KR20010090870A - 열전달 부재 조립체 - Google Patents

Abstract

회전 재생 공기 예열기(10)의 열전달 부재 조립체의 열적 성능은 감소된 체적과 중량으로 소정 레벨의 열전달 및 압력 강하를 제공하도록 최적화된다. 조립체(50)내의 열전달판(44, 46, 48)은 판 간격을 유지하기 위한 노치(50)와 이들 노치(50) 사이의 경사 파형부(58)를 구비한다. 인접하는 판(44, 46, 48) 상의 파형부(58)는 반대의 경사각으로 연장된다. 노치(50)의 개구에 대한 파형부(58)의 개구의 비율은 2인치 이상이며 노치(50)에 대한 파형부(58)의 각도는 20°이상 40°이하이다.

Description

열전달 부재 조립체{Heat transfer element assembly}

본 발명이 특별히 적용되는 열교환기 장치의 한가지 형태는 공지되어 있는 회전 재생식 히터이다. 통상적인 회전 재생식 히터는 구획으로 구분되는 원통형 로터를 가지며, 상기 구획내에는 이격된 열전달판이 배치되어 지지되고, 상기 열전달판들은 로터가 회전함에 따라 번갈아 가열 가스의 스트림에 노출되며 로터의 회전시에는 찬 공기나 기타 가열되어야 할 기체상 유체의 스트림에 노출된다. 열전달 판은 가열 가스에 노출되어 있으므로 그로부터 열을 흡수하고 이후 찬 공기나 기타 가열되어야 할 기체상 유체에 노출되었을 때는 열전달판에 의해 가열 가스로부터 흡수된 열이 냉각 가스로 전달된다. 이러한 형태의 대부분의 열교환기는 인접하는 판 사이로 열교환 유체가 흐르도록 상기 인접 판 사이에 다수의 통로를 제공하기위해 이격 관계로 밀접하게 적층된 열전달판을 구비한다.

이러한 열교환기에서, 소정 크기의 열교환기의 열전달 능력은 열교환 유체와 판 구조물 사이에서의 열전달율의 함수이다. 그러나 상업적 장치에 있어서, 장치의 용도는 얻어지는 열전달계수에 의해서만이 아니라 판구조물의 중량이나 비용과 같은 다른 요인에 의해서도 결정된다. 이상적으로, 상기 열교환 판들은 열교환 유체로부터 판으로의 열전달을 증대시키기 위하여 그 사이의 통로를 통해서 고난류성 유동을 유도하는 동시에, 상기 통로 사이의 유동에 대해 비교적 낮은 저항을 제공하고 또한 쉽게 세척될 수 있는 표면 형상을 제공할 것이다.

열교환 판을 세척하기 위해서는, 적층된 열전달판 사이의 통로를 통해 고압 공기 또는 스트림의 블라스트를 사출하여 그 표면으로부터 일체의 입자 적층물을 제거하고 이들을 옮겨내어 비교적 깨끗한 표면을 만들어내는 그을음 송풍기(soot blowers)를 제공하는 것이 일반적이었다. 이러한 세척 방법이 안고 있는 한가지 문제점은, 특정한 양의 구조적 강성이 열전달판의 스택 조립체에 설계되어 있지 않으면 비교적 얇은 열전달판상의 고압 송풍 매체의 힘이 판의 균열(cracking)을 초래할 수 있다는 것이다.

이러한 문제점에 대한 한가지 해결책은 판으로부터 일방향으로 멀리 연장되어가는 하나의 로브(lobe)와 상기 판으로부터 반대방향으로 멀리 연장되어가는 다른 하나의 로브를 갖는 이중 로브형 노치를 제공하도록 열전달판 각각을 일정 간격으로 주름형성하는 것이다. 이후 판이 적층되어 열전달 부재 조립체를 형성할 때 상기 노치들은, 그을음 송풍 작업중에 열전달 부재 조립체를 구성하는 판위에 놓이는 힘들이 다양한 판 사이에서 동등해질 수 있도록 인접하는 판들을 유지하는 역할을 한다.

