MXPA00002598A - Superficie de transferencia termica para precalentador de aire - Google Patents

Abstract

Un elemento detransferencia térmica (34) para un precalentador de aire, tiene primeros y segundos elementos de transferencia térmica (36,42) dispuestos para formar canales para el paso de un medio de intercambio térmica que tiene una dirección de flujo principal. Cada una de las placas de tremo-intercambio (34) tienen rebordes rectos paralelos (38,40) y partes planas (369 entre los rebordes (38,40). Los rebordes 838,409 se alternan para proyectarse transversalmente desde lados opuestos de cada palca de transferencia térmica 8349. los rebordes (38,40) de las placas adyacentes (349 se orientan oblicuos en direcciones opuestas respecto a la dirección de flujo principal y conectan entre sísolamente en puntos de intersección de los rebordes(38,40).

Description

SUPERFICIE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA PARA PRECALENTADOR DE AIRE ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a precalentadores de aire regenerativos rotatorios para la transferencia de calor desde una corriente de gas de combustión a una corriente de aire de combustión. Más particularmente, la presente invención se refiere a la superficie de transferencia térmica de un precalentador de aire. Los precalentadores de aire regenerativos rotatorios, comúnmente se emplean para transferir calor desde los gases de combustión que salen de un horno al aire de combustión de ingreso. Los precalentadores de aire regenerativos rotatorios convencionales tienen un rotor montado giratoriamente en un alojamiento. El rotor soporta superficies de transferencia térmica definidas por el método de transferencia térmica para la transferencia de calor desde los gases de combustión al aire de combustión. El rotor tiene separaciones o diafragmas radiales que definen compartimientos entre ellos para soportar los elementos de transferencia térmica. Placas de sector se extiende a través de las caras superior e inferior del rotor, para dividir el precalentador en un sector de gas y al menos un sector de aire. La corriente de gas de combustión caliente se dirige a través del sector de gas del precalentador y transfiere calor a los elementos de transferencia térmica en el rotor giratorio continuo. Los elementos de transferencia térmica calentados luego se giran al sector de aire del precalentador. La corriente de aire de combustión dirigida sobre los elementos de transferencia térmica, de esta manera se calienta. Los elementos de transferencia térmica para los precalentadores de aire regenerativos tienen varios requerimientos. De manera más importante, los elementos de transferencia térmica deben proporcionar la cantidad requerida de transferencia térmica o recuperación de energía para una profundidad determinada del elemento de transferencia térmica. Los elementos de transferencia térmica convencionales para precalentadores de aire comprenden una combinación de diversos tipos de placas de acero prensadas con forma y/o planas que se apdlan en relación espaciada en módulos de termointercambio referidos como canastas. Estas placas espaciadas forman canales o pasajes generalmente longitudinales para el flujo de la corriente de gas de combustión y la corriente de aire a través del rotor. El diseño de superficie y la disposición de las placas de transferencia térmica permiten contacto entre placas adyacentes, para definir y mantener los pasajes los pasajes o canales. Adicionales requerimientos de los elementos de transferencia térmica son que la pila de los elementos de transferencia térmica produce mínima caída de presión para una profundidad determinada de los elementos de transferencia térmica y además, caben dentro de un pequeño volumen. Las superficies de los elementos de transferencia térmica se han diseñado y fabricado de acuerdo con muchos métodos y geometrías durante los últimos 60 años o más. Se han realizado muchos intentos por desarrollar nuevos perfiles que proporcionan altos niveles de transferencia térmica con bajas caldas de presión, y aquéllos que son menos tendientes a incrustación, más fáciles de limpiar y no se dañan fácilmente por soplado de hollín. Una superficie tal considerada con excelente transferencia térmica y baja caída de presión se ilustra en la patente de los E.U.A. No. 4,449,573. Ese perfil consiste de un paquete de placas de transferencia térmica que todas son del mismo perfil. Las placas se proporcionan con muescas que se extienden en forma oblicua a la dirección principal de flujo. Las placas se colocan de manera tal que las muescas de una placa cruzan las muescas de la segunda placa. Las muescas son rebordes dobles paralelos que se extienden transversalmente desde lados opuestos de la placa de transferencia térmica. Por