DE69801766T2

DE69801766T2 - Wärmeaustauschfläche für luftvorwärmer

Info

Publication number: DE69801766T2
Application number: DE69801766T
Authority: DE
Inventors: Tadek Casimir Brzytwa; Stanley Counterman; David Seebald
Original assignee: Alstom Power Inc
Current assignee: Alstom Power Inc
Priority date: 1997-09-15
Filing date: 1998-09-11
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2018-09-12
Also published as: EP1015834A1; BR9812814A; TW403820B; PL339249A1; ZA988389B; US5899261A; CN1270666A; ES2163889T3; DE69801766D1; CZ2000909A3; WO1999014543A1; JP2001516866A; EP1015834B1; CA2302246A1; KR20010023965A; PL191289B1

Description

Allgemeiner Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft regenerative Drehluftvorwärmer zur Übertragung von Wärme von einem Rauchgasstrom auf einen Verbrennungsluftstrom. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Wärmeübertragungsfläche eines Luftvorwärmers.
Regenerative Drehluftvorwärmer werden gemeinhin zur Übertragung von Wärme von aus einem Ofen austretenden Rauchgasen auf die einströmende Verbrennungsluft verwendet. Herkömmliche regenerative Drehluftvorwärmer weisen einen in einem Gehäuse drehbar angebrachten Rotor auf. Der Rotor stützt Wärmeübertragungsflächen, die durch Wärmeübertragungselemente zur Übertragung von Wärme von den Rauchgasen auf die Verbrennungsluft definiert werden. Der Rotor weist radiale Trennwände oder Membranen auf, die dazwischen Fächer zum Stützen der Wärmeubertragungselemente definieren. Sektorplatten erstrecken sich über die oberen und unteren Rotorflächen, um den Vorwärmer in einen Gassektor und mindestens einen Luftsektor zu unterteilen. Der heiße Rauchgasstrom wird durch den Gassektor des Vorwärmers geleitet und überträgt Wärme auf die Wärmeübertragungselemente am sich kontinuierlich drehenden Rotor. Dann werden die erwärmten Wärmeübertragungselemente zum Luftsektor des Vorwärmers gedreht. Dadurch wird der über die Wärmeübertragungselemente geleitete Verbrennungsluftstrom erwärmt.
An Wärmeübertragungselemente für regenerative Luftvorwärmer werden mehrere Anforderungen gestellt. In erster Linie müssen die Wärmeübertragungselemente den erforderlichen Wärmeübertragungs- oder Energierückgewinnungsgrad für eine gegebene Tiefe des Wärmeübertragungselements bereitstellen. Herkömmliche Wärmeübertragungselemente für Luftvorwärmer umfassen eine Kombination aus verschiedenen Arten von flachen und/oder formgepreßten Stahlplatten, die in als Körbe bezeichneten Wärmeaustauschmodulen in voneinander beabstandeter Beziehung aufgestapelt sind. Diese voneinander beabstandeten Platten bilden allgemein längliche Durchgänge oder Kanäle für die Strömung des Rauchgasstroms und des Luftstroms durch den Rotor. Die Oberflächenausführung und Anordnung der Wärmeübertragungsplatten sorgt für Kontakt zwischen benachbarten Platten, um die Durchgänge oder Kanäle zu definieren und aufrechtzuerhalten. Weitere Anforderungen an die Wärmeübertragungselemente bestehen darin; daß der Wärmeübertragungselementstapel für eine gegebene Tiefe des Wärmeübertragungselements einen minimalen Druckabfall definiert und des weiteren in ein kleines Volumen paßt.
Wärmeübertragungselementflächen sind in den letzten 60 und mehr Jahren gemäß vielen Methoden und Geometrien ausgeführt und hergestellt worden. Es sind viele Versuche unternommen worden, neue Profile zu entwickeln, die hohe Grade an Wärmeübertragung bei geringen Druckabfällen bieten, und solche, die nicht so leicht verschmutzen, leichter zu reinigen sind und durch Rußblasen nicht leicht beschädigt werden. Eine solche in Erwägung gezogene Fläche mit hervorragender Wärmeübertragung und geringem Druckabfall wird in der US-PS 4,449,573 gezeigt. Dieses Profil besteht aus einem Paket von Wärmeübertragungsplatten, die alle das gleiche Profil aufweisen. Die Platten sind mit Kerben ausgebildet, die schräg zur Hauptströmungsrichtung verlaufen. Die Platten sind so positioniert, daß die Kerben einer Platte die Kerben der zweiten Platte kreuzen. Die Kerben sind parallele Doppelstege, die sich in