CZ289900B6

CZ289900B6 - Sestava prvků pro předávání tepla

Info

Publication number: CZ289900B6
Application number: CZ20011931A
Authority: CZ
Inventors: Michael M. Chen
Original assignee: Alstom Power Inc.
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2002-04-17
Also published as: ZA200104030B; EP1144932A1; WO2000036356A1; EP1144932B1; HUP0104584A3; KR20010090870A; KR100417321B1; HUP0104584A2; DK1144932T3; AU763512B2; BR9916274A; SK8272001A3; PL193798B1; JP2002532676A; MXPA01005704A; CN1330763A; ES2217761T3; CN1179189C; TW459121B; AU4220099A

Abstract

V sestav (40) teplo p°ed vaj c ch prvk pro rota n regenera n p°edeh° va (10) vzduchu je prvn teplo p°ed vaj c deska (44), druh teplo p°ed vaj c deska (46) a t°et teplo p°ed vaj c deska (48), dvouh°ebenov prvky (50) pro udr en odsazen mezi p°ilehl²mi teplo p°ed vaj c mi deskami a ikm vlny (58), prob haj c mezi dvouh°ebenov²mi prvky (50). Vlny (58) vymezuj otvory, jejich velikost je ur ena t°et vzd lenost (Ou) mezi vrcholem jedn vlny a · lab m druh p°ilehl vlny. Pom r t°et vzd lenosti (Ou) ku druh vzd lenosti (On) je vy ne 0,3 a ni ne 0,5, prvn vzd lenost (Pn) je v t ne 5,08 cm a ·hel (Au) je v t ne 20.degree. a men ne 40.degree.. Vlny na p°ilehl²ch desk ch sv raj s dvouh°ebenov²mi prvky (50) opa n ·hly.\

Description

Vynález se týká sestavy teplopředávajících prvků, zejména sestavy teploabsorbujících desek, která je použitelná v tepelném výměníku, ve kterém se teplo předává teploabsorbujícími deskami z horké teplonosné tekutiny do studené teplonosné tekutiny. Vynález se konkrétné týká sestavy teplopředávajících prvků, která je uzpůsobena pro použití v rotačním regeneračním zařízení pro předávání tepla, ve kterém se sestavy teplopředávajících prvků ohřívají stykem s horkou plynnou teplonosnou tekutinou a potom se uvedou do styku se studenou plynou teplonosnou tekutinou, které sestava teplopředávajících prvků předá teplo.

Dosavadní stav techniky

Jedním typem teplopředávajícího zařízení, ve kterém může být použit vynález, je známý rotační regenerační ohřívač. Typický rotační regenerační ohřívač má válcovitý rotor rozdělený do oddělení, ve kterých jsou uspořádány a neseny odsazené teplopředávající desky, na které působí, když se rotor otáčí, proud horkého topného plynu a po otočení rotoru zase proud chladnějšího vzduchu nebo jiné plynné tekutiny, která má být ohřátá. Když na teplopředávající desky působí topný plyn, teplopředávající desky absorbují teplo z topného plynu, a potom, co na teplopředávající desky působí chladný vzduch nebo jiná plynná tekutina, která má být ohřátá, se teplo absorbované z topného plynu teplopředávajícími deskami předá do chladnějšího plynu. Nejvíce tepelných výměníků výše uvedeného typu zahrnuje teplopředávající desky, které jsou uspořádány těsně jedna vedle druhé a vzájemně odsazeny k vytvoření množiny průchodů mezi . přilehlými teplopředávajícími deskami pro proudění teplonosné tekutiny mezi těmito deskami.

Výkon tepelného výměníku uvedeného typu o dané velikosti závisí na intenzitě předávání tepla mezi teplonosnou tekutinou a teplopředávajícími deskami. Avšak u komerčních zařízení je komerční úspěšnost zařízení dána nejen dosaženým koeficientem přestupu tepla, nýbrž i dalšími faktory, jako např. cenou a hmotností konstrukce teplopředávající desky. V ideálním případě teplopředávající desky vyvolávají v průchodech mezi těmito deskami intenzivní turbulentní proudění ke zvýšení předávání tepla z teplonosné tekutiny na teplopředávající desky a současně mají relativně nízký odpor kladený proudu tekutiny v průchodech a povrchovou konfiguraci, která se snadno čistí.

