KR100445821B1 - 열 및 물질 전달 요소 조립체 - Google Patents

Abstract

회전 재생식 공기 예열기(10)용 열 전달 조립체(40)는 유동로(44)를 형성하기 위해 플레이트들(42)을 떨어지게 공간을 두기 위한 수단(46)을 포함하는 열 전달 플레이트들(42)과 상기 유동로를 가로질러서 연장하는 복수의 V형 리브들(48, 50)의 열들을 갖는다. 각 플레이트(42) 상의 V형 리브들(48, 50)의 열들은 교대로 상기 플레이트(42)의 대향면으로부터 외향으로 돌출한다. 상기 한 플레이트(42) 상의 리브들(48, 50)을 인접한 플레이트(42) 상의 리브들(48, 50)과 정렬시키기 위한 몇 가지 정렬은 각 플레이트(42) 상에서 리브들(48, 50)의 인접한 열들을 교대로 배향시키는 것으로 기술되어 있다. 상기 플레이트(42) 공간에 대한 리브들(48, 50)의 높이(h)의 관계는 상기 리브 높이(h)에 대한 리브 공간 및 V형 리브 부분들의 길이(2W)에 대한 플레이트 공간(H)의 관계로 되게 한정된다.

Description

열 및 물질 전달 요소 조립체{Heat and mass transfer element assembly}

본 발명을 특별히 적용하기 위한 열 교환 장치들 중 하나의 형식으로는 회전 재생식 가열기가 널리 공지되어 있다. 통상적인 회전 재생식 가열기는 격실들로 분할된 원통형 로터를 갖고, 상기 격실들은 로터가 회전할 때 가열 가스의 흐름에 대해, 및 상기 로터의 회전에 따라 가열될 냉각 공기 또는 다른 가스 유체들의 흐름에 대해 교대로 노출되는 이격된 열 전달 플레이트들이 배치되어 지지된다. 열 전달 플레이트들이 가열 가스에 노출되면, 그들은 그들로부터 열을 흡수한 다음, 가열되어야 하는 냉각 공기 또는 다른 가스 유체에 노출될 때, 상기 열 전달 플레이트들에 의해 가열 가스로부터 흡수된 열은 냉각 가스로 전달된다. 이러한 형식의 대부분의 열 교환기들은 이격된 관계로 밀접하게 적층된 열 전달 플레이트들을 갖고 그들 사이에 열 교환 유체를 유동시키기 위해 인접한 플레이트들 사이에 다수의 유동로를 제공한다.

그와 같은 열 교환기에 있어서, 소정 크기의 열 교환기의 열 전달 능력은 열 교환 유체와 플레이트 구조체 사이에서의 열 전달률에 의해 결정된다. 그러나, 상업용 장치에 대하여, 상기 장치의 실용성은 얻어진 열 전달 계수에 의해서만 결정될 뿐만 아니라, 플레이트 구조체의 가격 및 중량과 같은 다른 요인들에 의해서도 영향을 받는다. 이상적으로는, 상기 열 전달 플레이트는 상기 열 교환 유체로부터 플레이트로 열 전달을 증가시키기 위해 그들 사이의 유동로를 통해서 유동하는 커다란 난류를 야기시키고, 동시에 상기 유동로들 사이로의 유동에 대해 비교적 낮은 저항을 제공하며, 또한 용이하게 청소할 수 있는 표면 형상을 갖는 것이다.

상기 열 전달 플레이트를 청소하기 위해, 표면으로부터 어떠한 미립자 적층물들을 제거하여 이들을 멀리 운반하기 위해 적층된 열 전달 플레이트들 사이의 유동로들을 통해 고압 공기 또는 증기의 블래스트(blast)를 분배하여 비교적 청결한 표면을 남기는 슈트 블로워(soot blower)를 제공하는 것이 일반적이다. 이와 같은 청소 방법이 갖는 한가지 문제점은 설계상 열 전달 플레이트들의 적층 조립체에 일정한 구조적 강성이 부여되지 않는 한, 비교적 얇은 열 전달 플레이트들상에 매체를 송풍하는 고압력으로 인해 상기 플레이트상에 균열을 초래한다는 것이다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 한가지 해결책으로서는, 플레이트로부터 일 방향으로 멀리 연장하는 하나의 로브(lobe)와 플레이트로부터 다른 방향으로 멀리 연장하는 다른 로브를 갖는 이중 로브 노치들(double-lobed notch)을 제공하기 위해 일정한 간격으로 개별 열 전달 플레이트들을 주름지게 하는 것이다. 그 경우, 상기 플레이트들이 열 전달 요소 조립체를 형성하기 위해 함께 적층될 때, 이들 노치들은 슈트 블로워 작업 중에 상기 플레이트상에 가해지는 힘이 열 전달 요소 조립체를 구성하는 다양한 플레이트들 사이에서 평형을 이룰 수 있도록 인접한 플레이트들을 유지하기 위해 작용한다.

