DE69916117T2

DE69916117T2 - Einheit von wärmeübertragungselementen

Info

Publication number: DE69916117T2
Application number: DE69916117T
Authority: DE
Inventors: M. Michael CHEN
Original assignee: Alstom Power Inc
Current assignee: Alstom Power Inc
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: CZ20011931A3; HUP0104584A2; DE69916117D1; CZ289900B6; CN1179189C; SK8272001A3; AU763512B2; DK1144932T3; MXPA01005704A; PL193798B1; KR20010090870A; ATE263351T1; US6019160A; ZA200104030B; PL348190A1; AU4220099A; CA2352284C; CN1330763A; ES2217761T3; KR100417321B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Einheiten von Wärmeübertragungselementen und insbesondere auf eine Einheit wärmeaufnehmender Platten für den Einsatz in einem Wärmetauscher, in dem Wärme mit Hilfe der Platten von einer heißen Wärmetauscherflüssigkeit auf eine kalte Wärmetauscherflüssigkeit übertragen wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Einheit von Wärmetauscherelementen für den Einsatz in einem regenerativen Dreh-Wärmeübertragungsgerät, in dem die Einheiten von Wärmeübertragungselementen durch Berührung mit der heißen, gasförmigen Wärmetauscherflüssigkeit erhitzt werden, und anschließend mit der kalten, gasförmigen Wärmetauscherflüssigkeit in Berührung gebracht werden, an welche die Einheiten von Wärmeübertragungselementen ihre Wärme abgeben.
Ein Wärmetauscher, auf den sich die vorliegende Erfindung insbesondere bezieht, ist der bekannte regenerative Drehluftvorwärmer. Ein typischer regenerativer Drehluftvorwärmer besitzt einen zylindrischen Rotor, der in Taschen aufgeteilt ist, in denen in einem bestimmten Abstand zueinander Wärmeübertragungsplatten angeordnet und befestigt sind, die beim Drehen des Rotors abwechselnd einem Heizgasstrom und anschließend einem Kühlluftstrom oder einer anderen gasförmigen, zu erwärmenden Flüssigkeit ausgesetzt sind. Wenn die Wärmeübertragungsplatten dem Heizgas ausgesetzt sind, nehmen sie die Wärme daraus auf, und wenn sie dann der Kühlluft oder einer anderen gasförmigen Flüssigkeit, die erwärmt werden soll ausgesetzt sind, wird die Wärme, die von den Wärmeübertragungsplatten aus dem Heizgas aufgenommen wurde, auf das kalte Gas übertragen. Bei den meisten Wärmetauschern dieser Art sind die Wärmetauscherplatten eng übereinandergelagert, so dass zwischen den aneinander angrenzenden Platten viele Durchgänge für die Wärmetauscherflüssigkeit vorhanden sind.
Bei einem solchen Wärmetauscher ist die Wärmeübertragungsleistung eines Wärmetauschers einer bestimmten Größe von der Geschwindigkeit der Wärmeübertragung zwischen der Wärmetauscherflüssigkeit und der Plattenstruktur abhängig. Doch bei kommerziellen Anlagen wird der Nutzwert einer Anlage nicht nur durch den erzielten Wärmeübertragungskoeffizienten, sondern auch durch andere Faktoren wie Kosten und Gewicht der Plattenkonstruktion bestimmt. Idealerweise bewirken die Wärmeübertragungsplatten eine sehr turbulente Strömung durch die Durchgänge, um die Wärmeübertragung von der Wärmeübertragungsflüssigkeit auf die Platten zu erhöhen, während sie gleichzeitig zwischen den Platten einen relativ geringen Strömungswiderstand besitzen, und auch eine Oberflächenkonfiguration aufweisen, die leicht zu reinigen ist.