Pro vyčištění teplopředávajících desek se obvykle používají dmýchadla, která vhánějí do průchodů mezi teplopředávajícími deskami silný proud vysokotlakého vzduchu nebo páry, která vypuzuje částice depozitů z povrchu teplopředávajících desek a odvádí je ven z těchto průchodů, čímž po sobě zanechává relativně čisté povrchy teplopředávajících desek. Tento způsob čištění má tu nevýhodu, že síla vysokotlakého vypuzovacího média působící na relativně tenké teplopředávající desky může způsobit roztržení těchto desek, pokud sestava teplopředávajících desek nezahrnuje zpevňovací útvary.

Jedno řešení tohoto problému spočívá ve zvlnění jednotlivých teplopředávajících desek v krátkých intervalech k vytvoření dvouhřebenových prvků, které mají jeden hřeben vybíhající z teplopředávající desky v jednom směru a druhý hřeben vybíhající z teplopředávající desky v opačném směru. Po uspořádání teplopředávajících desek do sestavy tyto hřebeny zajišťují přilehlé teplopředávající desky tak, že síly působící na teplopředávající desky v průběhu čištění jsou rovnoměrně rozloženy mezi různé teplopředávající desky.

-1 CZ 289900 B6

Taková sestava teplopředávajících desek je popsána v patentu US 4 396 058. V této sestavě uvedené hřebeny probíhají ve směru obvyklého proudění teplonosné tekutiny, tj. axiálně skrze rotor. Kromě uvedených hřebenů jsou teplopředávající desky zvlněny k vytvoření řady šikmých vln probíhající mezi uvedenými hřebeny tak, že svírají se směrem proudění teplonosného média ostrý úhel. Vlny na přilehlých teplopředávajících deskách probíhající šikmo vůči směru proudění teplonosného média jsou buď vzájemně vyrovnány, nebo probíhají ve vzájemně opačných šikmých směrech. Ačkoliv tato sestava teplopředávajících desek se vyznačuje příznivou rychlostí předávání tepla, dosažený výsledek může být silně závislý na specifické konfiguraci uvedených hřebenů a vln.

Podstata vynálezu

Předmětem vynálezu je zlepšená sestava teplopředávajících prvků, ve které je tepelný výkon optimalizován k dosažení žádoucí hodnoty tepelného přestupu a tlakového spádu u sestav, které mají zmenšený objem a sníženou hmotnost. Sestava teplopředávajících prvků podle vynálezu zahrnuje teplopředávající desky, které mají podélné dvouhřebenové prvky a šikmé vlny mezi těmito dvouhřebenovými prvky, přičemž podstata této sestavy spočívá vtom, že tepelný výkon je optimalizován poskytnutím specifických rozmezí stanovených pro poměr mezi otvory vymezenými uvedenými vlnami a otvory vymezenými uvedenými hřebeny, odsazení uvedených hřebenů a úhel mezi uvedenými vlnami a hřebeny. Vlny na přilehlých teplopředávajících deskách probíhají vzhledem ke směru proudění teplonosného média ve vzájemně opačných směrech.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude lépe pochopen z následujícího popisu příkladů provedení, ve kterém budou činěny odkazy na přiložené výkresy, na kterých obr. 1 zobrazuje perspektivní pohled na konvenční rotační regenerační předehřívač vzduchu, který zahrnuje sestavy teplopředávajících prvků vytvořené z teplopředávajících desek, obr. 2 zobrazuje perspektivní pohled na konvenční sestavu teplopředávajících prvků, přičemž z tohoto pohledu jsou zřejmé teplopředávající desky uspořádané do sestavy, obr. 3 zobrazuje perspektivní pohled na tři teplopředávající desky určené pro sestavu teplopředávajících prvků podle vynálezu, přičemž z tohoto pohledu je zřejmé odsazení uvedených hřebenů a úhel mezi uvedenými vlnami a uvedenými hřebeny, obr. 4 zobrazuje čelní pohled na jednu z teplopředávajících desek zobrazených na obr. 3, přičemž z tohoto pohledu jsou zřejmé otvory vymezené uvedenými hřebeny a vlnami, obr. 5 zobrazuje graf závislosti poměru objemu sestavy teplopředávajících prvků ku základnímu objemu a poměru hmotnosti sestavy teplopředávajících prvků ku základní hmotnosti na poměru velikosti otvorů vymezených vlnami ku velikosti otvorů vymezených hřebeny pro konstantní přestup tepla a tlakový spád, obr. 6 zobrazuje pohled stejný jako pohled znázorněný na obr. 3, přičemž z tohoto pohledu je zřejmá modifikace vynálezu.