lo tanto, cada muesca forma en cada superficie de una placa de transferencia térmica, un pico y un valle inmediatamente adyacente. Las muescas sirven al menos dos funciones benéficas, primero mantener las placas de transferencia térmica separadas por una distancia conocida y uniforme. Segundo, las muescas incrementan la velocidad de transferencia térmica al interrumpir periódicamente la capa frontera térmica que se forma en un medio de fluido de circulación sobre la superficie de la placa de transferencia térmica. De esta manera, las placas están en contacto entre sí solo en los puntos espaciados sobre la cresta de las muescas. ientras que esta es una mejora frente a las superficies pasadas, tiene ciertas desventajas. Es difícil limpiar ya que todas las partículas tienden a ser desplazadas a un lado en un ángulo. No hay abertura en la dirección de mampara o pared vertical para flujo de partículas, chorros de agua o chorros de soplado de hollín. No puede empacarse sueltamente en una canasta, ya que las muescas en ángulo no proporcionan suficiente resistencia estructural para sobrevivir las vibraciones inducidas por soplado de hollín si las hojas no se sostienen firmemente por contacto con hojas adyacentes. Ya que no hay línea de visión recta a través del elemento, un sistema de detección de puntos calientes o de infrarrojo es incapaz de detectar radiación infrarroja a cualquier profundidad significante de elemento. Por lo tanto, no hay forma en detectar una condición de punto caliente dentro o corriente abajo desde el paquete de elementos . La muesca oblicua descrita en la patente de los E.U.A. No . 4,449,573, sirve para interrumpir la capa frontera térmica en el fluido y de esta manera incrementar la velocidad de transferencia térmica. En un sentido de mecánica de fluidos, la muesca oblicua es esencialmente equivalente a una rugosidad periódica uniforme en la superficie de la placa. Sin embargo, ya que tanto el espaciamiento de la placa como la altura de rugosidad son proporcionales a la altura de muesca oblicua, es imposible variar la altura de la rugosidad independientemente del espaciamiento de placa. Esto evita la posibilidad de optimizar la relación de rugosidad a espaciamiento de placa. Este tipo de optimización se ha reportado en la literatura de transferencia térmica como una optimización de la relación H/Dh, en donde H es la altura de rugosidad y Dh es el diámetro hidráulico del canal. El diámetro hidráulico tiene unidades de longitud y se define como cuatro veces la relación del área de flujo dividido por el perímetro humectado del canal. Para placas planas paralelas infinitas, Dh es igual al doble de la abertura entre las placas. Para las placas de la patente de los E.U.A. ?o. 4,449,573, la altura de la muesca oblicua sobre la hoja plana sería H, de manera tal que la abertura de canal sería 2H. Dh sería aproximadamente el doble de la abertura de canal o 4H. Esto significa que la relación H/Dh siempre sería aproximadamente 0.25, no importa cual fuera el valor de H. Si el espaciamiento de placa puede cambiarse independientemente de la altura de rugosidad, el diámetro de precalentador de aire puede reducirse de manera tal que puede operar a una velocidad de flujo superior mientras que mantiene la misma recuperación térmica y caída de presión. Bajo estas restricciones, es necesario un espaciamiento de placa mayor, y el resultado es un precalentador de aire de diámetro más pequeño y más profundo, posiblemente que tiene más peso de elemento ya que el espaciamiento de placa mayor, típicamente resultará en menor turbulencia incluso a velocidades superiores. Hay instalaciones en donde esto es conveniente ya que proporcionan menor incrustación a superior velocidad. Sin embargo, con las placas de la patente de los E.U.A. No . 4,449,573, un espaciamiento de placa incrementado solo puede lograrse al incrementar la altura de muesca oblicua. A las superiores velocidades, la altura de muesca oblicua superior produce un incremento en caída de presión desproporcionado. Compendio de la Invención Dicho brevemente, la invención es un elemento de transferencia térmica mejorado para la transferencia de calor desde una corriente de gas de combustión a una corriente de aire en un precalentador de aire regenerativo rotatorio. El elemento de transferencia térmica comprende un paquete de placas de transferencia térmica que todas tienen el mismo perfil con cada placa que se proporciona con dos tipos de muesca. Cada muesca se forma por rebordes adyacentes que se extienden desde lados opuestos de la placa de transferencia térmica. La primer serie de muescas son muescas rectas espaciadas paralelas que recorren en la dirección de la dirección de flujo nominal, es decir recorren generalmente rectas en la dirección desde una cara del