Zum Reinigen der Wärmeübertragungsplatten werden üblicherweise Rußbläser geliefert, die mit Hochdruckluft oder -dampf durch die Plattenzwischenräume geführt werden, um Ablagerungen von der Oberfläche zu entfernen und abzuführen, so dass eine relativ saubere Oberfläche zurückbleibt. Ein Problem bei dieser Reinigungsmethode ist es, dass es aufgrund des Hochdruckblasmediums auf den relativ dünnen Wärmeübertragungsplatten zur Rissbildung der Platten kommen kann, wenn das Schichtsystem der Wärmeübertragungsplatten nicht mit einer gewissen konstruktiven Steifigkeit versehen wird.
Eine Lösung für dieses Problem besteht darin, die einzelnen Wärmeübertragungsplatten in häufigen Abständen umzuknicken, so dass doppelbogige Einkerbungen entstehen, wobei ein Bogen in eine Richtung weg von der Platte verläuft und der andere Bogen in entgegengesetzte Richtung weg von der Platte verläuft. Wenn die Platten dann zu der Einheit von Wärmeübertragungselementen verbunden werden, dienen diese Einkerbungen dazu, aneinander angrenzende Platten so zu halten, dass die Kräfte, die beim Rußblasen auf die Platten ausgeübt werden, zwischen den verschiedenen Platten, aus denen die Einheit von Wärmeübertragungselementen besteht, ausgeglichen werden können.
Eine Einheit von Wärmeübertragungselementen dieser Art wird in U.S. Pat. Nr. 4.396.058 dargestellt. In dem Patent verlaufen die Einkerbungen in Richtung der allgemeinen Strömung der Wärmetauscherflüssigkeit, d. h. axial zum Rotor. Zusätzlich zu den Einkerbungen sind die Platten gewellt, so dass zwischen den Einkerbungen im spitzen Winkel zu der Strömung der Wärmetauscherflüssigkeit eine Reihe schräger Riefen oder Wellen verläuft. Die Wellen in den aneinander angrenzenden Platten verlaufen schräg zur Strömungslinie entweder fluchtend oder einander entgegengesetzt. Auch wenn diese Einheiten von Wärmeübertragungselementen günstige Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten aufweisen, so können die Ergebnisse je nach der spezifischen Konstruktion und dem Verhältnis von Einkerbungen und Wellen doch erheblich variieren.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Zielsetzung der Erfindung ist es, eine verbesserte Einheit von Wärmeübertragungselementen zu liefern, bei der die thermische Leistungsfähigkeit optimiert wird, so dass der gewünschte Grad an Wärmeübertragung und Druckverlust geliefert wird, wobei die Einheiten ein geringeres Volumen und ein geringeres Gewicht besitzen. Gemäß der Erfindung besitzen die Wärmeübertragungsplatten der Einheit von Wärmeübertragungselementen doppelbogige Einkerbungen und schräge Wellen zwischen den Einkerbungen, wobei die thermische Leistungsfähigkeit dadurch optimiert wird, dass bestimmte Spannweiten für das Verhältnis zwischen den Öffnungen der Wellen und den Öffnungen der Einkerbungen, den Abstand zwischen den Einkerbungen und dem Winkel zwischen den Wellen und den Einkerbungen geliefert werden. Die Wellen an den aneinander angrenzenden Platten verlaufen in entgegengesetzter Richtung zueinander und zur Richtung der Strömung der Flüssigkeit.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Perspektivansicht eines herkömmlichen regenerativen Drehluftvorwärmers, der Einheiten von Wärmeübertragungselementen besitzt, die aus Wärmeübertragungsplatten hergestellt sind.
2 ist eine Perspektivansicht einer herkömmlichen Einheit aus Wärmeübertragungselementen, welche die in der Einheit zusammengesteckten Wärmeübertragungsplatten zeigt.
3 ist eine Perspektivansicht von Teilen von drei Wärmeübertragungsplatten für eine Einheit von Wärmeübertragungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung, welche den Abstand der Einkerbungen und den Winkel der Wellen veranschaulicht.