Querrichtung von den gegenüberliegenden Seiten einer Wärmeübertragungsplatte erstrecken. Deshalb bildet jede Kerbe auf jeder Fläche einer Wärmeübertragungsplatte einen Scheitel und ein unmittelbar benachbartes Tal. Die Kerben weisen mindestens zwei vorteilhafte Funktionen auf, erstens, die Wärmeübertragungsplatten in einem bekannten und gleichmäßigen Abstand getrennt zu halten, und zweitens erhöhen die Kerben die Wärmeübertragungsrate durch periodische Unterbrechung der Temperaturgrenzschicht, die sich in einem strömenden Fluidmittel über die Fläche der Wärmeübertragungsplatte bildet. Auf diese Weise berühren die Platten einander nur an den entlang dem Rücken der Kerben beabstandeten Stellen. Obgleich dies eine Verbesserung gegenüber den früheren Flächen darstellt, sind mit dieser Konfiguration gewisse Nachteile verbunden. Ihre Reinigung ist schwierig, da alle Teilchen dazu neigen, in einem Winkel zu einer Seite weggetrieben zu werden. Es gibt keine Öffnung in der Hauptströmungsrichtung für Teilchen, Wasserstrahlen oder Rußblasstrahlen. Sie läßt sich nicht in einem Korb löse packen, da die abgewinkelten Kerben keine ausreichende Konstruktionsfestigkeit bieten, um den durch Rüßblasen erzeugten Vibrationen standzuhalten, wenn die Platten nicht durch Berührung mit benachbarten Platten eng anliegend gestützt werden. Da durch das Element keine gerade Sichtlinie verläuft, kann ein Infrarot- oder Heißstellenerfassungssystem eine Infrarotstrahlung in irgendeiner bedeutenden Elementtiefe nicht entdecken. Somit gibt es keine Möglichkeit, einen Heißstellenzustand innerhalb oder stromabwärts des Elementstapels zu erfassen.
Die in der US-PS 4,449,573 beschriebene schräge Kerbe dient der Unterbrechung der Temperaturgrenzschicht im Fluid und dadurch der Erhöhung der Wärmeübertragungsrate. In der Strömungslehre entspricht die schräge Kerbe im wesentlichen einer gleichmäßigen, periodischen Rauhigkeit der Plattenoberfläche. Da sowohl die Plattenbeabstandung als auch die Rauhtiefe proportional zur Höhe der schrägen Kerbe sind, ist es jedoch unmöglich, die Rauhtiefe unabhängig von der Plattenbeabstandung zu ändern. Dadurch entfällt die Möglichkeit einer Optimierung des Verhältnisses von Rauhigkeit zu Plattenbeabstandung. Über diese Art von Optimierung wurde in der Wärmeübertragungsliteratur als eine Optimierung des Verhältnisses H/Dh, berichtet, wobei H die Rauhtiefe und Dh der hydraulische Durchmesser des Kanals ist. Der hydraulische Durchmesser weist Längeneinheiten auf und wird als 4 · das Verhältnis des Strömungsquerschnitts geteilt durch den benetzten Umfang des Kanals definiert. Für unendliche, parallele, flache Platten ist Dh gleich 2 · die Öffnung zwischen den Platten. Für die Platten der US-PS 4,449,573 würde die Höhe der schrägen Kerbe über der flachen Platte H betragen, so daß die Kanalöffnung 2H betragen würde. Der Dh würde ca. 2 · die Kanalöffnung oder 4H betragen. Dies bedeutet, daß das Verhältnis H/Dh unabhängig von dem Wert von H immer ca. 0,25 betragen würde.
Wenn die Plattenbeabstandung unabhängig von der Rauhtiefe geändert werden könnte, kann der Durchmesser des Luftvorwärmers vermindert werden, so daß er unter Beibehaltung der gleichen Wärmerückgewinnung und des gleichen Druckabfalls mit einer höheren Strömungsgeschwindigkeit betrieben werden kann. Unter diesen Einschränkungen ist eine größere Plattenbeabstandung erforderlich, und daraus ergibt sich ein kleinerer Durchmesser und ein tieferer Luftvorwärmer, der möglicherweise, ein größeres Elementgewicht aufweist, da die größere Plattenbeabstandung in der Regel selbst bei größeren Geschwindigkeiten zu einer geringeren Turbulenz führen würde. Es gibt Anlagen, in denen dies wünschenswert ist, da es dadurch bei einer höheren Geschwindigkeit zu weniger Verschmutzung kommt. Jedoch kann bei den Platten der US-PS 4,449,673 ein vergrößerter Plattenabstand nur durch Vergrößerung der Höhe der schrägen Kerbe erreicht werden. Bei den größeren Geschwindigkeiten erzeugt die höhere schräge Kerbe einen unverhältnismäßig großen Druckabfall.

