KR20040080217A - Rotary Regenerative Air Preheater - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 석탄화력발전소 및 산업용 보일러 등의 열효율 향상을 위하여 연소용 공기 예열시 적용하는 회전재생식 공기예열기(Rotary Regenerative AirPreheater)에 관한 것이다.The present invention relates to a rotary regenerative air preheater applied when preheating combustion air to improve thermal efficiency of coal-fired power plants and industrial boilers.
일반적으로 회전재생식 공기예열기(101)는 도1에 도시된 바와 같이, 양단에 배기가스 입출구덕트(Exhausted Gas Inlet and Outlet Duct, 6, 7)와 공기 입출구덕트(Air Inlet and Outlet Duct, 4, 5)가 설치된 하우징(Housing, 2) 및 상기 하우징(2) 내의 구동축(1)을 중심으로 회전하는 로터(Rotor, 3)를 포함하여 구성된다. 상기 로터(3)는 각각의 섹터(3a, 3b, 3c)로 구분되는 다수의 바스켓(Basket)으로 구성되며, 각 바스켓 내부에는 열소자(Heating Element, 10)를 포함하고 있다. 상기 열소자(10)는 다수의 열소자 시트(Heating Element Sheet, 11, 12, 13)가 적층된 것이다.In general, the rotary regenerative air preheater 101 has exhaust gas inlet and outlet ducts 6 and 7 and air inlet and outlet ducts 4 and 2 at both ends thereof, as shown in FIG. It comprises a housing (2) is installed 5 and a rotor (Rotor) 3 that rotates around the drive shaft (1) in the housing (2). The rotor 3 is composed of a plurality of baskets divided into respective sectors 3a, 3b, and 3c, and each basket includes a heating element 10. The thermal element 10 is a stack of a plurality of thermal element sheets (Heating Element Sheet, 11, 12, 13).
이와 같이 구성되는 회전재생식 공기예열기에서 고온의 배기가스는 가스 입구덕트(7)를 통하여 유입되어 로터(3)를 통과한다. 이때, 로터(3)의 바스켓 내부에 적층된 열소자(10)는 배기가스로부터 열을 흡수하게 되며, 로터(3)를 통과하면서 열을 빼앗긴 배기가스는 가스 출구덕트(6)로 배출된다. 반면, 가열될 상온의 공기는 고온 배기가스의 흐름과 반대방향으로 공기입구덕트(5)로 유입되는데, 가열된 로터를 통과하면서 열소자(10)로부터 열을 흡수하여 고온의 공기가 된다. 이후, 고온의 공기는 공기출구덕트(4)를 통하여 나가게 된다. 상기 바스켓 내부에 적층되는 열소자(10)는 열교환 유체를 흐르게 하기 위해, 유동흐름 방향으로 일정한 간격을 이루면서 밀접하게 적층되어 유동의 통로를 제공한다. 이때 적층되는 열소자 표면의 형상은 공기예열기 전체 성능에 영향을 미치는 주요 변수이다.In the rotary regenerative air preheater configured as described above, hot exhaust gas is introduced through the gas inlet duct 7 and passes through the rotor 3. At this time, the thermal element 10 stacked inside the basket of the rotor 3 absorbs heat from the exhaust gas, and the exhaust gas deprived of heat while passing through the rotor 3 is discharged to the gas outlet duct 6. On the other hand, the air at room temperature to be heated is introduced into the air inlet duct 5 in a direction opposite to the flow of the hot exhaust gas, and absorbs heat from the thermal element 10 while passing through the heated rotor to become hot air. The hot air then exits through the air outlet duct 4. In order to allow the heat exchange fluid to flow, the thermal elements 10 stacked inside the basket are stacked closely at regular intervals in the flow flow direction to provide passages of flow. At this time, the shape of the surface of the stacked thermal element is a major variable affecting the overall performance of the air preheater.
