PL193798B1

PL193798B1 - Zespół elementów do przekazywania ciepła dla wymiennika ciepła

Info

Publication number: PL193798B1
Application number: PL99348190A
Authority: PL
Inventors: Michael M. Chen
Original assignee: Alstom Power Inc
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1999-05-27
Publication date: 2007-03-30
Also published as: CA2352284C; CZ289900B6; ES2217761T3; HUP0104584A2; CA2352284A1; AU4220099A; TW459121B; HUP0104584A3; CN1179189C; SK8272001A3; ATE263351T1; PL348190A1; DE69916117T2; CN1330763A; MXPA01005704A; JP2002532676A; ID30089A; EP1144932A1; KR100417321B1; EP1144932B1

Abstract

Zespól elementów do przekazywania ciepla dla wy- miennika ciepla zawierajacy pierwsze plyty absorbujace cieplo i drugie plyty absorbujace cieplo ulozone naprze- miennie w stos, w pewnych odstepach od siebie, pomiedzy którymi znajduje sie wiele kanalów do przyplywu czynnika wymieniajacego cieplo przy czym kazda z pierwszych plyt absorbujacych cieplo i kazda z drugich plyt absorbujacych cieplo posiada wiele dwuwypuklych karbów umieszczonych równolegle do siebie i umieszczonych w odleglosci od siebie, zas kazdy z wielu dwuwypuklych karbów zawiera pierwsza wypuklosc wystajaca na zewnatrz z jednej strony kazdej z pierwszych plyt wymieniajacych cieplo i z jednej strony kazdej z drugich plyt wymieniajacych cieplo oraz druga wypuklosc wystajaca na zewnatrz z przeciwnej strony kazdej z pierwszych plyt wymieniajacych cieplo i z przeciwnej strony kazdej z drugich plyt wymieniajacych cieplo przy czym te karby tworza elementy dystansowe pomiedzy sasiadujacymi ze soba pierwszymi plytami wy- mieniajacymi cieplo i drugimi plytami wymieniajacymi cie- plo, zas pomiedzy nimi karbami sa umieszczone fale, usta- wione pod katem tych karbów, znamienny tym, ze ……………………………………………………………………… PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest zespół elementów do przekazywania ciepła dla wymiennika ciepła. W tym przypadku chodzi zwłaszcza o zespół płyt pochłaniających ciepło, do wykorzystania w wymienniku ciepła, w którym odbywa się przekazywanie ciepła za pomocą tych płyt między biorącymi udział w wymianie ciepła między gorącym i zimnym czynnikiem. W szczególności przedmiotem wynalazku jest zespół elementów wymiany ciepła do wykorzystania w wirującym wymienniku typu regeneracyjnego, w którym zespoły elementów do przenoszenia ciepła są nagrzewane przez kontakt z gorącym czynnikiem biorącym udział w wymianie ciepła, a następnie są doprowadzane do styku z zimnym czynnikiem gazowym biorącym udział w wymianie ciepła, któremu gorące zespoły elementów wymiany ciepła oddają swoje ciepło.

Jednym z typów wymiennika ciepła, w którym wynalazek znajduje w szczególności zastosowanie, jest znany wirujący nagrzewacz regeneracyjny. Typowy wirujący nagrzewacz regeneracyjny ma wirnik cylindryczny podzielony na komory, w których rozmieszczone są w pewnych odstępach od siebie i podtrzymywane płyty do przekazywania ciepła. Przy obracaniu się wirnika płyty te są naprzemian wystawiane na działanie strumienia gazu grzewczego, a następnie po obróceniu się wirnika, na działanie strumienia powietrza chłodniejszego lub innego nagrzewanego czynnika gazowego. Kiedy płyty do przenoszenia ciepła są wystawione na działanie grzewczego gazu, to pochłaniają z niego ciepło, a kiedy są wystawione na działanie zimnego powietrza lub innego gazowego czynnika nagrzewanego, to ciepło wchłonięte z grzewczego gazu przez płyty do przenoszenia ciepła jest przenoszone do chłodniejszego gazu. Większość wymienników ciepła tego typu ma płyty przenoszące ciepło ułożone w stos, w pewnych odstępach, tworzące zestaw kanałów przelotowych umieszczonych między sąsiednimi płytami celem utworzenia drogi przepływu między nimi czynnika biorącego udział w wymianie ciepła.