-2CZ 289900 B6

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 zobrazuje konvenční rotační regenerační předehřívač 10 vzduchu. Tento předehřívač 10 vzduchu zahrnuje rotor 12 otočně připevněný v krytu 14. Rotor 12 je tvořen přepážkami 16, které radiálně probíhají z hřídele 18 rotoru 12 k vnějšímu okraji rotoru 12. Tyto přepážky 16 vymezují oddělení 17, která obsahují sestavy 40 teplopředávajících prvků.

Kryt 14 vymezuje vstupní plynové potrubí 20 pro zavedení ohřátého kouřového plynu do předehřívače 10 vzduchu a výstupní plynové potrubí 22 pro vyvedení kouřového plynu z předehřívače 10 vzduchu. Kromě toho, kryt 14 dále vymezuje vstupní vzduchové potrubí 24 pro zavedení spalovacího vzduchu do předehřívače 10 vzduchu a výstupní vzduchové potrubí 26 pro vyvedení spalovacího vzduchu z předehřívače 10 vzduchu. Při vrchním a spodním čele rotoru 12 je kryt 14 překryt rozdělovacími deskami 28 ve tvaru kruhové výseče. Rozdělovači desky 28 rozdělují předehřívač 10 vzduchu na plynový úsek 34 a vzduchový úsek 32. První šipka 36 a druhá šipka 38 představují směr vedení kouřového plynu resp. směr vedení vzduchu skrze rotor 12. Horký kouřový plyn se zavádí skrze vstupní plynové potrubí 20 do plynového úseku 32 rotoru 12. načež se vede skrze rotor 12. V průběhu vedení horkého kouřového plynu rotorem 12 horký kouřový plyn předá teplo sestavám 40 teplopředávaj ících prvků připevněným uvnitř oddělení 17. Potom se sestavy 40 teplopředávajících prvků otáčením rotoru 12 přemístí do vzduchového úseku 32 rotoru 12. Nato se teplo uložené v sestavách 40 teplopředávaj ících prvků předá spalovacímu vzduchu zavedenému do vzduchového úseku 32 rotoru 12 skrze vstupní vzduchové potrubí 24. Ochlazený kouřový plyn se vyvede z rotoru 12 skrze výstupní plynové potrubí 22, zatímco ohřátý spalovací vzduch se vyvede z rotoru 12 skrze výstupní vzduchové potrubí 26. Obr. 2 zobrazuje typickou sestavu 40 teplopředávajících prvků zahrnující teplopředávající desky 42 uspořádané jedna vedle druhé.