Kurze Darstellung der Erfindung

Kurz gefaßt ist die Erfindung ein verbessertes Wärmeübertragungselement zur Übertragung von Wärme von einem Rauchgasstrom auf einen Luftstrom in einem regenerativen Luftvorwärmer. Das Wärmeübertragungselement umfaßt ein Paket von Wärmeübertragungsplatten, die alle das gleiche Profil aufweisen, wobei jede Platte mit zwei Kerbenarten versehen ist. Jede Kerbe wird durch benachbarte Stege gebildet, die sich von einander gegenüberliegenden Seiten der Wärmeübertragungsplatte erstrecken.
Die erste Reihe von Kerben besteht aus parallelen, voneinander beabstandeten, geraden Kerben, die in Richtung der Nennströmungsrichtung, das heißt, die allgemein gerade in Richtung von einer Rotorfläche zur anderen verlaufen. Die zweite Reihe von Kerben besteht aus schrägen oder abgewinkelten Kerben, die durch flache Abschnitte voneinander beabstandet sind und die sich zwischen den geraden Kerben erstrecken. Die Höhe der geraden Kerben ist gleich der und vorzugsweise größer als die Höhe der abgewinkelten Kerben, so daß die geraden Kerben die Rücken der abgewinkelten Kerben berühren und für die Plattenbeabstandung und Abstützung sorgen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine teilweise weggebrochene, allgemein perspektivische Ansicht eines regenerativen Drehluftvorwärmers;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer der Platten der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 ist ein Querschnitt der Platte nach Fig. 2 entlang der Linie 3-3;
Fig. 4 ist eine Vorderansicht zweier der gestapelten Wärmeübertragungsplatten, wobei die erste Platte weggebrochen ist, um die zweite Platte zu zeigen;
Fig. 5 und 6 sind Querschnittsansichten, die zwei verschiedene Arten der Plattenstapelung zeigen;
Fig. 7 ist eine Vorderansicht dreier gestapelter Platten, die weggebrochen ist, um jede Platte zu zeigen; und
Fig. 8 ist eine Querschnittsansicht der gestapelten Platten nach Fig. 7.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform Fig. 1 der Zeichnungen ist eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht eines typischen Luftvorwärmers, die ein Gehäuse 12 zeigt, in dem der Rotor 14 an einer Antriebswelle oder Säule 16 zur durch Pfeil 18 gezeigten Drehung angebracht ist. Der Rotor besteht aus mehreren Sektoren 20, wobei jeder Sektor mehrere Korbmodule 22 enthält und durch die Membranen 34 definiert wird. Die Korbmodule enthalten die Wärmeaustauschfläche. Das Gehäuse ist durch die strömungsundurchlässige Sektorplatte 24 in eine Rauchgasseite und eine Luftseite unterteilt. Des weiteren ist eine entsprechende Sektorplatte am Boden der Einheit angeordnet. Die heißen Rauchgase treten durch den Gaseinlaßkanal 26 in den Luftvorwärmer ein und strömen durch den Rotor, wo Wärme auf den Rotor übertragen wird, und treten dann durch den Gasauslaßkanal 28 aus. Die gegenströmende Luft tritt durch einen Lufteinlaßkanal 30 ein, strömt durch den Rotor, nimmt dort Wärme auf und tritt dann durch den Luftauslaßkanal 32 aus. Die die Wärmeaustauschfläche enthaltenden Korbmodule 22 sind typische bei Luftvorwärmern verwendete Module, außer daß sie die Wärmeaustauschfläche nach der vorliegenden Erfindung enthalten.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Wärmeübertragungsplatte 34 nach der vorliegenden Erfindung. Die Platte 34 enthält eine erste Reihe von voneinander beabstandeten Kerben 36, die allgemein parallel zur Fluidströmungsrichtung durch den Luftvorwärmer und über die Platte verlaufen. Die bevorzugte Ausrichtung zur Nennströmungsrichtung liegt bei Null Grad, könnte aber +/- 3 Grad betragen. Jede Kerbe umfaßt zwei benachbarte Teile oder Stege 38 und 40, die aus der Ebene der Platte ragen, wobei der Teil 38 aus einer Seite der Platte und der Teil 40 aus der anderen Seite ragt.