W takim wymienniku ciepła, zdolność do przekazywania ciepła w wymienniku o danych rozmiarach jest funkcją prędkości przekazywania ciepła między płynem biorącym udział w wymianie ciepła a strukturą płytową. Jednakowoż w przypadku urządzeń znajdujących się na rynku użyteczność urządzenia jest wyznaczana nie tylko przez osiągnięty współczynnik przekazywania ciepła, lecz również przez inne czynniki, jak na przykład koszt i masę struktury płytowej. W idealnym przypadku płyty do przekazywania ciepła będą powodować silnie zaburzony przepływ przez kanały umieszczone między nimi w celu zwiększenia przekazywania ciepła z płynu biorącego udział w wymianie ciepła do płyt przy zapewnieniu równocześnie stosunkowo małego oporu przepływu między kanałami, jak również przy otrzymaniu układu powierzchni, łatwych do oczyszczania.

Do oczyszczania płyt do przenoszenia ciepła, zwykle stosuje się zdmuchiwacze sadzy, które wywołują strumień powietrza lub pary płynących pod wysokim ciśnieniem i przepływających kanałami pomiędzy ułożonymi w stos płytami do przekazywania ciepła w celu usunięcia wszelkich osadów cząstkowych z ich powierzchni i odprowadzenia ich na zewnątrz, z pozostawieniem stosunkowo czystej powierzchni. Pewnym problemem występującym przy tym sposobie czyszczenia jest to, że siła czynnika wdmuchiwanego pod wysokim ciśnieniem na stosunkowo cienkie płyty do przekazywania ciepła może prowadzić do popękania tych płyt, jeżeli nie przewidziano w projekcie zapewnienia pewnej sztywności konstrukcyjnej zespołowi stosu płyt przenoszących ciepło.

Jednym z rozwiązań tego problemu jest drobne pofałdowanie powierzchni pojedynczych płyt przenoszących ciepło z utworzeniem karbów z podwójnymi wypukłościami: jedną wypukłością wystającą z płyty w jednym kierunku i drugą wypukłością wystającą z płyty w kierunku przeciwnym. Wtedy przy składaniu płyt w stos gdy powstaje zespół elementów wymiany ciepła, te wypukłości służą do utrzymania sąsiednich płyt tak, że siły wywierane na płyty podczas operacji wydmuchiwania sadzy mogą być równoważone między różnymi płytami tworzącymi zespół elementów przenoszenia ciepła.

Zespół elementów przenoszenia ciepła tego typu opisano w patencie St. Zjedn. Ameryki nr 4.396.058. W tym patencie, karby przebiegają w kierunku przepływu strumienia płynu do wymiany ciepła, to znaczy przepływają osiowo przez wirnik. Poza zastosowaniem karbów, płyty są pofałdowane z utworzeniem szeregu ukośnych fal biegnących między karbami, pod kątem ostrym względem przepływu strumienia płynu biorącego udział w wymianie ciepła. Fale na sąsiednich płytach są umieszczone skośnie w stosunku do linii przepływu strumienia, albo w tę samą stronę, albo w strony przeciwne. Jakkolwiek takie zespoły elementów przekazywania ciepła wykazują korzystne wskaźniki przekazywania ciepła, to wyniki raczej w szerokim zakresie zależą od konkretnej konstrukcji i współzależności między karbami a falami.

PL 193 798 B1

Na załączonym rysunku, na pos. I przedstawiono w widoku perspektywicznym konwencjonalną wirującą regeneracyjną wstępną nagrzewnicę, która zawiera zespoły elementów do przekazywania ciepła, zaś na pos. II przedstawiono w widoku perspektywicznym konwencjonalny zespół elementów, z ukazaniem ułożonych w stos płyt do przekazywania ciepła.

Na pos. I przedstawiono konwencjonalną wirującą wstępną nagrzewnicę regeneracyjną 10. Wstępna nagrzewnica 10 ma wirnik 12 zamocowany obrotowo w obudowie 14. Wirnik 12 posiada przegrody 16 odchodzące promieniowo od wału 18 w kierunku zewnętrznego obwodu wirnika 12. Pomiędzy przegrodami 16 znajdują się komory 17, w których umieszczone są zespoły 40 elementów do wymiany ciepła.