이러한 형태의 열전달 부재 조립체가 미국 특허 제 4,396,058호에 개시되어있다. 상기 특허에서, 노치는 일반적인 열교환 유체 유동의 방향으로, 즉 축방향으로 로터를 통해 연장된다. 상기 노치에 추가적으로, 판은 열교환 유체의 유동에 대해 예각으로 노치 사이에서 연장되는 일련의 경사진 고랑 또는 파형부(furrows or undulations)를 제공하도록 주름진다. 인접하는 판들 상의 파형부는 유동 라인에 대해 경사져서 상호 정렬 방식으로 또는 대향하여 연장된다. 이러한 열전달 부재 조립체가 양호한 열전달율을 나타내지만, 그 결과는 노치 및 파형부의 특정한 설계 및 관계에 따라 광범위하게 달라질 수 있다.

본 발명은 열전달 부재 조립체에 관한 것으로, 특히 열교환기용 열흡수판의 조립체로서 상기 판에 의해 열이 고온 열교환 유체로부터 저온 열교환 유체로 전달되는 열흡수판 조립체에 관한 것이다. 보다 상세히 말하면, 본 발명은 회전 재생형 열전달 장치용으로 사용하기에 적합한 열교환 부재 조립체로서, 고온의 기체상 열교환 유체와 접촉되어 가열된 후 저온의 기체상 열교환 유체와 접촉되어 그 열을 빼앗기게 되는 열교환 부재 조립체에 관한 것이다.

도 1 은 열전달판으로 구성된 열전달 부재 조립체를 포함하는 종래의 회전 재생식 공기 예열기의 사시도이다.

도 2 는 조립체내에 적층된 열전달판을 도시하는 종래의 열전달 부재 조립체의 사시도이다.

도 3 은 노치의 간격과 파형부의 각도를 도시하는 본 발명에 따른 열전달 부재 조립체용 세개의 열전달 판의 부분의 사시도이다.

도 4 는 노치 및 파형부의 상대적 개구를 도시하는 도 3 의 판중 하나의 단부면도.

도 5 는 기준점에 대한, 열전달 부재 조립체의 체적 및 중량의 비율의 변화를, 일정한 열전달 및 압력강하용 노치 개구에 대한 파형부 개구의 비율의 함수로서 도시하는 그래프이다.

도 6 은 본 발명의 변형예를 도시하는 도 3 과 유사한 도면.

본 발명의 목적은 체적 및 중량이 감소된 조립체에 소정 레벨의 열전달 및 압력 강하를 제공하도록 열성능이 최적화되는 개량된 열전달 부재 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 열전달 부재 조립체의 열전달판은 노치들 사이에 종방향의 양방향 돌출된(bilobed) 노치와 경사 파형부를 가지며 여기서 열적 성능은 파형부에 의해 제공되는 개구대 노치에 의해 제공되는 개구의 비율과, 상기 노치 사이의 간격과, 파형부와 노치 사이의 각도에 대해 특정한 범위를 제공함으로써 최적화된다. 인접하는 판들 상의 파형부는 서로에 대해 그리고 유체 유동 방향에 대해 반대 방행으로 연장된다.

도 1 을 참조하면, 종래의 회전식 재생 예열기는 도면부호 10 으로 지칭된다. 상기 공기 예열기(10)는 하우징(14)에 회전가능하게 장착되는 로터(12)를 구비한다. 상기 로터(12)는 로터 포스트(18)에서 로터(12)의 외주로 반경방향 연장되는 다이아프램 또는 격벽(partitions)(16)으로 형성된다. 상기 격벽(16)은 그 사이에 격실(compartments)(17)을 형성하는 바 이는 열교환 부재 조립체(40)를 수용하기위한 것이다.