4 ist eine Rückansicht von einer der Platten aus 3, welche die relativen Öffnungen der Einkerbungen und der Wellen zeigt.
5 ist ein Schaubild, das bei einer konstanten Wärmeübertragung und einem konstanten Druckabfall die Veränderungen im Verhältnis von Volumen und Gewicht der Einheiten von Wärmeübertragungselementen im Vergleich zu einem Basispunkt in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Öffnungen der Wellen zu den Öffnungen der Einkerbungen zeigt.
6 ist eine Ansicht ähnlich 3, welche eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Unter Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen wird ein herkömmlicher regenerativer Drehluftvorwärmer allgemein mit der Kennzahl 10 bezeichnet. Der Luftvorwärmer 10 besitzt einen Rotor 12, der in einem Gehäuse 14 drehbar montiert ist. Der Rotor 12 besteht aus Scheidewänden oder Trennwänden 16, die radial von einem Rotorständer 18 zur Außenperipherie des Rotors 12 verlaufen. Die Trennwände 16 bilden Taschen 17, welche die Einheiten von Wärmeübertragungselementen 40 enthalten.
Das Gehäuse 14 bildet einen Rauchgaseintrittskanal 20 und einen Rauchgasaustrittskanal 22 für den Durchfluss der erwärmten Rauchgase durch den Luftvorwärmer 10. Das Gehäuse 14 bildet auch einen Lufteintrittskanal 24 und einen Luftaustrittskanal 26 für den Durchfluss von Verbrennungsluft durch den Luftvorwärmer 10. Segmentplatten 28 verlaufen über das Gehäuse 14 und grenzen an die Oberseite und Unterseite des Rotors 12 an. Durch die Segmentplatten 28 wird der Luftvorwärmer 10 in ein Luftsegment und in ein Rauchgassegment aufgeteilt. Mit den Pfeilen in 1 wird die Richtung einer Rauchgasströmung 36 und einer Luftströmung 38 durch den Rotor 12 angezeigt. Der heiße Rauchgasstrom 36, der in den Rauchgaseintrittskanal 20 eintritt, überträgt Wärme auf die Einheiten von Wärmeübertragungselementen 40, die in den Taschen 17 montiert sind. Die erwärmten Einheiten von Wärmeübertragungselementen 40 werden dann zu dem Luftsegment 32 des Luftvorwärmers 10 gedreht. Anschließend wird die gespeicherte Wärme der Einheiten von Wärmeübertragungselementen 40 auf den Verbrennungsluftstrom 38 übertragen, der durch den Lufteintrittskanal 24 eintritt. Der kalte Rauchgasstrom 36 verlässt den Luftvorwärmer 10 über den Rauchgasaustrittskanal 22 und der erwärmte Luftstrom 38 verlässt den Luftvorwärmer 10 über den Luftaustrittskanal 26. 2 veranschaulicht eine typische Einheit oder einen Korb von Wärmeübertragungselementen 40, die eine allgemeine Darstellung von Wärmeübertragungsplatten 42 zeigt, die in der Einheit aufeinandergeschichtet sind.