W obudowie 14 znajdują się kanały gazów spalinowych. Kanał wlotowy 20i kanał wylotowy 22, umożliwiające przepływ nagrzanych gazów spalinowych przez wstępną nagrzewnicę 10 powietrza oraz kanał wlotowy 24 powietrza i kanał wylotowy 26 powietrza umożliwiające przepływ powietrza spalania przez wstępną nagrzewnicę 10 powietrza. Płyty sektorowe 28 przechodzą przez obudowę 14 w sąsiedztwie powierzchni górnej i powierzchni dolnej wirnika 12. Płyty sektorowe 28 dzielą wstępną nagrzewnicę 10 powietrza na sektor powietrza i sektor gazów spalinowych. Strzałki na pos. I wskazują kierunek strumienia 36 gorących gazów spalinowych i strumienia 38 powietrza płynących przez wirnik 12. Strumień 36 gorących gazów spalinowych wpływający przez kanał wlotowy 20 dla gazów spalinowych przekazuje ciepło zespołom 40 elementów do przenoszenia ciepła, zainstalowanych w komorach 17. Następnie nagrzane zespoły 40 elementów do przekazywania ciepła są obracane do sektora 32 nagrzewnicy 10. W sektorze 32 zgromadzone ciepło zespołów 40 elementów do przekazywania ciepła jest przekazywane do strumienia 38 powietrza spalania wpływającego przez kanał wlotowy 24 powietrza. Strumień 36 zimnych gazów spalinowych opuszcza nagrzewnicę 10 przez kanał wylotowy 22 dla gazów spalinowych, a strumień 38 nagrzanego powietrza wypływa z nagrzewnicy 10 przez kanał wylotowy 26.

Na pos. II pokazano typowy zespół 40 elementów do przekazywania ciepła, czyli koszyk, gdzie pokazano płyty 42 do przekazywania ciepła ułożone w zespole 40w stos.

Celem wynalazku jest zespół elementów do przekazywania ciepła dla wymiennika ciepła.

Zespół elementów do przekazywania ciepła dla wymiennika ciepła zawierający pierwsze płyty absorbujące ciepło i drugie płyty absorbujące ciepło ułożone naprzemiennie w stos, w pewnych odstępach od siebie, pomiędzy którymi znajduje się wiele kanałów do przypływu czynnika wymieniającego ciepło przy czym każda z pierwszych płyt absorbujących ciepło i każda z drugich płyt absorbujących ciepło posiada wiele dwuwypukłych karbów umieszczonych równolegle do siebie i umieszczonych w odległości od siebie, zaś każdy z wielu dwuwypukłych karbów zawiera pierwszą wypukłość wystającą na zewnątrz z jednej strony każdej z pierwszych płyt wymieniających ciepło i z jednej strony każdej z drugich płyt wymieniających ciepło oraz drugą wypukłość wystającą na zewnątrz z przeciwnej strony każdej z pierwszych płyt wymieniających ciepło i z przeciwnej strony każdej z drugich płyt wymieniających ciepło przy czym te karby tworzą elementy dystansowe pomiędzy sąsiadującymi ze sobą pierwszymi płytami wymieniającymi ciepło i drugimi płytami wymieniających ciepło, zaś pomiędzy nimi karbami są umieszczone fale, ustawione pod kątem tych karbów, według wynalazku charakteryzuje się tym, że rozmiar karbów od wierzchołka wypukłości po jednej stronie do dna wypukłości po drugiej stronie wynosi On, natomiast rozmiar fali od wierzchołka jednej fali do dna sąsiedniej fali wynosi Ou, a ponadto stosunek Ou/On jest większy od 0,3, a mniejszy od 0,5, zaś odległość Pn pomiędzy dwoma karbami jest większa od dwóch cali, natomiast kąt Au, pod jakim są ustawione fale względem karbów jest większy od 20° a mniejszy od 40°, a ponadto fale na sąsiednich pierwszych płytach absorbujących ciepło i drugich płytach absorbujących ciepło są umieszczone pod przeciwnymi kątami Au względem do karbów.

W rozwiązaniu według wynalazku uzyskano udoskonalony zespół elementów, w którym jest zoptymalizowana sprawność termiczna, celem zapewnienia pożądanego poziomu przekazywania ciepła i spadku ciśnienia przy zastosowaniu urządzeń o zmniejszonej objętości i ciężarze. Według wynalazku, płyty zespołu elementów do przekazywania ciepła mają wzdłużne karby, każdy z dwiema wypukłościami i ukośnymi falami między karbami, przy czym sprawność cieplną optymalizuje się przez zastosowanie mieszczących się w konkretnym zakresie proporcji rozmiarów utworzonych przez fale i karby, odstępów między karbami i kąta między falami a karbami. Fale na sąsiednich płytach rozchodzą się w przeciwnych kierunkach względem siebie i w kierunku przepływu płynu.

Przedmiot zgłoszenia jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w widoku perspektywicznym fragmenty trzech płyt do przekazywania ciepła, dla zespołu

PL 193 798B1 elementów do przekazywania ciepła według wynalazku z ukazaniem odstępów między karbami i kąta ustawienia fal, fig. 2 jest widokiem czołowym jednej z płyt z fig. 1, ilustrującym względne rozmiary karbów i fal, zaś fig. 3 przedstawia wykres ukazujący zmiany stosunku objętości i masy zespołów elementów do przekazywania ciepła względem punktu odniesienia w funkcji stosunku rozmiaru fal do rozmiaru karbów przy stałym przekazywaniu ciepła i spadku ciśnienia, fig. 4 jest widokiem podobnym, jak na fig. 1, ilustrującym drugi przykład wykonania wynalazku.