상기 하우징(14)은 가열된 연도 가스가 공기 예열기(10)를 통과해 유동하도록 연도 가스 유입관(20)과 연도 가스 유출관(22)을 형성한다. 상기 하우징(14)은 추가로 연소 공기가 예열기(10)를 통해 유동하도록 공기 유입관(24)과 공기 유출관(26)을 형성한다. 섹터 플레이트(18)는 로터(12)의 상면과 하면에 인접하여 하우징(14)을 가로질러 연장된다. 섹터 플레이트(18)는 공기 예열기(10)를 에어 섹터와 연도 가스 섹터로 분할한다. 도 1 의 화살표는 로터(12)를 통한 연도 가스 스트림(36)과 공기 스트림(38)의 방향을 도시한다. 연도 가스 유입관(20)을 통해 진입하는 고온 연도 가스 스트림(36)이 열을 격실(17)에 장착된 열전달 부재 조립체(40)에 전달한다. 가열된 열전달 부재 조립체(40)는 이후 공기 예열기(10)의 에어 섹터(32)로 회전된다. 열전달 부재 조립체(40)의 저장된 열은 이후 공기 유입관(24)을 통해서 진입하는 연소 공기 스트림(38)으로 전달된다. 차가운 연도 가스 스트림(36)은 연도 가스 유출관(22)을 통해서 예열기(10)를 빠져나가고 가열된 공기 스트림(38)은 공기 유출관(26)을 통해서 예열기(10)를 빠져나간다. 도 2 는 조립체내에 적층된 열전달 판(42)을 일반적으로 도시하는 통상적인 열전달 부재 조립체 또는 바스켓(40)의 도시도이다.

도 3 은 세개의 적층된 열전달판(44, 46, 48)의 부분을 도시하는 본 발명의 일 실시예를 나타낸다. 도 3 의 실시예에서, 모든 열전달 판은 기본적으로 도시된 형상을 만들어내도록 180°회전되는 모든 판과 동일하다. 이들 판은 소정 형상으로 롤링되거나 스탬핑될 수 있는 얇은 판금이다. 각각의 판은 일정 간격으로 이격되어 있는 일련의 양방향 돌출된 노치(50)를 가지며, 이들 간격은 공기 예열기의 로터를 통해서 열교환 유체의 유동 방향에 대해 평행하게 종방향으로 연장된다.이들 노치(50)는 인접하는 판들을 소정 간격으로 이격 유지하고 인접하는 판 사이에 유로를 형성한다. 각각의 양방향 돌출된 노치(50)는 그 일측에 상기 판의 표면으로부터 외측으로 돌출되는 하나의 로브(52)를 포함하고 그 타측에 상기 판의 표면으로부터 외측으로 돌출되는 다른 로브(54)를 포함한다. 각각의 로브는 반드시 판으로부터 반대방향으로 외측을 향하는 홈의 정점(56)을 갖는 V형 홈의 형태여야 한다. 도 3 에서 볼수 있듯이, 노치(50)의 정점(56)은 판 간격을 유지하도록 인접하는 판들을 결합한다. 또한, 알 수 있듯이, 판들은 하나의 판 상의 노치가 최대 지지를 위해 인접하는 판상의 노치 사이의 대략 중간에 위치하도록 배치된다. 노치(50)의 피치, 즉 노치 사이의 거리는 Pn 으로 지칭된다.

상기 판은 각각 파형부 또는 주름부(58)를 노치(50) 사이의 섹션에 구비한다. 이들 파형부(58)는 인접한 노치 사이에서 각도 Au 로 지칭되는 노치에 대한 각도로 연장된다. 도 3 에 도시되어 있듯이, 인접하는 판상의 파형부는 서로에 대해 그리고 유체 유동방향에 대해 반대방향으로 연장된다. 또한 상기 도 3 으로부터는, 판(44, 46, 48)들이 상호 동일하고 판(46)만이 판(44, 48)으로부터 180°회전함을 알 수 있다. 이는 한가지 형태의 판 만이 제조될 필요가 있다는 장점이 된다.

도 4 는 노치(50), 로브(52, 54), 파형부(58)를 도시하는 도 3 의 판중 하나의 판의 단부면 도시도이다. 상기 노치(50)의 개구는 정점(56)으로부터 밸리(57)까지의 거리(On)이다. 상기 파형부(58)의 개구는 정점(58)으로부터 밸리(59)로의 거리(Ou)이다. 본 발명에 따르면, 최적의 열적 성능과 감소된 열교환 부재 조립체체적 및 중량이 아래의 범위에서 형상(configuration) 파라미터로 달성된다 :

0.5 > Ou/On > 0.3

Pn > 2 인치(5.08 cm)

40°> Au > 20°

도 5 는 상기 형상 파라미터중 하나인 Ou 대 On 의 비율에 관한 본 발명의 장점을 도시하는 그래프이다. 상기 그래프는 다양한 Ou/On 비율을 갖는 샘플의 테스트 결과를 도시한다. 또한 상기 그래프는 인접한 판 상에서 평행한 파형부와 인접하는 판상에서 대향 각도로 위치하는(교차하는) 파형부 사이의 차이를 도시한다.