3 beschreibt eine Ausführungsform der Erfindung mit Teilen von drei übereinander angeordneten Wärmeübertragungsplatten 44, 46 und 48. In diesem Ausführungsbeispiel aus 3 sind alle Wärmeübertragungsplatten im Grund identisch, wobei jede zweite Platte um 180° gedreht ist, so dass sich die dargestellte Konfiguration ergibt. Bei den Platten handelt es sich um dünne Blechplatten, die auf die gewünschte Konfiguration gewalzt oder gestanzt werden können. Jede Platte besitzt eine Reihe doppelbogiger Einkerbungen 50, die in einem Abstand zueinander angeordnet sind, und längs und parallel zur Fließrichtung der Wärmetauscherflüssigkeit durch den Rotor des Luftvorwärmers verlaufen. Diese Einkerbungen 50 halten aneinander angrenzende Platten in einem festgelegten Abstand voneinander entfernt und bilden die Strömungsdurchgänge zwischen den aneinander angrenzenden Platten. Jede doppelbogige Einkerbung 50 besitzt einen Bogen 52, der auf einer Seite von der Plattenoberfläche nach außen vorsteht und einen weiteren Bogen 54, der auf der anderen Seite von der Plattenoberfläche nach außen vorsteht. Jeder Bogen hat im wesentlichen die Form einer V-förmigen Rille, wobei die Spitzen 56 der Rillen in entgegengesetzte Richtungen von der Platte nach außen gerichtet sind. Wie in dieser 3 zu sehen ist, greifen die Spitzen 56 der Einkerbungen 50 in die angrenzenden Platten ein, so dass der Plattenabstand eingehalten wird. Wie auch schon gesagt wurde, sind die Platten so angeordnet, dass sich die Einkerbungen an einer Platte etwa auf halbem Wege zwischen den Einkerbungen an den angrenzenden Platten befinden, so dass ein maximaler Halt erzielt wird. Die Teilung der Einkerbungen 50, d. h. der Abstand zwischen den Einkerbungen, wird mit Pn bezeichnet.
Die Platten besitzen in den Abschnitten zwischen den Einkerbungen 50 jeweils Wellen oder Rillen 58. Diese Wellen 58 verlaufen zwischen aneinander angrenzenden Einkerbungen in einem Winkel zu den Einkerbungen, der mit Winkel Au bezeichnet ist. Wie in 3 gezeigt, verlaufen die Wellen an aneinander angrenzenden Platten in entgegengesetzter Richtung zueinander und in Richtung der Strömung der Flüssigkeit. Aus 3 geht auch hervor, dass die Platten 44, 46 und 48 identisch sind, wobei die Platte 46 gegenüber den Platten 44 und 48 lediglich um 180° gedreht ist. Dies bietet den Vorteil, dass nur eine Art von Platten hergestellt werden muss.
4 ist eine Rückansicht von einem Teil der Platten aus 3 mit den Einkerbungen 50, den Bögen 52 und 54 und den Wellen 58. Die Öffnung der Einkerbungen 50 ist der Abstand On von einer Spitze 56 zu einer Vertiefung 57. Die Öffnung der Wellen 58 ist der Abstand Ou von einer Spitze 58 zu einer Vertiefung 59. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die optimale thermische Leistungsfähigkeit und das reduzierte Volumen und Gewicht der Einheit von Wärmetauschelementen mit den Konfigurationsparametern innerhalb der folgenden Spannen erreicht: 0,5 > Ou/On > 0,3 Pn > 2 Zoll 40° > Au > 20°
5 ist ein Schaubild, das die Vorteile der Erfindung in Bezug auf einen der Konfigurationsparameter, nämlich das Verhältnis von Ou zu On, zeigt. Das Schaubild zeigt die Testergebnisse von Proben mit verschiedenen Ou/On-Verhältnissen. Außerdem zeigt das Schaubild den Unterschied zwischen Wellen, die an aneinander angrenzenden Platten parallel verlaufen, und Wellen, die an aneinander angrenzenden Platten im entgegengesetzten Winkel (gekreuzt) verlaufen.