도2는 도1의 회전재생식 공기예열기(101)의 로터(3)를 부분적으로 절단한 사시도이고, 도3은 그 로터(3)의 고온층(10a)에 적용되는 열소자에 대한 확대 사시도이며, 도4는 도3의 일부 열소자 시트(11, 12)에 대한 단면 형상을 도시하고 있다.FIG. 2 is a perspective view, partially cut away, of the rotor 3 of the rotary regenerative air preheater 101 of FIG. 1, and FIG. 3 is an enlarged perspective view of a thermal element applied to the hot layer 10a of the rotor 3. 4 shows a cross-sectional shape of some of the thermal element sheets 11 and 12 in FIG.
통상적으로 회전재생식 공기예열기의 열소자(10)는 도2에 도시된 바와 같이, 고온층(10a), 중온층(10b) 및 저온층(10c)으로 구분된다. 고온층(10a) 및 중온층(10b)에 사용되는 열소자는 고온의 배기가스로 인한 급격한 온도변화가 수반되어 수축 및 팽창의 과정이 반복적으로 지속됨으로써 열전달에 의한 피로가 축척된다. 따라서, 고온층 및 중온층의 열소자에 사용되는 열소자 시트(11, 12, 13, 14)들은 전열면적을 확대시키는 한편 급격한 온도변화에 대응하기 위하여, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 일정 경사각(θ)을 가지는 물결 모양의 파형(11w, 12w, 13w, 14w)을 가진다.Typically, the thermal element 10 of the rotary regenerative air preheater is divided into a high temperature layer 10a, a middle temperature layer 10b, and a low temperature layer 10c, as shown in FIG. Heat elements used in the high temperature layer 10a and the middle temperature layer 10b are accompanied by a rapid temperature change due to the high temperature exhaust gas, and the shrinkage and expansion processes are repeatedly performed to accumulate fatigue due to heat transfer. Therefore, the thermal element sheets 11, 12, 13, and 14 used in the thermal element of the high temperature layer and the middle temperature layer are enlarged in heat transfer area and cope with a sudden temperature change, as shown in FIGS. 3 and 4. It has wavy waveforms 11w, 12w, 13w, and 14w having a constant inclination angle θ.
그리고, 종래의 열소자(10)는 도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 물결 파형(11w, 12w, 13w, 14w) 이외에 유동의 흐름방향으로 일정한 주기로 반복되는 직선노치(11n, 13n)를 포함하고 있다. 상기 직선노치(11n, 13n)는, 보일러에서 연소후 배출되는 배기가스 중의 미연소 미립자 등이 열소자 표면에 부착되는 것을 방지하기 위하여, 고압의 공기를 열소자 시트가 적층된 틈 사이에 분사할 때, 시트의 뒤틀림 또는 휨현상을 방지하는 역할을 한다.3 and 4, the conventional thermal element 10 includes linear notches 11n and 13n which are repeated at regular intervals in the flow direction of the flow in addition to the wave waveforms 11w, 12w, 13w and 14w. It is included. The straight notches 11n and 13n may spray high-pressure air between the gaps in which the thermal element sheets are stacked in order to prevent unburned particulates and the like in the exhaust gas discharged after combustion from the boiler from adhering to the surface of the thermal element. At the same time, it serves to prevent the warping or bending of the sheet.
결국, 종래의 열소자(10)는 직선노치(11n, 13n)가 존재하는 노치형 열소자 시트(11, 13)와, 노치가 없고 물결 모양의 파형(12w, 14w)만이 존재하는 열소자(12, 14)가 교대로 적층된 구조를 갖는다. 이러한 구조를 갖는 종래의 공기예열기에서는, 물결파형(12w, 14w)만을 갖는 열소자 시트(12, 14)와 직선노치(11n,13n)가 형성된 열소자 시트(11, 13)의 형태로 인하여 개방형 유동통로가 형성되며, 상기 개방형 유동통로를 통해 흐르는 유동은 전체적으로 활발한 유동 패턴을 형성시켜 열경계층을 파괴함으로써 열전달 성능을 촉진시킨다.As a result, the conventional thermal element 10 includes notched thermal element sheets 11 and 13 in which the straight notches 11n and 13n exist, and thermal elements in which only the wavy waveforms 12w and 14w exist without the notch. 12 and 14 have alternating stacked structures. In the conventional air preheater having such a structure, an open type is formed due to the shape of the thermal element sheets 12 and 14 having only the wavy waves 12w and 14w and the thermal element sheets 11 and 13 in which the straight notches 11n and 13n are formed. A flow passage is formed, and the flow flowing through the open flow passage forms an active flow pattern as a whole, thereby destroying the thermal boundary layer, thereby promoting heat transfer performance.