이러한 형태의 열 전달 요소 조립체는 미국 특허 제4,396,058호에 개시되어 있다. 상기 특허에서, 노치들은 일반적으로 열 교환 유체 유동 방향으로, 즉, 로터를 통해서 축선 방향으로 연장한다. 상기 노치들에 부가하여, 플레이트들은 열 교환 유체의 유동에 대해 예각으로 상기 노치들 사이를 연장하는 일련의 경사 주름(furrows) 또는 파동(undulations)을 제공하기 위해 주름지게 된다. 상기 인접한 플레이트들상의 파동은 정렬된 방식으로 또는 서로 대향하게 유동 라인에 대해 경사지게 연장한다. 비록, 그와 같은 열 전달 요소 조립체가 양호한 열 전달률을 나타낼지라도, 그 결과는 노치들과 파동들의 특정 설계 및 관계에 의거하여 폭넓게 변화할 수 있다.

본 발명은 압력 강하를 증가시키는 것과 비교하여 개선된 전달 레벨을 제공하는 열 및 물질 전달 플레이트들의 조립체에 관한 것이다. 특히, 상기 조립체는 인접한 플레이트들 사이의 공간으로 유동하는 가스 흐름을 갖고, 이에 의해 열은 상기 플레이트들과 유체 사이로 전달되며 및/또는 상기 유체는 상기 플레이트들에 의해 촉매 작용을 받아서 유체 내의 물질 전달을 실행한다. 특히, 상기 조립체는 회전 재생식 공기 예열기에서의 열 전달을 위해 또는 플레이트들 위로 유동하는 연도 가스 흐름에서 NO_X를 감소시키기 위해 촉매를 지지하기 위한 기판을 위해 사용된다.

도 1은 열 전달 플레이트들로 만들어진 열 전달 요소 조립체를 포함하는 종래의 회전 재생식 공기 예열기의 사시도.

도 2는 상기 조립체에 적층된 열 전달 플레이트들을 도시하는 종래의 열 전달 요소 조립체의 사시도.

도 3은 노치들과 V형 리브들의 공간(간극)을 도시하는 본 발명에 따른 열 전달 요소 조립체를 위한 3개의 열 전달 플레이트들의 일부를 도시한 사시도.

도 4는 상기 V형 리브들의 방위와 치수를 도시하는 도 3의 플레이트들 중 하나의 평면도.

도 5는 상기 V형 리브들의 관계와 함께 적층된 도 4의 플레이트들중 2개의 평면도.

도 6은 통상적인 V형 리브 설계의 단면도.

도 7은 본 발명의 변형 예를 도시하는 도 4와 유사한 도면.

도 8은 본 발명의 다른 변형 예를 도시하는 부분 절단된 상부 플레이트를 갖는 2개의 플레이트들의 평면도.

본 발명의 목적은 감소된 용적과 중량을 갖는 조립체에 소정 레벨의 열 전달 및 압력 강하를 제공하기 위해 열적 성능을 최적합화하는 개량된 열 전달 요소 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 열 전달 요소 조립체의 열 전달 플레이트들은 유동로를 형성하기 위해 상기 플레이트들을 이격된 공간에 배치하기 위한, 예를 들어 길이방향 이중 로브 노치들과 같은 수단을 갖는다. 상기 플레이트들은 길이방향 와류들을 생성하기 위해 정렬된 유동로에서 각 측부상에 다중 V형 리브들을 가지며, 리브 매개 변수에 관한 플레이트 공간의 특정 범위와 함께 최적의 열적 성능을 생성한다.

도면중 도 1을 참조하면, 종래 회전 재생식 예열기는 전체적으로 참조 부호 10으로 표시하였다. 상기 공기 예열기(10)는 하우징(14)에 회전 가능하게 장착된 로터(12)를 갖는다. 상기 로터(12)는 로터 포스트(18)로부터 로터(12)의 외주부까지 방사방향으로 연장하는 다이아프램들 또는 격벽들(16)로 형성되어 있다. 상기 격벽들(16)은 이들 사이에 열 교환 요소 조립체들(40)을 수용하기 위한 격실들(17)을 한정한다.