Figura 1 przedstawia zespół elementów do przekazywania ciepła dla wymiennika ciepła w pierwszym przykładzie wykonania, według wynalazku. Pokazano trzy ułożone w stos płyty 44, 46 i 48 do przekazywania ciepła. W tym przykładzie wykonania, wszystkie płyty do przekazywania ciepła są w zasadzie identyczne, przy czym każda następna płyta jest obrócona o 180° tworząc przedstawioną konfigurację. Płyty są wykonane z cienkiej blachy nadającej się do walcowania lub tłoczenia aby nadać im pożądany kształt. Każda płyta 44, 46, 48 ma szereg dwuwypukłych karbów 50 umieszczonych w pewnych odstępach od siebie, przebiegających wzdłużnie i równolegle do kierunku strumienia płynu biorącego udział w wymianie ciepła i płynącego przez wirnik wstępnej nagrzewnicy powietrza. Karby 50 utrzymują sąsiednie płyty 44, 46, 48 w wyznaczonej odległości od siebie i tworzą kanały przepływowe między sąsiednimi płytami 44, 46, 48.

Każdy dwuwypukły karb 50 ma jedną wypukłość 52 skierowaną na zewnątrz od powierzchni płyty 44, 46, 48 po jednej jej stronie, i drugą wypukłość 54 odchodzącą na zewnątrz od powierzchni płyty 44, 46, 48 po drugiej stronie. Każda wypukłość 52, 54 ma postać w zasadzie rowka w kształcie litery V z wierzchołkiem 56 skierowanym na zewnątrz w jednym z dwóch przeciwnych kierunków.

Jak pokazano na fig. 1, wierzchołki 56 karbów 50 są oparte na sąsiednich płytach 44, 46, 48 utrzymując odstęp między płytami 44, 46, 48. Należy również zauważyć, że płyty 44, 46, 48 są rozmieszczone tak, że karby 50 na jednej płycie 44, 46, 48 są zlokalizowane w przybliżeniu w połowie odległości między karbami 50 na sąsiednich płytach 44, 46, 48, celem uzyskania maksymalnego podparcia płyt 44, 46, 48. Podziałkę karbów 50, to znaczy odstęp między nimi na jednej płycie 44, 46, 48, oznaczono Pn.

Na każdej z płyt 44, 46, 48 na odcinkach między karbami 50 są umieszczone fale 58 skierowane pod kątem Au do karbów 50. Jak to pokazano na fig. 1, fale 58 umieszczone na sąsiednich płytach 44, 46, 48 są skierowane w przeciwnych kierunkach względem siebie i w kierunku przepływu płynu. Na fig. 1 widać również, że płyty 44, 46 i 48 są identyczne, z tym tylko, że płyta 46 jest odwrócona o kąt 180° względem płyt 44 i 48. Korzystną cechą rozwiązania według wynalazku jest to, że zachodzi potrzeba wytwarzania płyt tylko jednego typu.

Na fig. 2 pokazano w widoku czołowym część jednej z płyt z fig. 1, z ukazaniem karbów 50, wypukłości 52 i 54 oraz fal 58. Rozmiar karbów 50 stanowi odległość On od wierzchołka 56 do dna 57. Rozmiar fal 58 jest to odstęp Ou między wierzchołkiem 59' a dnem 59. Zgodnie z wynalazkiem, optymalną sprawność termiczną i zmniejszoną objętość zespołu elementów do przekazywania ciepła oraz masę, osiąga się za pomocą skonfigurowania parametrów w następujących zakresach:

0,5 > Ou/On > 0,3 Pn > 2 cali (5,08 cm)

40° > Au > 20°

Figura 3 przedstawia wykres obrazujący zalety wynalazku w odniesieniu do jednego parametru konfiguracyjnego, a mianowicie stosunku Ou do On. Wykres ukazuje wyniki badania próbek o różnych wartościach stosunku Ou/On. Ponadto, wykres ilustruje również różnicę między falami, które na sąsiednich płytach są ustawione równolegle do siebie i falami, które na sąsiednich płytach są umieszczone pod przeciwnymi kątami (krzyżują się).