그러나, 이러한 종래의 고온층에 적용되는 열소자는 노치와 노치 사이의 간격이 충분하지 못하여 개방형 통로의 길이가 짧아 충분한 난류성분과 스월 유동을 형성하지 못하고, 직선노치의 통로를 따라 유동이 빠르게 빠져나감으로써 잔류열을 열소자에 충분히 전달하지 못하는 단점이 있다.However, the thermal element applied to the conventional high temperature layer has a short gap between the notch and the notch, so that the length of the open passage is short, so that sufficient turbulent components and swirl flow cannot be formed, and the flow flows out quickly along the passage of the straight notch. As a result, the residual heat is not sufficiently transferred to the thermal element.
본 발명은 상기한 종래의 공기예열기에서의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 로터 내의 열소자의 형상을 변경하여 유체의 내부 유동 개선과 열전달 성능을 촉진하고, 열소자 표면의 부산물 부착을 방지함으로써 예열 효율을 크게 향상시킨 회전재생식 공기예열기를 제공하는데 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the conventional air preheater, and its object is to change the shape of the heat element in the rotor to promote the internal flow of the fluid and the heat transfer performance, and to promote the adhesion of by-products on the surface of the heat element. The present invention provides a rotary regenerative air preheater which greatly improves preheating efficiency.
도1은, 일반적인 회전재생식 공기예열기의 사시도이다.1 is a perspective view of a general rotary regenerative air preheater.
도2는, 도1의 로터에 대한 부분 사시도이다.FIG. 2 is a partial perspective view of the rotor of FIG. 1. FIG.
도3은, 도2의 로터 내의 열소자 시트이다.3 is a thermal element sheet in the rotor of FIG.
도4는, 도3의 일부 단면도이다.4 is a partial cross-sectional view of FIG. 3.
도5는, 본 발명에 따른 회전재생식 공기예열기의 사시도이다.5 is a perspective view of a rotary regenerative air preheater according to the present invention.
도6은, 도5의 로터 내의 열소자 시트이다.Fig. 6 is a thermal element sheet in the rotor of Fig. 5.
도7은, 도6의 일부 단면도이다.FIG. 7 is a partial cross-sectional view of FIG. 6.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
1 .... 중심축 2 .... 하우징(Housing)1 .... Central axis 2 .... Housing
3 .... 로터(Rotor) 4, 5, 6, 7 .... 덕트(Duct)3 .... Rotor 4, 5, 6, 7 .... Duct
10, 20 .... 열소자 21, 22, 23, 24 .... 열소자 시트10, 20 .... heating element 21, 22, 23, 24 .... heating element sheet
상기한 목적 달성을 위한 본 발명의 회전재생식 공기예열기는, 양단에 배기가스 입출구덕트와 공기 입출구덕트가 설치된 하우징; 및 상기 하우징 내의 구동축을 중심으로 회전하는 로터를 포함하여 구성되는 공기예열기에 있어서, 상기 로터는 다수의 열소자 시트들이 적층된 열소자를 포함하고, 상기 다수의 열소자 시트들은 서로 동일한 형상을 갖고, 각 열소자 시트는 공기의 흐름방향으로 일정한 주기를 가진 직선노치가 형성되며, 하나의 열소자 시트의 직선노치가 서로 이웃하는 다른 열소자 시트의 직선노치 사이에 위치하도록 상기 열소자 시트들이 적층된다.Rotational regeneration air preheater of the present invention for achieving the above object, the exhaust gas inlet and outlet duct and the air inlet and outlet duct is installed on both ends; And a rotor rotating about a drive shaft in the housing, wherein the rotor includes a thermal element in which a plurality of thermal element sheets are stacked, and the plurality of thermal element sheets have the same shape as each other. Each of the thermal element sheets is formed with a straight notch having a predetermined period in the air flow direction, and the thermal element sheets are stacked such that the linear notches of one thermal element sheet are positioned between the linear notches of other neighboring thermal element sheets. do.
