185037. lajstromszámú szabadalom • Csoporthőcsrélő hőtermelő berendezések, különösen gázmotorok és gázturbinák hulladékhőjének hasznosítására
1 185 037 A jelen találmány tárgya olyan csoporthó'cserélő, amely alkalmas hőtermeló' berendezések, de különösen gázkazánok, gázmotorok és gázturbinák hulladékhőjének a hulladékhő-hasznosító igényeinek megfelelő mértékű és ütemű hasznosítására, a hőtermelő berendezés üzemének zavarása, vagy hátrányos befolyásolása nélkül, és anélkül, hogy a hőtermelő berendezés és a hőhasznosító berendezés üzeme közötti összhang megteremtése érdekében külön intézkedések válnának szükségessé, és egyidejűleg az elvont hulladékhőt a hőtermelő berendezés termikus hatásfokának növelése érdekében a belépő levegő előmelegítésére is felhasználja. A hőtermelő berendezések hatásfokának javítása érdekében régi törekvés, hogy a távozó égéstermékek (füstgázok) hőtartalmát a lehető legnagyobb mértékben hasznosítsuk, és azok távozásukkor csak olyan hőmennyiséget vigyenek magukkal, amit valamilyen más okból (pl. a kondenzálódás megakadályozása érdekében) feltétlenül szükséges. Nem mindig közelíthető meg ez a követelmény a dinamikusan változó hőteljesítmény mellett üzemeletetett hőtermelő berendezéseknél, valamint a hőerőgépeknél. Ez utóbbiak közül a gőzgépeknél az ún. sűrítő alkalmazása megoldást jelentett, míg a belső égésű motoroknál, és turbinás erőgépeknél a távozó gázok (kipufogógázok) hőtartalmának hasznosítása nem megoldott. E gázok energiatartamának hasznosítására számtalan kísérlet történt. így megkísérelték e gázok kinetikus energiájának hasznosítását azáltal, hogy az erőgép kipufogórendszerében egy külön turbinát helyeztek el, amellyel a belépő levegőt szállító úgynevezett „feltöltőkompreszszort” kívánták meghajtani. Mobil motoroknál (járműveknél) különböző megoldásokat alkalmaztak a kipufogógázok hőtartalmának a jármű fűtésére történő felhasználására és a belépő (táp)levegő előmelegítésére is. Stabil erőgépeknél és turbináknál a távozó gázok útjába iktatott hőcserélők útján kísérelték meg a hulladékhő hasznosítását. A hasznosításnál megtalálhatók az erőgép üzemén belüli hasznosításra (a belépő táplevegő előmelegítésére) irányuló kísérletek és a külső hasznosításra (más, az erőgép üzemétől független technológiai folyamat területén történő felhasználásra) irányuló kísérletek is, sőt, történtek kísérletek a hulladékhőnek visszaforgatás útján a kondenzálódás megakadályozására történő hasznosítására is (pl. a 22 06 128 lsz. NSZK szabadalom szerinti elrendezés). Ismeretes olyan megoldás is, amely a kellő (alacsonyabb) hőmérséklet elérésére külső levegő hozzákeverését ajánlja Venturi-csöves megoldással (LV-171 alapszámú közrebocsátott magyar szabadalmi bejelentés.) A felsorolt megoldások egyike sem tudott a cél elérésére alkalmasnak bizonyulni és általánosan elterjedni. A távozó gázok kinetikus energiájának mechanikus hasznosítása azért ütközik akadályba, mert a távozó gázok mennyisége, és sebessége a motor üzemének függvénye, és időben erősen változik. Ezért az így nyerhető kinetikus energia külső célra nem alkalmazható. A motor feltöltőkompresszorának hajtása ezen az úton azért nem bizonyult megfelelőnek, mert a kompresszor teljesítményére akkor van a legnagyobb szükség, ha a motor gyorsít, ilyenkor viszont fordulata alacsony, és a kompresszor levegőszállítása is minimális. Nagy fordulaton pedig a többletlevegő üzemanyag többletfogyasztást eredményez. Járművek fűtése kipufogógázzal szintén nem bizonyult általánosan alkalmazható