rotor a la otra. La segunda serie de muescas son oblicuas o muescas en ángulo que están espaciadas entre sí por secciones planas y que se extienden entre las muescas rectas. La altura de las muescas rectas es igual a y de preferencia mayor que la altura de las muescas en ángulo, de manera tal que las muescas rectas hacen contacto con las crestas de las muescas en ángulo y proporcionan el espaciamiento y soporte de placas. Breve Descripción de los Dibujos La Figura 1 es una vista en perspectiva general, parcialmente despiezada de un precalentador de aire regenerativo rotatorio; La Figura 2 es una vista en perspectiva de una de las placas de la presente invención; La Figura 3 es una sección transversal de la placa de la Figura 2 que se toma sobre la línea 3-3; La Figura 4 es una vista frontal de dos de las placas de transferencia térmica apiladas con la primer placa despiezada para mostrar la segunda placa; Las Figura 5 y 6 son vistas en sección transversal que muestran dos formas diferentes de apilar las placas; La Figura 7 es una vista frontal de tres placas apiladas despiezadas para mostrar cada placa; y La Figura 8 es una vista en sección transversal de las placas apiladas de la Figura 7. Descripción de la Modalidad Preferida La Figura 1 de los dibujos es una vista en perspectiva de corte parcial de un calentador de aire típico que muestra un alojamiento 12, en donde el rotor 14 se monta en el poste o flecha impulsora 16 para rotar como se indica por la flecha 18. El rotor está compuesto por una pluralidad de sectores 20, con cada sector que contiene una cantidad de módulos de canasta 22 y con cada sector que se define por los diafragmas 34. Los módulos de canasta contienen la superficie de termo- intercambio. El alojamiento se divide mediante placas de sector impermeables a flujo 24 en un lado de gas de combustión y un lado de aire. Una placa de sector correspondiente también se localiza en el fondo de la unidad. Los gases de combustión calientes entran al calentador de aire a través del ducto de entrada de gas 26, circulan a través del rotor en donde el calor se transfiere al rotor y luego salen a través del ducto de salida de gas 28. El aire de flujo a contra-corriente entra a través del ducto de entrada de aire 30, circula a través del rotor en donde recoge calor y luego sale a través del ducto de salida de aire 32. Los módulos de canasta 22 que contienen la superficie de termo-intercambio son módulos típicos empleados en precalentadores de aire excepto porque contienen la superficie de termo- intercambio de la presente invención. La Figura 2 muestra una vista en perspectiva de una placa de transferencia térmica 34 de la presente invención. La placa 34 contiene una primer serie de muescas espaciadas 36 que en general son paralelas a la dirección de flujo de fluido a través del precalentador de aire y sobre la placa. La orientación preferida a la dirección de flujo nominal es a cero grados pero puede ser +/-3 grados. Cada muesca comprende dos rebordes o porciones adyacentes 38 y 40, que se proyectan desde el plano de la placa, con la porción 38 que se proyecta desde un lado de la placa y la porción 40 que se proyecta desde el otro lado. La segunda serie de muescas comprenden las muescas oblicuas o en ángulo 42, que son paralelas entre sí y se extienden a un ángulo entre adyacentes de las muescas rectas 36. Las muescas oblicuas 42 pueden estar en ángulo de 10 a 50 grados respecto a la dirección de flujo. Las muescas oblicuas 42 están separadas entre sí por las secciones planas 44. Como se ilustra en la Figura 3, que es una vista en sección transversal que se toma sobre la línea 3-3 de la Figura 2, las secciones planas 44 tienen una dimensión "X" entre las muescas 42. Como también se muestra en la Figura 3, las muescas 42 tienen una altura sobre el plano de la placa "H" . Esta dimensión H se refiere como la altura de rugosidad. En la presente invención, la dimensión X es al menos 3H y más típicamente 10H a 40H. Un valor óptimo para X se espera algo en el rango de 3H a 4 OH, ya que la literatura de transferencia térmica contiene estudios de geometrías algo diferentes en donde el óptimo X está en el rango de 10H a 2 OH. Esto se debe al hecho de que toma un cierto tramo para que la capa frontera interrumpida se reconecte a la sección plana de la placa y luego engrosar de nuevo antes de que requiera otra interrupción. Si X es demasiado pequeña, la reconexión de flujo no ocurre, y si X es demasiado grande, la velocidad de transferencia térmica es menor debido a la carencia de interrupciones de capa frontera. La Figura 4 muestra una pila de dos de las placas de la Figura 2 con todas las placas idénticas pero con placas alternas giradas antes de apilamiento, para obtener el patrón de muescas ilustrado en la Figura 