이하, 본 발명에 따른 공기예열기를 첨부된 도면에 기초하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the air preheater according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도5는, 본 발명에 따른 회전재생식 공기예열기의 사시도이고, 도6은 도5의 로터 내의 열소자 시트를, 그리고 도7은 그 열소자 시트의 일부 단면도을 도시하고 있다.5 is a perspective view of a rotary regenerative air preheater according to the present invention, FIG. 6 shows a thermal element sheet in the rotor of FIG. 5, and FIG. 7 shows a partial cross-sectional view of the thermal element sheet.
본 발명의 공기예열기는 도5에 도시된 바와 같이, 양단에 배기가스 입출구덕트(6, 7)와 공기 입출구덕트(4, 5)가 설치된 하우징(2) 및 상기 하우징(2) 내의 구동축(1)을 중심으로 회전하는 로터(3)를 포함한 회전재생식 공기예열기(100)이면 어느 장치나 적용 가능하다.As shown in FIG. 5, the air preheater of the present invention has a housing 2 provided with exhaust gas inlet and outlet ducts 6 and 7 and air inlet and outlet ducts 4 and 5 at both ends thereof, and a drive shaft 1 in the housing 2. Any device can be applied as long as it is a rotary regenerative air preheater 100 including a rotor 3 rotating around the center.
본 발명에 따른 회전재생식 공기예열기(100)는, 상기 로터(3) 내에 장착되는 개선된 열소자(20)에 그 특징이 있다. 이러한 열소자(20)는 중온층은 물론 고온층의 열소자에 매우 적합하다.The rotary regenerative air preheater 100 according to the invention is characterized by an improved heating element 20 mounted in the rotor 3. Such a thermal element 20 is very suitable for the thermal element of the high temperature layer as well as the middle temperature layer.
본 발명의 회전재생식 공기예열기(100)에서 상기 로터(3) 내의 열소자(20)는 다수의 열소자 시트(21, 22, 23, 24)들이 적층되어 구성된다. 도6과 도7에서는 일부 열소자 시트만을 도시하고 있으나, 이들의 개수는 특별히 한정되는 것은 아니다.In the rotary regenerative air preheater 100 of the present invention, the thermal element 20 in the rotor 3 is formed by stacking a plurality of thermal element sheets 21, 22, 23, and 24. 6 and 7 show only some of the thermal element sheets, but the number thereof is not particularly limited.
본 발명에서 각 열소자 시트(21, 22, 23, 24)는 공기의 흐름방향으로 일정한 주기를 가진 직선노치(21n, 22n, 23n, 24n)가 형성된다. 또한, 상기 열소자 시트(21, 22, 23, 24)는 상기 직선노치(21n, 22n, 23n, 24n)들을 구비하는 동시에, 일정한 경사각(θ)을 이루는 물결모양의 파형(21w, 22w, 23w, 24w)을 갖는다.In the present invention, each of the thermal element sheets 21, 22, 23, and 24 is formed with straight notches 21n, 22n, 23n, and 24n having a constant period in the air flow direction. In addition, the thermal element sheets 21, 22, 23, and 24 have the straight notches 21n, 22n, 23n, and 24n, and at the same time, the wave-shaped waveforms 21w, 22w, and 23w that form a constant inclination angle θ. , 24w).