Das Schaubild zeigt das Verhältnis von Volumen und Gewicht der Einheiten von Wärmetauscherelementen im Vergleich zu einem Grundvolumen und -gewicht in Abhängigkeit von dem Verhältnis von Ou zu On. Das Grundvolumen und -gewicht wird gemessen, wenn das Verhältnis Ou/On = 0,375 beträgt. Wie man sehen kann, steigen Volumen und Gewicht an, wenn das Verhältnis Ou/On von diesem Basispunkt abnimmt. Gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt die Untergrenze des Verhältnisses Ou/On 0,3, wobei Volumen und Gewicht immer noch innerhalb annehmbarer Grenzen liegen. Auch wenn eine Erhöhung im Verhältnis Ou/On zu günstigeren Volumen- und Gewichtsverhältnissen führte, wird die praktische Grenze der Höhe der Wellen im Vergleich zu der Öffnung der Einkerbungen bei einem Verhältnis von Ou/On = 0,5 erreicht. Andere Tests zeigen, dass sich der Wärmeübergangsfaktor (Coburn j Faktor) um ungefähr 47% erhöht, wenn das Verhältns Ou/On von 0,237 auf 0,375 erhöht wird.
Unter Verwendung der Parameter der vorliegenden Erfindung wird eine Wirbelströmung einschließlich Strudel und sekundärer Strömungbilder erzeugt. Die Verwirbelung prallt auf die Platten auf und steigert den Wärmeübergang. Die Verwirbelung dient auch dazu, die fließende Flüssigkeit zu vermischen, und eine gleichmäßigere Fließtemperatur zu liefern. Nachgelagert trifft die Wirbelströmung dann erneut auf die Platten. Durch dieses Aufprallen und Vermischen setzt sich die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit fort und verbessert sich, ohne dass sich der Druckabfall erhöht, was bei der gleichen Gesamtmenge an Wärmeübertragung zu einem geringeren Volumen und zu einem geringeren Gewicht der Einheiten führt.
6 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Platten 44 und 48 die gleichen sind wie die entsprechenden Platten in 3. Doch die Platte 60 in 6 unterscheidet sich von der Platte 46 in 3. Wie gezeigt, besitzen die Bögen 62 und 64 der Einkerbungen 66 in Platte 60 die umgekehrte Richtung wie die entsprechenden Bögen 52 und 54 in 3. Deshalb ist die Platte 60 nicht identisch mit den Platten 44 und 48, aber es gelten noch die gleichen Parameter der Erfindung und die Wellen an aneinander angrenzenden Platten verlaufen ebenfalls noch in die entgegengesetzten Richtungen.

Claims

Wärmeübertragungseinheit für einen Wärmetauscher mit einer Vielzahl erster wärmeaufnehmender Platten und einer Vielzahl zweiter wärmeaufnehmender Platten, die abwechselnd in einem Abstand zueinander übereinander angeordnet sind, so dass sie für den Durchfluss einer Wärmetauschflüssigkeit eine Vielzahl von Durchgängen zwischen aneinander angrenzenden ersten und zweiten Platten bieten, wobei die ersten und zweiten Platten jeweils folgendes besitzen a. eine Vielzahl von doppelbogigen Einkerbungen, die parallel und in einem Abstand Pn zueinander verlaufen, wobei jede jeweils einen ersten Bogen besitzt, der auf einer Seite der Platte nach außen vorsteht und einen zweiten Bogen besitzt, der auf der anderen Seite der Platte nach außen vorsteht, und wobei die Öffnung der Einkerbungen den Abstand On von der Spitze des Bogens auf der einen Seite zur Vertiefung des Bogens auf der anderen Seite bildet, wobei die Einkerbungen Abstandhalter zwischen aneinander angrenzenden Platten bilden; und b. eine Vielzahl von Wellen, die unter einem Winkel Au zwischen den Einkerbungen verlaufen, wobei diese Wellen eine Öffnung Ou von der Spitze einer Welle bis zur Vertiefung der angrenzenden Welle besitzen; und wobei das Verhältnis Ou/On größer als 0,3 und kleiner als 0,5 ist, Pn größer als zwei Zoll und Au größer als 20° und kleiner als 40° ist, so dass die thermische Leistungsfähigkeit optimiert und das Volumen und das Gewicht der Wärmeübertragungseinheiten minimiert wird, und wobei die Wellen an aneinander angrenzenden Platten gegenüber den Einkerbungen unter entgegengesetzten Winkeln verlaufen.