Obr. 3 zobrazuje jeden příklad provedení vynálezu, který zahrnuje tři teplopředávající desky uspořádané jedna na druhé, tj. první teplopředávaj ící desku 44, druhou teplopředávající desku 46 a třetí teplopředávající desku 48. V zobrazeném příkladu provedení jsou všechny tři teplopředávající desky 44, 46, 48 v podstatě identické, přičemž jedna vůči druhé jsou otočeny o 180° k vytvoření zobrazené konfigurace. Uvedené teplopředávající desky 44, 46, 48 jsou tvořeny tenkými kovovými plechy, které jsou válcováním nebo lisováním vytvarovány do žádoucího tvaru. Každá teplopředávaj ící deska 44, 46, 48 má řadu vzájemně odsazených dvouhřebenových prvků 50, které probíhají podélně a paralelně se směrem vedení teplonosné tekutiny skrze rotor 12 předehřívače vzduchu. Tyto dvouhřebenové prvky 50 zajišťují předem stanovené odsazení přilehlých teplopředávajících desek a tvoří průchody mezi přilehlými teplopředávajícími deskami. Každý dvouhřebenový prvek 50 zahrnuje první hřeben 52 vybíhající zjedné strany teplopředávající desky ve směru od této desky a druhý hřeben 54 vybíhající z druhé strany teplopředávaj ící desky ve směru od této desky. Každý z obou hřebenů 52, 54 má v podstatě tvar písmene V. Vrcholy 56 obou hřebenů 52, 54 vystupují od teplopředávající desky ve vzájemně opačných směrech. Jak je to zřejmé z obr. 3, vrcholy 56 jednotlivých hřebenů 52, 54 jsou ve styku s přilehlými deskami k dosažení žádoucího odsazení teplopředávajících desek. Je rovněž nutné upozornit na skutečnost, že teplopředávající desky jsou uspořádány tak, že hřebeny na jedné teplopředávající desce jsou uspořádány přibližně ve středu mezi hřebeny na přilehlých teplopředávaj ících deskách k dosažení pokud možno co největší opěry. Z obr. 3 je zřejmé odsazení dvouhřebenových prvků 50, tj. první vzdálenost Pn mezi hřebeny 52, 54 sousedních dvouhřebenových prvků 50. Každá z teplopředávajících desek má v úseku mezi dvouhřebenovými prvky 50 vlny 58, které svírají s přilehlými hřebeny úhel Au. Jak je to zřejmé z obr. 3, vlny 58 na přilehlých teplopředávajících deskách probíhají vzhledem ke směru proudění teplonosného média ve vzájemně opačných směrech. Jak je to rovněž zřejmé z obr. 3, první teplopředávající deska 44, druhá

-3 CZ 289900 B6 teplopředávající deska 46 a třetí teplopředávající deska 48 jsou vzájemně identické, přičemž druhá teplopředávající deska 46 je pouze otočena o 180° vzhledem k první teplopředávající desce 44 a třetí teplopředávající desce 48. To je výhodné, poněvadž k vytvoření uvedené sestavy 40 teplopředávajících prvků jsou nutné pouze teplopředávající deskyjednoho typu.

Obr. 4 zobrazuje čelní pohled na část jedné z teplopředávajících desek z obr. 3. Z tohoto pohledu je zřejmý jeden dvouhřebenový prvek 50 s prvním hřebenem 52 a druhým hřebenem 54 a několik vln 58. Velikost otvorů vymezených jednotlivými dvouhřebenovými prvky 50 je dána druhou vzdáleností On mezi vrcholem 56 druhého hřebenu 54 a úžlabím 57 prvního hřebenu 52. Velikost otvorů vymezených jednotlivými dvouhřebenovými prvky je dána třetí vzdáleností Ou mezi druhým vrcholem 55 jedné vlny a druhým úžlabím 59 druhé přilehlé vlny. Podle vynálezu se optimálního tepelného výkonu, zmenšeného objemu sestavy 40 teplopředávajících prvků a snížené hmotnosti sestavy 40 teplopředávajících prvků dosáhne konfigurací teplopředávajících desek s parametry v následujících rozmezí:

0,5 > Ou/On > 0,3

Pn > 5,08 40° > Au > 20°

Obr. 5 zobrazuje graf, z kterého jsou zřejmé výhody vynálezu při zvolení parametru Ou/On s hodnotou z výše uvedeného rozmezí. Graf zobrazuje výsledky testu vzorků s různými poměry Ou/On. Kromě toho, graf rovněž zobrazuje rozdíl mezi vlnami, které jsou na přilehlých deskách vzájemně paralelní a vlnami, které se na přilehlých deskách vzájemně kříží, tj. svírají s dvouhřebenovými prvky opačné úhly.

Graf zobrazuje závislost poměru objemu sestav teplopředávajících prvků ku základnímu objemu na poměru Ou/On. Mimoto, graf rovněž zobrazuje závislost poměru hmotnosti sestav teplopředávajících prvků ku základní hmotnosti na poměru Ou/On. Základním objemem a základní hmotností se rozumí objem resp. hmotnost pří základním poměru Ou/On = 0.375. Jak je to zřejmé z grafu, když poměr Ou/On klesne pod základní poměr, objem a hmotnost sestav teplopředávajících prvků se zvyšuje. Podle vynálezu je spodní hranicí rozmezí poměru Ou/On hodnota 0,3, při které je objem a hmotnost sestav teplopředávajících prvků ještě uvnitř přijatelného rozmezí. Ačkoliv zvyšování poměru Ou/On vede k příznivějším objemovým a hmotnostním poměrům, praktická hranice výšky vln ve srovnání s otvory vymezenými hřebeny se dosáhne při poměru Ou/On = 0.5. Další testy ukázaly, že se činitel tepelného přestupu (činitel Cobumj) zvýší přibližně o 47%, když se poměr Ou/On sníží z 0,237 na 0,375.