상기 하우징(14)은 공기 예열기(10)를 통해서 고온 연도 가스의 유동을 위한 연도 가스 입구 덕트(20) 및 연도 가스 출구 덕트(22)를 한정한다. 상기 하우징(14)은 또한 상기 예열기(10)를 통해 연소 공기의 유동을 위한 공기 입구 덕트(24) 및 공기 출구 덕트(26)를 한정한다. 섹터 플레이트들(sector plates ; 28)은 상기 로터(12)의 상하부 면에 인접한 하우징(14)을 가로질러 연장한다. 상기 섹터 플레이트들(28)은 공기 예열기(10)를 공기 섹터와 고온 연도 가스 섹터로 분할한다. 도 1의 화살표는 상기 로터(12)를 통한 연도 가스 흐름(36)과 공기 흐름(38) 방향을 나타낸다. 상기 연도 가스 입구 덕트(20)를 통해 유입되는 고온 연도 가스 흐름(36)은 상기 격실들(17)에 장착된 열 전달 요소 조립체들(40)에 열을 전달한다. 상기 가열된 열 전달 요소 조립체들(40)은 공기 예열기(10)의 공기 섹터(32)로 회전된다. 그 다음에, 상기 열 전달 요소 조립체들(40)의 축열은 공기 입구 덕트(24)를 통해 유입되는 연소 공기 흐름(38)에 전달된다. 냉각된 연도 가스 흐름(36)은 상기 연도 가스 출구 덕트(22)를 통해서 공기 예열기(10)를 빠져나가고, 상기 가열된 공기 흐름(38)은 공기 출구 덕트(26)를 통해서 상기 공기 예열기(10)를 빠져나간다. 도 2는 조립체에 적층된 열 전달 플레이트들(42)의 일반적인 개념을 도시하는 통상적인 열 전달 요소 조립체 또는 바스켓(40)을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따라 형성된 3개의 열 전달 플레이트(42)의 사시도이다. 상기 플레이트들은 그들 사이에 복수의 유동로들(44)을 제공하기 위해 이격된 관계로 적층된다. 상기 유동로들(44)은 상기 플레이트들에 열 교환을 제공하기 위해 열 교환 유체를 위한 유동로를 제공한다. 각 플레이트(42)는 편평하고, 종래 기술에 공지된 바와 같이 소정 거리 이격하여 인접한 플레이트들을 유지시키기 위한 스페이서인 복수의 평행하게 공간적으로 이격된 노치들(46)을 포함한다. 상기 노치들(46)은 플레이트의 표면으로부터 대향으로 외향을 향해 돌출하는 로브들(47)을 갖는 이중 로브 노치들을 만들기 위해 상기 플레이트들을 주름지게 함으로써 형성된다. 그 공간을 유지하기 위해 인접한 플레이트와 접촉하는 로브들의 정점이 있다. 그와 같은 노치들은 예를 들면 미국 특허 제4,396,058호에 개시되어 있다. 비록 도 3이 상기 플레이트들을 공간적으로 이격시키기 위한 이중 로브 노치들(46)을 설명하고 있을지라도, 본 발명은 이와 같은 특정 스페이서들에 한정되지 않는다. 어떤 형태의 공간 수단도 본 발명에 사용될 수 있다. 또한, 비록 도 3이 인접한 플레이트들상에 엇갈리게 배치되는 상기 노치들(46)을 도시할지라도, 그와 같은 엇갈린 배치는 다른 형상의 스페이서에서는 필요하지 않을 수도 있다.

본 발명에 따르면, 상기 플레이트들(42)에는 각 플레이트의 평탄면들로부터 대향하게 돌출하고, 플레이트들을 일 측면에서 다른 측면까지 가로질러 연장하고 유동 방향과 수직으로 노치들 사이로 연장하는 다중 V형 리브들(48, 50)이 형성된다. 각 리브는 플레이트의 한쪽 평탄면상의 돌출부로서, 또한 상기 플레이트의 대향하는 평탄면상의 관입부(intrusion) 또는 오목부로서 나타난다. 상기 다중 V형 리브 패턴은 후술하는 선택된 피치(간극)(Pr)로 일단부로부터 타단부까지 유동 방향으로 반복된다. 2개의 돌출 리브들 사이에는 상기 플레이트의 다른 측면 상에 다중 V형 리브 패턴을 제공하는 관입 리브가 있다. 이러한 것은 도 3에 도시되어 있고, 이 도 3에서 상기 리브들(48)은 플레이트로부터 상향으로 연장하고 상기 리브들(50)은 하향으로 연장하고 있다. V형 리브들의 각 열은 V를 형성하는 일반적으로 2개의 직선 부분을 각각 포함하는 일련의 V형 리브 부분들로 구성되어 있다. 도 3에, 및 후술하는 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인접한 열들의 V형 리브 부분들은 반대 방향으로 배향되어 있다.