상기 열소자의 전열표면은 열전달이 우수해야 하고 압력손실이 낮아야 하며, 열소자 표면에 형성된 직선노치 및 물결파형은 인접한 열소자와 적당한 간격을 유지할 필요가 있다. 상기 열소자 시트의 직선노치(21n, 22n, 23n, 24n)는 도4에 도시된 통상적인 열소자(11)에서 생성된 직선노치(11n) 간의 간격보다 약 2배 정도 간격이 넓으면서 직선노치의 높이(H)도 약간 높은 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 직선노치(21n, 22n, 23n, 24n)의 높이(H)는 물결파형 높이의 적어도 2.6배 이상, 바람직하게는 2.6~ 3배, 그리고 주기(L)는 물결파형 폭의 4배 이상, 바람직하게는 4~ 5배 정도인 것이 적당하다.The heat transfer surface of the thermal element should be excellent in heat transfer and low in pressure loss, and the straight notches and wave waves formed on the surface of the thermal element need to be maintained at a proper distance from the adjacent thermal element. The straight notches 21n, 22n, 23n, 24n of the thermal element sheet are about twice as wide as the interval between the straight notches 11n generated in the conventional thermal element 11 shown in FIG. It is preferable that the height H of is also slightly high. For example, the height H of the straight notches 21n, 22n, 23n, 24n is at least 2.6 times or more, preferably 2.6 to 3 times the height of the wave shape, and the period L is 4 times or more the width of the wave shape. Preferably it is about 4 to 5 times.
또한, 상기 물결모양의 파형(21w, 22w, 23w, 24w)은, 경사각(θ)이 가스 유동의 흐름방향인 직선 방향으로부터 20~ 40°의 범위에서 상기 열소자 시트에 형성되도록 하는 것이 바람직하다.In addition, it is preferable that the wave-shaped waveforms 21w, 22w, 23w, and 24w are formed in the thermal element sheet in an inclination angle θ in a range of 20 to 40 ° from a linear direction in the flow direction of gas flow. .
또한, 상기 열소자 소자(21, 22, 23, 24)들은 하나의 열소자 시트(21, 23)의 직선노치(21n, 23n)가 서로 이웃하는 다른 열소자 시트(22, 24)의 직선노치(22n, 24n) 사이에 위치하도록 적층된다. 가장 바람직하게는 하나의 열소자 시트(21, 23)의 직선노치(21n, 23n)이 서로 이웃하는 다른 열소자 시트(22, 24)의 직선노치(22n, 24n)의 사이의 중앙에 위치하도록 적층하는 것이다. 본 발명에서 상기 다수의 열소자 시트(21, 22, 23, 24)들은 종래의 열소자와는 달리, 모두 노치형 열소자 시트로서 서로 동일한 형상을 갖는다.In addition, the thermal element 21, 22, 23, 24 is notched a straight line notch of the other thermal element sheet 22, 24 of which the linear notches 21n, 23n of one thermal element sheet 21, 23 are adjacent to each other. The layers are stacked so as to be positioned between 22n and 24n. Most preferably, the straight notches 21n, 23n of one thermal element sheet 21, 23 are located at the center between the straight notches 22n, 24n of the other thermal element sheets 22, 24 adjacent to each other. It is laminated. In the present invention, the plurality of thermal element sheets 21, 22, 23, and 24 have the same shape as each other as a notch type thermal element sheet, unlike conventional thermal elements.
또한, 하나의 열소자 시트(21, 23)는, 다른 열소자 시트(22, 24)와 물결파형의 경사방향이 서로 엇갈리도록 적층된다.In addition, one thermal element sheet 21, 23 is laminated so that the other thermal element sheets 22, 24 and the inclination direction of a wavy wave are mutually crossed.
이러한 구조를 갖는 열소자를 구비한 본 발명의 공기예열기는, 열소자 시트 사이에 개방형 유동 통로가 형성되며, 이 유동 통로로 흐르는 유동의 일부는 주유동방향을 벗어나 옆 통로로 전달됨으로써, 전체저그올 활발한 난동과 스월유동 패턴을 형성시키며, 열소자 전체에 균일한 온도분포를 형성하여 열전달을 촉진하게 된다. 특히, 열소자 시트의 직선노치 높이가 높아지고 주기가 넓어짐에 따라 열소자 내부에 통과하는 유동은 난류유동의 생성과 더불어 유속이 더욱 활발하게 되며, 열소자 시트로의 열전달을 촉진하는 것은 물론, 열소자 시트 표면에 배기가스 부산물이 부착되는 것을 방해하여 오염도를 크게 저감시킬 수 있다.The air preheater of the present invention having a heat element having such a structure has an open flow passage formed between the heat element sheets, and a part of the flow flowing through the flow passage is transferred to the side passage away from the main flow direction, thereby making the whole jug All active riots and swirl flow patterns are formed, and a uniform temperature distribution is formed throughout the thermal element to promote heat transfer. In particular, as the height of the straight notch of the thermal element sheet increases and the period becomes wider, the flow passing inside the thermal element becomes more active with the generation of turbulent flow, and promotes heat transfer to the thermal element sheet, as well as heat. The contamination of the exhaust gas by-products on the surface of the device sheet may be prevented to significantly reduce the contamination.