4. La altura de las muescas rectas 36 es igual a o de preferencia superior que la altura de las muescas oblicuas 42, de manera tal que las muescas rectas hacen contacto con y se sostienen por las crestas de las muescas en ángulo. Cuando las muescas rectas 36 son superiores a las muescas oblicuas 42, se crea un canal abierto entre las placas. Este canal abierto proporciona línea de visión a través del paquete para detección de puntos calientes por infrarrojo. También proporciona una trayectoria para que las partículas sean barridas a través del paquete de elementos en una dirección paralela al flujo de fluido en volumen. Las Figuras 5 y 6 ilustran dos montajes diferentes para apilar las placas 34. La Figura 5 es la estructura de apilamiento preferida con áreas abiertas iguales. Como se muestra, las distancias entre las muescas 36 es "N" y el área abierta entre las muescas en placas adyacentes es "A". En la Figura 6, la distancia N es la misma pero el área abierta entre muescas de acoplamiento en placas adyacentes, ahora es Ax y A2 que son diferentes. Las Figuras 7 y 8 ilustran una modalidad alterna de la presente invención, en donde dos tipos de placas se emplean en una estructura alterna. Las placas 34 son iguales que las placas 34 de las modalidades ya mostradas y descritas con referencia a las Figuras 2 a 6 y contienen los dos tipos de muescas 36 y 42 y las porciones planas 44. El segundo tipo de placas son las placas 46 que se emparedan entre cada una de las placas 34. Estas placas 46 contienen las muescas oblicuas 48, que son las mismas que o similares a las muescas oblicuas 42. Sin embargo, estas placas 46 no tienen ningunas muescas rectas comparables con las muescas rectas 36 en las placas 34. En la modalidad preferida, las muescas oblicuas 48 tienen las mismas dimensiones que las muescas oblicuas 42 incluyendo el ángulo, altura y espaciamiento muesca-a-muesca. De nuevo, el montaje preferido es tener la estructura preferida es que la altura de las muescas rectas sea mayor que la altura de las muescas oblicuas 42 y 48. Aunque la dirección de las muescas oblicuas es alterna en las modalidades preferidas ilustradas de la invención, esto no es esencial para la invención. Una ventaja de las muescas oblicuas en combinación con las muescas rectas, es que las muescas oblicuas se inclinan hacia un área que está más abierta formada en las intersecciones de las muescas rectas y oblicuas. Este "valle" se forma por el aplastamiento de las muescas oblicuas cuando se forman las muescas rectas. Esta área más abierta proporciona una trayectoria para liberar partículas o depósitos fuera del paquete durante soplado de hollín o lavado con agua. El desempeño de caída de presión y térmica del paquete puede optimizarse a una condición de diseño específico ya que el diámetro hidráulico puede variarse independiente de la rugosidad creada por las muescas oblicuas. Esto es, la altura de las muescas rectas y de esta manera el espaciamiento de placas puede incrementarse o disminuirse según se desee, mientras que se mantiene una altura de muesca oblicua constante o incluso reducida. Esto no es posible en diseño, en donde las muescas oblicuas determinan el espaciamiento de placas . Las placas de la presente invención son inherentemente muy rígidas. Las placas primero se refuerzan por las muescas rectas y luego se refuerzan por las muescas oblicuas. Una ventaja es que las placas pueden colocarse sueltamente en la canasta ya que el empaque apretado para mantener soporte de la placa, ya no es más necesario. Esta característica de empaquete suelto permite que las placas se agiten o flexionen durante soplado de hollín o lavado con agua a alta presión para ayudar en fracturar y aflojar los depósitos en las placas. Las placas tanto con muescas rectas como oblicuas pueden producirse al pasar el material de metal en bruto ya sea a través de una operación de rodillo muescado con los rodillos que tienen un patrón que forma ambos tipos de muescas de inmediato o al utilizar dos operaciones de laminado con muescado distintas. Hay algún beneficio a este último método ya que cuando las muescas oblicuas se forman primero, la segunda operación de muescado para las muescas rectas se aplasta o retira localmente la muesca oblicua un poco de rugosidad de la muesca oblicua permanece en la muesca recta para propósitos de interrupción de capa frontera. Mientras que se han ilustrado y descrito en detalle modalidades preferidas de la presente invención, habrá de apreciarse fácilmente que muchas modificaciones y cambios están dentro de la capacidad de aquéllos con destreza ordinaria en la técnica. Por lo tanto, se pretende que las reivindicaciones anexas cubran cualquiera y todas estas modificaciones que caen dentro del espíritu y alcance real de la invención.

