (cs) Parní kotel pro spalování odpadů
RU2194213C2 (ru) Цилиндрическая водогрейная установка (варианты) и металлический кольцевой коллектор
RU2378571C1 (ru) Вертикальный теплообменник
KR101039899B1 (ko) 육상 발전설비용 연관식 폐열보일러 시스템
RU34235U1 (ru) Водогрейный водотрубный теплообменник
EP3420204B1 (en) Direct heat exchanger for organic rankine cycle systems
FI109554B (fi) Lämmöntuottolaite
RU2313033C1 (ru) Теплообменник
RU2181467C1 (ru) Секционный водогрейный котел
RU2533591C1 (ru) Способ нагрева жидкости и нагреватель жидкости на его основе

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: MW BIOPOWER OY

Free format text: MW BIOPOWER OY

FG Patent granted

Ref document number: 120557

Country of ref document: FI

PC Transfer of assignment of patent

Owner name: KPA UNICON GROUP OY

MM Patent lapsed