Použitím parametrů podle vynálezu se dosáhne vířivého proudění s vířivými a sekundárními proudovými profily. Vířivé proudění způsobuje, že teplonosná tekutina naráží do teplopředávajících desek, což má za následek zvýšení přestupu tepla. Vířivé proudění rovněž způsobuje míšení proudícího teplonosného média a tudíž rovnoměrnější teplotu teplonosného média. Vír teplonosného média potom znovu naráží na teplopředávající desky níže ve směru proudění. Proces narážení a míšení teplonosného média pokračuje a zvyšuje rychlost předávání tepla, aniž by se zvýšil tlakový spád, což má za následek snížení objemu a hmotnosti sestav teplopředávajících prvků při zachování stejného celkového množství předaného tepla.

Obr. 6 zobrazuje modifikaci vynálezu, ve které první teplopředávající deska 44 a třetí teplopředávající deska 48 jsou stejné jako odpovídající desky na obr. 3. Avšak čtvrtá teplopředávající deska 60 na obr. 6 se liší od druhé teplopředávající desky 46 na obr. 3. Jak je to zřejmé zobou obrázků, třetí hřeben 62 a čtvrtý hřeben 64 druhého dvouhřebenového prvku 66 je obrácen ve směru od odpovídajícího prvního hřebenu 52 resp. druhého hřebenu 54 na obr. 3. Tudíž v zobrazené modifikaci vynálezu čtvrtá teplopředávající deska

-4CZ 289900 B6 není identická s první teplopředávající deskou 44 a třetí teplopředávající deskou 48, avšak jsou stále použity stejné parametry vynálezu a vlny na přilehlých teplopředávajících deskách dosud probíhají v opačných směrech.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Teplopředávající sestava pro tepelný výměník, která zahrnuje množinu prvních teplopředávajících desek a množinu druhých teplopředávajících desek, přičemž první teplopředávající desky a druhé teplopředávající desky jsou střídavě uspořádány jedna vedle druhé a vzájemně odsazeny, čímž vytvářejí množinu průchodu mezi přilehlými prvními teplopředávajícími deskami a druhými teplopředávajícími deskami, vyznačená tím, že každá z prvních teplopředávajících desek (44) a druhých teplopředávajících desek (46) má množinu dvouhřebenových prvků (50), které probíhají vzájemně paralelně a jsou vzájemně odsazeny o první vzdálenost (Pn), přičemž každý dvouhřebenový prvek (50) zahrnuje první hřeben (52) vybíhající směrem ven zjedné strany teplopředávající desky a druhý hřeben (53) vybíhající směrem ven z druhé strany teplopředávající desky, přičemž velikost otvoru vymezeného každým dvouhřebenovým prvkem (50) je určena druhou vzdáleností (On) mezi vrcholem hřebenu na jedné straně teplopředávající desky a úžlabím hřebenu na druhé straně teplopředávající desky, přičemž dvouhřebenové prvky (50) tvoří distanční prvky mezi přilehlými teplopředávajícími deskami, a množinu vln (58), které probíhají mezi dvouhřebenovými prvky (50) a svírají s dvouhřebenovými prvky úhel (Au), přičemž vlny (58) vymezují otvory, jejichž velikost je určena třetí vzdáleností (Ou) mezi vrcholem jedné vlny a úžlabím druhé přilehlé vlny, přičemž poměr třetí vzdálenosti (Ou) ku druhé vzdálenosti (On) je vyšší než 0,3 a nižší než 0,5, první vzdálenost (Pn) je větší než 5,08 cm a úhel (Au) je větší než 20° a menší než 40° k optimalizaci tepelného výkonu a minimalizaci objemu a hmotnosti teplopředávajících sestav, přičemž vlny na přilehlých deskách svírají s dvouhřebenovými prvky (50) opačné úhly.