특히, 상기 열소자는 인접 시트를 구조적으로 지지하여, 열소자 표면에 부착된 오염물질을 제거하기 위하여 간헐적으로 가압된 세척공기를 분사할 때, 시트상에 적용하는 힘을 바스켓 내에 고르게 분포시켜 조립체의 힘의 평형을 이루게 한다. 이를 위하여, 본 발명에서는 상기 열소자 시트의 S자형 직선노치(21n, 22n)의 중앙 부분은, 도7에 도시된 바와 같이, 유동방향을 따라 평탄면(21p, 22p)이 형성되어 있는 것이 바람직하다. 이러한 직선노치(21n, 22n)는 열소자 자체의 강도를 증대시켜, 열소자 표면의 미연소 분진을 털어내기 위하여 간헐적으로 분사되는 세척공기의 압력으로부터 열소자의 휨 또는 뒤틀림 현상을 방지하는 역할을 한다.In particular, the thermal element structurally supports the adjacent sheet so that when spraying intermittently pressurized cleaning air to remove contaminants adhering to the surface of the thermal element, the force applied on the sheet is evenly distributed in the basket. To balance power. To this end, in the present invention, it is preferable that the central portions of the S-shaped straight notches 21n and 22n of the thermal element sheet have flat surfaces 21p and 22p formed along the flow direction as shown in FIG. Do. The straight notches 21n and 22n increase the strength of the heating element itself, and serve to prevent bending or distortion of the heating element from the pressure of the cleaning air that is intermittently injected to shake off unburned dust on the surface of the heating element. do.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 회전재생식 공기예열기는, 종래의 고온층 열소자를 통과하는 유동에 비하여 개방형 유동통로의 길이를 더욱 길게 함으로써, 열소자 표면 전체에 활발한 유동패턴을 형성시켜 열전달 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the rotary regenerative air preheater according to the present invention, by lengthening the length of the open flow passage more than the flow through the conventional hot bed heat element, thereby forming an active flow pattern on the entire surface of the heat element to heat transfer It can improve performance.
또한, 본 발명의 공기예열기는 상기한 활발한 유동패턴 형성으로 고온층 열소자에 부착되는 배기가스 부산물의 부착방지로 열소자 표면의 오염도 절감 및 압력손실의 증대를 방지할 수 있다.In addition, the air preheater of the present invention can prevent contamination of the surface of the thermal element and increase in pressure loss by preventing adhesion of exhaust gas by-products attached to the high-temperature layer thermal element by forming the active flow pattern.
또한, 본 발명의 공기예열기는, 열소자 시트의 직선노치 중심부에 약간의 평면을 구비함으로써, 열소자 시트의 강도증가로 인하여 시트의 뒤틀림, 휨 현상을 방지할 수 있어 공기예열기의 전체적인 내구성의 증가를 이룰 수 있다.In addition, the air preheater of the present invention has a slight flat surface at the center of the straight notch of the heat element sheet, thereby preventing warpage and bending of the sheet due to an increase in the strength of the heat element sheet, thereby increasing the overall durability of the air preheater. Can be achieved.
또한, 본 발명의 공기예열기는, 로터 열소자의 고온층과 중온층의 열전달 성능 향상으로 고온층과 중온층 열소자의 전체 길이를 줄일 수 있어 공기예열기의 무게 감량으로 소요 동력 절감 및 제작원가를 줄일 수 있는 부수적인 효과도 있다.In addition, the air preheater of the present invention can reduce the overall length of the high-temperature layer and the middle-temperature layer by improving the heat transfer performance of the high-temperature layer and the middle-temperature layer of the rotor heating element, reducing the power consumption and manufacturing cost by reducing the weight of the air preheater There are also side effects that can be reduced.
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