상기 그래프는 기초 체적 및 중량에 대비되는 열교환 부재 조립체의 체적비와 중량비를 Ou 대 On 비율 함수로 도시한다. 상기 기초 체적 및 중량은 Ou/On = 0.375 로 설정된다. 알 수 있듯이, Ou/On 비율은 상기 기준점(base point)으로부터 감소할때 체적 및 중량은 증가한다. 본 발명에 따르면, Ou/On 비율의 하한선은 0.3 이며, 여기서 체적과 중량은 여전히 허용 한계 이내에 있다. Ou/On 비율의 증가가 보다 양호한 체적 및 중량 비율을 생성하지만, 노치의 개구에 대한 파형부의 높이의 실제적인 한계는 Ou/On = 0.5 에 도달된다. 다른 테스트에 의하면 Ou/On 이 0.237 내지 0.375 로 증가하면 열전달 팩터(Coburn j 팩터)가 대략 47 % 증가하는 것을 나타낸다.

본 발명의 파라미터를 사용하면, 속도 및 2차 유동 패턴을 포함하는 와류(swirl flow)가 발생된다. 이러한 유동은 판에 충돌되어 열전달을 증진시킨다. 상기 와류는 또한 유동 유체를 혼합하고 보다 균일한 유동 온도를 제공하는작용을 한다. 상기 와류는 이후 판을 다시 하류 스트림쪽으로 충격을 가한다. 이러한 충돌 및 혼합 과정은 계속되어서 압력 강하의 증가 없이 열전달율을 증가시키고, 그 결과 전달되는 전체 열의 동일한 양에 대해 조립체의 체적 및 중량이 감소된다.

도 6 은 판(44, 48)이 도 3 에서의 대응 판과 동일한 본 발명의 변형예를 도시한다. 그러나, 도 6 에서의 판(60)은 도 3 에서의 판(46)과 상이하다. 도시되었듯이, 판(60)에서의 노치(66)의 로브(62, 64)는 도 3 에서의 대응 로브(52, 54)와 방향이 반대이다. 따라서, 판(60)은 판(44, 48)과 동일하지 않지만 본 발명의 동일 파라미터는 여전히 적용되며 인접한 판들상의 파형부는 여전히 반대 방향으로 연장된다.

Claims (1)

1. 이격 관계로 교대로 적층되는 다수의 제 1 열흡수성 판과 다수의 제 2 열흡수성 판을 포함하고, 인접하는 제 1 및 제 2 판의 사이에 열교환 유체가 유동하기 위한 다수의 통로를 제공하는, 열교환기용 열전달 조립체로서,

   상기 제 1 및 제 2 판 각각은,

   (a) 서로에 대해 평행하게 연장되고 거리 Pn 만큼 이격되며 인접하는 판 사이에 스페이서를 형성하는 다수의 양방향 돌출 노치로서, 이들 노치 각각은 상기 판의 일측부로부터 외측으로 돌출되는 제 1 로브와 상기 판의 다른 측부로부터 외측으로 돌출되는 제 2 로브를 구비하고, 상기 일측부상의 로브의 상부로부터 다른 측부상의 로브의 밸리로의 노치의 개구가 On 인 노치와,

   (b) 상기 노치 사이에서 이들 노치에 대해 각도 Au 로 연장되고 하나의 파형부의 상부로부터 인접한 파형부의 밸리로의 개구 Ou 를 갖는 다수의 파형부를 포함하며,

   열적 성능을 최적화하고 열전달 조립체의 체적과 중량을 최소화하기 위해 Ou/On 비율은 0.3 이상 0.5 이하이고, Pn 은 2인치(5.08 cm) 이상이며, Au 는 20°이상 40°이하이고, 인접하는 판상의 파형부는 상기 노치에 대해 반대의 각도로 연장되는 것을 특징으로 하는 열전달 조립체.