도 4는 단일 플레이트의 일 측면의 개략 평면도를 도시하고, 이 도면에서 상향으로 돌출하는 리브들(48)이 실선으로 표시되고, 하향으로 돌출하는 리브들(50)이 점선으로 표시되어 있다. 도 5는 2개의 적층된 플레이트들을 도시하며, 상기 플레이트들 모두가 동일하고, 하나의 플레이트상의 리브가 인접한 플레이트상의 리브들과 정렬되어 적층되는 것을 도시하고 있다. 도 6은 상기 리브들의 적합한 형상과 기본적인 치수를 나타내는 도 4의 6-6 선을 따라 절취한 리브의 단면도이다. 본 발명에 따른 기본적인 기하학적 매개 변수는 도 3, 도 4, 및 도 6에 도시되어 있으며, 다음과 같다:

플레이트 간극 = H

리브 높이 = h

리브 반경 = r

리브의 상대적 높이 = h/H

노치들의 피치 = Pn

리브들의 피치 = Pr

리브의 상대적 피치 = Pr/h

리브 각도 = θ

V형 리브 길이 = 2W

어스펙트비 = W/H

본 발명에 따른 가장 적합한 매개 변수와 비율에 대한 범위는 다음과 같다:

0.1 ≤ h/H ≤ 0.4

8 ≤ Pr/h ≤ 50

15° ≤ θ ≤ 45°

V형 리브들의 열들의 V 부분(section)에 대한 각각의 길이(2W)는 플레이트 분리(간극)(H)의 함수이다. 본 발명의 범위는 다음과 같다:

0.5H ≤ W ≤ 4H

이상적으로는, W가 H와 동일하다. 통상적인 구조의 하나의 특정 예로서, 상기 치수들은 다음과 같다:

H = 6㎜

Pr = 30㎜

Pr/H = 5

θ = 45°

h = 0.6㎜

h/H = 0.1

W = 6㎜

W/H = 1.0

Pr/h = 50

본 발명에 있어서, 상기 다중 V형 리브들은 압력 강하를 다소 증가시켜도 평균 열전달의 현저한 증가를 제공하는 일련의 평행한 길이방향 와류를 확립시킨다. 상기 길이방향 와류는 상기 플레이트들 사이의 채널들을 통한 평균 유동과 정렬되는 회전 축선을 갖는다. 그 결과로, 상기 회전 축선으로부터 떨어져서 재치된 지점에서의 유체 속도는 평균 유동 방향에 대한 각도를 갖는다. 이러한 평행한 와류를 존재시키기 위해, 인접한 와류들은 반대 방향으로 회전해야만 한다. 그렇지 않다면, 상기 와류들은 그 회전 축선의 중간의 평면에서 서로에 대해 작용한다. 종래의 플레이트 설계는 각 플레이트면에서 난류를 생성하나, 유용한 유동 패턴을 생성하기 위해 양쪽 플레이트들상에서의 유체 작용을 결합하는 플레이트의 기하학적 형상의 특별한 설계는 존재하지 않는다.

본 발명의 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있으며, 이 실시예에서 리브들은 V형의 정점에서 불연속적이며, 따라서 V형 리브들(48, 50) 각각의 부분 사이에 갭(52)을 제공한다. 상기 제조 방법에서, 상기 갭들은 다중 V형 리브들이 형성될 때 금속에 있어서 변형을 덜 받게 한다. 또한, 상기 갭들(52)은 노치들(46)을 위한 위치 결정 지점을 제공함으로써 주 가스 유동에 수직한 방향으로 적층된 열 전달 플레이트들(42)을 정렬하기 위해 사용될 수 있다. 다른 실시예가 도 8에 도시되어 있으며, 이 실시예에서 상기 돌출 리브들(50)의 패턴은 도 3, 도 4 및 도 7에서와 같이 역전 또는 뒤집히기 보다는 오히려 상기 플레이트상의 돌출 리브들(48)의 패턴과 동일하게 배향되어 있다. 비록 상기 모든 플레이트들이 동일할지라도, 플레이트들은 하나씩 상기 플레이트의 평면에서 180° 회전되고, 그 결과 도 8에서 2개의 플레이트에 의해 도시된 구성으로 초래된다. 도시된 바와 같이, 상기 2개의 플레이트중 아래쪽의 위로 돌출하는 리브들의 열들은 V의 열들이 180°뒤집힌 것을 제외하고는, 상부 플레이트의 위로 돌출하는 리브들의 열들과 본질적으로 정렬된다. 이와 같은 패턴은 도 3 및 도 4에 도시된 구조보다도 단위 압력 강하 당 열 전달 성능을 양호하게 향상시킨다. 그 이유는 하나의 플레이트상의 리브의 골이 상기 플레이트상의 상류 및 하류에서 인접한 리브들과 정렬되고, 따라서 압력 강하가 작아지게 되기 때문이다. 그 단점은 연속 회전 방법으로 제조된 플레이트들이 단지 서로의 상부에 적층될 수 없다는 것이다. 모든 다른 플레이트는 적층되기 전에 180° 회전되어야만 한다.