megoldásnak. Egyrészt a tömítetlenségeken az utastérbe áramló gázok kellemetlen szaga, és mérgező volta miatt, másrészt, mert ezt a fűtést kellően szabályozni nem lehetett, és gyakran a jármű utasterének túlfűtéséhez vezetett. A belépő levegő előmelegítésére alkalmas berendezésnél is a szabályozhatatlanság okozott problémát, nyári időjárásnál szükségtelenül túlhevítette a berendezés a belépő levegőt. Stabil gépeknél alkalmazott megoldások egyik hátránya az, hogy a távozó gázok útjában elhelyezett hőcserélő áramlási ellenállása megnövelte a gázok kiáramlásánál a veszteségeket, ezzel az erőgép teljesítményét hátrányosan befolyásolta. Ezen felül külső hasznosításnál külön gondot okozott a hőhasznosítás és a gép üzemének megfelelő összehangolása — annak biztosítása, hogy a külső hasznosító folyamatban annyi hőre és akkor legyen szükség, mint amennyit és amikor a hőerőgépből elvonni lehetséges. Ez önálló folyamatnál szinte megoldhatatlan. E hibákon kíván segíteni a jelen találmány. A jelen találmány abból a megfontolásból indul ki, hogy annál a folyamatnál, amelynek során hulladékhőt kívánunk hasznosítani, feltétlenül az alapberendezés üzemét kell elsődlegesnek tekinteni, és a hulladékhő hasznosítása nem érintheti kedvezőtlenül az alapberendezés üzemét, sem műszakilag, sem gazdaságilag. Ugyanakkor önálló technológiai folyamatnak kell tekinteni azt a technológiát is, amelynek keretében a hulladékhőt fel kívánjuk használni, és ezt a folyamatot sem lehet egyszerűen hozzárendelni az alapberendezés üzeméhez, ez a hőhasznosító technológiában olyan hátrányokat jelentene, amelyeknek gazdasági kihatása felemészthetné a hulladékhő hasznosításából keletkező előnyöket. A két rendszer közötti kapcsolat az a terület, ahol ki kell egyenlíteni a két folyamat közötti eltéréseket, és ahol meg lehet és meg kell teremteni a teljes időbeli és mennyiségi összhangot. Ennek érdekében a hulladékhő kivonásának olyan hőcserélőben kell végbemennie, amely nem a hőtermelő berendezés (alapberendezés) füstgázelvezető rendszerének helyébe, hanem ahhoz csatlakozóan, a mellé kerül elhelyezésre, és az itt alkalmazott elemek (füstgázvezéték, hangtompító, kipufogódob) mellett, azokkal párhuzamosan van kapcsolva. Megfelelő beavatkozó szervekkel biztosítható ez esetben az, hogy a füstgázok útjában mérhető áramlási ellenállás minden üzemmódban azonos legyen, és így a berendezés ne hasson vissza az alapberendezés üzemére. Ugyanakkor a füstgáz olyan mértékben (abban a mennyiségben) legyen csak a hőcserélőkön keresztülvihető, amilyen mértékben (amilyen mennyiségben) a hulladékhőre ténylegesen szükség van, illetőleg amilyen mértékben a hulladékhő felhasználása az adott pillanatban biztosítva van. Igény hiányában a hulladékhőt kivonás nélkül kell távozni (elveszni) hagyni, így nincs szükség külön költséges tároló ésfvagy hőmegsemmisítő berendezés alkalmazására. Amennyiben két vagy több hőcserélőt kapcsolunk párhuzamosan, lehetőség nyílik arra, hogy azok közül mindenkor annyit és csak annyit üzemeltessünk, amenynyit a felhasználható hulladékhő elvonása szükségessé tesz. Az eltávozó füstgázok áramlásának megfelelő irányítása szabályozási körökkel oldható meg, ezeknek alapjele a tényleges hőigény által meghatározott, beavatkozó szervei pedig a füstgázok áramlását, ennek irányát határozzák meg. Amennyiben külső és belső hulladékhő hasznosítást kívánunk egyszerre alkalmazni, szükség lehet a hőközvetítő közeg áramlásának szabályozására is. 2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