Wykres ukazuje stosunek objętości i stosunek ciężaru zespołów elementów do wymiany ciepła w porównaniu z podstawową objętością i ciężarem jako funkcji stosunku Ou do On. Podstawową objętość i masę dobrano dla stosunku Ou/On = 0,375.

Jak można zauważyć, kiedy maleje stosunek Ou/On poniżej tego punktu podstawowego, to objętość i masa rosną. Według wynalazku, dolna granica stosunku Ou/On wynosi 0,3, kiedy objętość i masa mieszczą się w akceptowalnych granicach. Jakkolwiek pewien wzrost stosunku Ou/On dawał korzystniejsze proporcje objętości i ciśnienia, to praktyczną granicę wysokości fal w stosunku do rozmiaru karbów osiąga się przy stosunku Ou/On = 0,5. Inne próby wykazały, że współczynnik przekazywania ciepła (współczynnik j Coburn'a) zwiększa się o około 47%, kiedy stosunek Ou/On rośnie od 0,237 do 0,375.

PL 193 798 B1

Przy zastosowaniu parametrów według wynalazku, otrzymuje się strumień płynu z zawirowaniami, zawierający wiry i wtórne przepływy. Strumień uderza w płyty i intensyfikuje przenoszenie ciepła. Zawirowanie służy również do mieszania przepływającego płynu i zapewnia bardziej równomierną temperaturę przepływu strumienia płynu. Przy tym strumień wirujący ponownie uderza w płyty w miejscu przesuniętym w kierunku przepływu. Ten proces uderzania i mieszania trwa dalej i nasila tempo przekazywania ciepła, bez zwiększenia spadku napięcia, co w efekcie daje zmniejszenie objętości i masy zespołów przy tej samej łącznej ilości przenoszonego ciepła.

Na fig. 4 przedstawiono zespół elementów do przekazywania ciepła dla wymiennika ciepła w drugim przykładzie wykonania, według wynalazku. W tym przykładzie wykonania płyty 44 i 48są takie same, jak odpowiednie płyty pokazane na fig. 1. Jednakowoż płyta 60 pokazana na fig. 4 różni się od płyty 46 na fig. 1a mianowicie wypukłości 62 i 64 karbów 66 w płycie 60 mają kierunek odwrotny względem odpowiednich wypukłości 52 i 54 pokazanych na fig. 1. Zatem, płyta 60 nie jest identyczna jak płyty 44 i 48 lecz zachowane są te same parametry wynalazku zaś fale na sąsiednich płytach nadal są skierowane w przeciwnych kierunkach.

Claims

Zespół elementów do przekazywania ciepła dla wymiennika ciepła zawierający pierwsze płyty absorbujące ciepło i drugie płyty absorbujące ciepło ułożone naprzemiennie w stos, w pewnych odstępach od siebie, pomiędzy którymi znajduje się wiele kanałów do przypływu czynnika wymieniającego ciepło przy czym każda z pierwszych płyt absorbujących ciepło i każda z drugich płyt absorbujących ciepło posiada wiele dwuwypukłych karbów umieszczonych równolegle do siebie i umieszczonych w odległości od siebie, zaś każdy z wielu dwuwypukłych karbów zawiera pierwszą wypukłość wystającą na zewnątrz z jednej strony każdej z pierwszych płyt wymieniających ciepło i z jednej strony każdej z drugich płyt wymieniających ciepło oraz drugą wypukłość wystającą na zewnątrz z przeciwnej strony każdej z pierwszych płyt wymieniających ciepło i z przeciwnej strony każdej z drugich płyt wymieniających ciepło przy czym te karby tworzą elementy dystansowe pomiędzy sąsiadującymi ze sobą pierwszymi płytami wymieniającymi ciepło i drugimi płytami wymieniającymi ciepło, zaś pomiędzy nimi karbami są umieszczone fale, ustawione pod kątem tych karbów, znamienny tym, że rozmiar karbów (50) od wierzchołka (56) wypukłości (52) po jednej stronie do dna (57) wypukłości (52) po drugiej stronie wynosi (On), natomiast rozmiar fali (58) od wierzchołka (59') jednej fali (58) do dna (59) sąsiedniej fali (58) wynosi (Ou), a ponadto stosunek Ou/On jest większy od 0,3, a mniejszy od 0,5, zaś odległość (Pn) pomiędzy dwoma karbami (50) jest większa od dwóch cali, natomiast kąt (Au), pod jakim są ustawione fale (58) względem karbów (50), jest większy od 20° a mniejszy od 40°,a ponadto fale (58) na sąsiednich pierwszych płytach absorbujących ciepło (44) i drugich płytach absorbujących ciepło (46) są umieszczone pod przeciwnymi kątami (Au) względem karbów (50).