Claims (9)

1. 각각 측부들과 단부들 및 2개의 대향 평탄면을 갖고 이격된 관계로 적층되며 이에 의해 열 교환 유체를 이들 사이에서 일 단부로부터 다른 단부까지 유동시키기 위해 인접한 플레이트들(42) 사이에 복수의 유동로를 제공하는 복수의 열 흡수 플레이트들(42)을 포함하고, 상기 플레이트들(42) 각각은 상기 대향 평탄면들 중 적어도 하나로부터 연장하며 상기 인접한 플레이트들(42)을 결합하고 상기 플레이트들(42)을 거리 H 만큼 떨어지게 공간(간극)을 두고서 유지하기 위한 스페이서(46)를 형성하는 수단을 갖는, 회전 재생식 열 교환기(10)용 열 전달 조립체에 있어서,

   상기 플레이트들(42) 각각은 상기 플레이트들(42) 상에서 일 측면으로부터 다른 측면까지, 상기 스페이서들(46) 사이에서 유동 방향에 수직으로 연장하는 복수의 이격된 V형 리브들(48, 50)의 열들(row)을 가지며, 상기 각각의 열이 일련의 V형 리브 부분들을 포함하고,

   상기 리브 부분들은 상기 평탄면들중 하나로부터 플레이트 공간(간극)(H)보다 작은 리브 높이(h)로 돌출하며, 상기 복수의 열들의 인접한 열들은 상기 플레이트(42)의 대향하는 평탄면들로부터 돌출하고, 상기 이격된 V형 리브들의 열들은 피치 Pr로 일단부로부터 타단부까지 유동 방향으로 반복되며, h/H 비율의 범위는 0.1 내지 0.4이고, Pr/h 비율의 범위는 8 내지 50이며, 상기 V형 리브들(48, 50)의 열들의 각각의 V-부분의 길이는 2W이고, 상기 W와 H의 관계는 0.5H < W < 4H인 것을 특징으로 하는 회전 재생식 열 교환기용 열 전달 조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 일 측면으로부터 다른 측면까지의 방향에 대한 상기 리브 부분들의 각도는 15° 내지 45°인 것을 특징으로 하는 회전 재생식 열 교환기용 열 전달 조립체.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트(42) 각각의 상기 복수의 열들의 인접한 열들의 상기 일련의 V형 리브 부분들은 반대 방향으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 재생식 열 교환기용 열 전달 조립체.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 복수의 플레이트들은 동일하고, 상기 플레이트들(42)은 적층되며, 이에 의해 인접한 플레이트들(42)의 상기 열들은 서로 정렬되고, 상기 정렬된 열들은 상기 인접 플레이트들(42)로부터 동일한 방향으로 돌출하는 것을 특징으로 하는 회전 재생식 열 교환기용 열 전달 조립체.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 V형 리브 부분 각각은 V형을 형성하는 2개의 직선 부분을 포함하고, 상기 V형 리브 부분들 사이와 상기 직선 부분들 사이에서 상기 V형 리브들의 열들에서 갭들(52)을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 재생식 열 교환기용 열 전달 조립체.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 복수의 열들의 인접한 열들의 상기 일련의 V형 리브 부분들은 동일한 방향으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 재생식 열 교환기용 열 전달 조립체.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 플레이트들(42)은 동일하고, 상기 인접한 플레이트들(42)은 180° 회전하며, 이에 의해 상기 인접한 플레이트들(42)의 V형 리브 부분들은 대향 방향으로 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 재생식 열 교환기용 열 전달 조립체.
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