Claims (7)

REIVINDICACIONES

1. Un elemento de transferencia térmica para un cambiador de calor regenerativo rotatorio que tienen un rotor y en donde el elemento de transferencia térmica comprende una pluralidad de placas de termo- intercambio apiladas y espaciadas y dispuestas en el rotor para formar canales entre ellas para flujo de fluido en una dirección generalmente axial a través del rotor, cada una de la pluralidad de placas de termo- intercambio comprende: a) una pluralidad de muescas rectas formadas en intervalos espaciados que se extienden en una dirección generalmente paralela a la dirección de flujo de fluido; y b) una pluralidad de muescas oblicuas formadas en intervalos espaciados paralelos y separadas por porciones planas de la placa, las muescas oblicuas se extienden a un ángulo respecto a las muescas rectas y a la dirección de flujo de fluido y se extienden entre muescas rectas adyacentes.

2. Un elemento de transferencia térmica como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque las muescas rectas tienen una primer altura selecta sobre el plano de la placa y las muescas oblicuas tienen una_segunda altura selecta sobre el plano de la placa y en donde la segunda altura es igual a o menor que la primer altura.

3. Un elemento de transferencia térmica como se describe en la reivindicación 2, caracterizado porque la segunda altura es menor que la primer altura.

4. Un elemento de transferencia térmica como se describe en la reivindicación 2, caracterizado porque la dimensión de las porciones planas de la placa entre muescas oblicuas medida en la dirección axial es al menos tres veces la segunda altura selecta.

5. Un elemento de transferencia térmica como se describe en la reivindicación 1, caracterizado porque el ángulo formado entre las muescas oblicuas y la dirección de flujo de fluido en placas de termo- intercambio espaciadas y apiladas adyacentes, se extiende en ángulos opuestos respecto a la dirección de flujo de fluido.

6. Un elementó de transferencia térmica para un termo- intercambiador regenerativo rotatorio que tiene un rotor, en donde el elemento de transferencia térmica comprende una pluralidad de placas de termo- intercambio apiladas y espaciadas dispuestas en el rotor, para formar canales entre ellas para flujo de fluido en una dirección general axial a través del rotor, las placas de termo-intercambio comprenden una serie de primeras placas de termo-intercambio que alternan con una pluralidad de segundas placas de termo-intercambio, cada una de las primeras placas de termo- intercambio comprende: una pluralidad de muescas rectas formadas a intervalos espaciados en una dirección generalmente paralela a la dirección de flujo de fluido y una pluralidad de muescas oblicuas formadas a intervalos espaciados paralelos y separados por porciones planas de la primer placa de termo-intercambio, las muescas oblicuas se extienden a un ángulo respecto a las muescas rectas y a la dirección de flujo de fluido y se extienden entre muescas rectas adyacentes, y cada una de las segundas placas de termo-intercambio no contiene muescas rectas y comprende: una pluralidad de muescas oblicuas formadas a intervalos espaciados paralelos y separadas por porciones planas de la segunda placa de termo-intercambio y que se extienden a un ángulo respecto a la dirección de flujo de fluido a través de la segunda placa de termo-intercambio.

7. Un elemento de transferencia térmica como se describe en la reivindicación 6, caracterizado porque el ángulo formado entre las muescas oblicuas y la dirección de flujo de fluido en primeras y segundas placas de termo-intercambio adyacentes se extiende en ángulos opuestos respecto a la dirección de flujo de fluido.