Die zweite Reihe von Kerben umfaßt die schrägen oder abgewinkelten Kerben 42, die parallel zueinander verlaufen und sich in einem Winkel zwischen benachbarten der geraden Kerben 36 erstrecken. Die schrägen Kerben 42 können in einem Winkel von 10 bis 50 Grad zur Strömungsrichtung verlaufen. Die schrägen Kerben 42 sind durch flache Abschnitte 44 voneinander getrennt. Wie in Fig. 3, bei der es sich um eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 von Fig. 2 handelt, gezeigt, weisen die flachen Abschnitte 44 zwischen den Kerben 42 ein Maß "X" auf. Wie des weiteren in Fig. 3 gezeigt, liegt die Höhe "H" der Kerben 42 über der Plattenebene. Diese Abmessung H wird als Rauhtiefe bezeichnet. Bei der vorliegenden Erfindung beträgt das Maß X mindestens 3H und häufiger 1CR bis 40H. Ein optimaler Wert für X liegt erwartungsgemäß irgendwo im Bereich von 3H bis 40H, da die Wärmeübertragungsliteratur Studien über etwas andere Geometrien enthält, bei denen der Optimalwert von X in einem Bereich von 10H bis 2CR liegt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß es eine gewisse Strecke erfordert, bis sich die unterbrochene Grenzschicht wieder selbst am flachen Abschnitt der Platte anlegt und sich dann wieder verdickt, bevor sie erneut unterbrochen werden muß. Wenn X zu klein ist, kommt es zu keinem Wiederanlegen der Strömung, und wenn X zu groß ist, ist die Wärmeübertragungsrate aufgrund der fehlenden Grenzschichtunterbrechungen geringer.
Fig. 4 zeigt einen Stapel aus zwei der Platten nach Fig. 2, wobei sämtliche Platten identisch sind, abwechselnde Platten aber vor ihrer Stapelung gedreht werden, um das in Fig. 4 dargestellte Kerbenmuster zu erhalten. Die Höhe der geraden Kerben 36 ist gleich der Höhe oder vorzugsweise größer als die Höhe der schrägen Kerben 42, so daß die geraden Kerben die Rücken der abgewinkelten Kerben berühren und von diesen abgestützt werden. Wenn die geraden Kerben 36 höher sind als die schrägen Kerben 42, wird zwischen den Platten ein offener Kanal erzeugt. Dieser offene Kanal bildet eine Sichtlinie durch den Stapel für Infrarot- Heißstellenerfassung. Des weiteren bildet er einen Weg für Teilchen, die das Elementepaket in einer parallel zur Hauptfluidströmung verlaufenden Richtung durchlaufen sollen.
In den Fig. 5 und 6 werden zwei verschiedene Anordnungen für Stapelungen der Platten 34 dargestellt.
Fig. 5 ist die bevorzugte Stapelanordnung mit gleichen offenen Bereichen. Wie gezeigt, ist "N" der Abstand zwischen den Kerben 36 und "A" der offene Bereich zwischen den Kerben an benachbarten Platten. In Fig. 6 ist der Abstand N der gleiche, aber der offene Bereich zwischen ineinandergreifenden Kerben an benachbarten Platten ist nur A&sub1; und A&sub2;, die nicht gleich sind.
In den Fig. 7 und 8 wird eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt, bei der zwei Plattenarten in einer abwechselnden Anordnung eingesetzt werden. Die Platten 34 sind die gleichen wie die Platten 34 der bereits beschriebenen und anhand der Fig. 2 bis 6 gezeigten Ausführungsformen und enthalten die beiden Arten von Kerben 36 und 42 und die flachen Teile 44. Die zweite Plattenart sind die Platten 46, die jeweils zwischen den Platten 34 angeordnet sind. Diese Platten 46 enthalten die schrägen Kerben 48, die die gleichen oder so ähnlich sind wie die schrägen Kerben 42. Diese Platten 46 weisen jedoch keine mit den geraden Kerben 36 der Platten 34 vergleichbaren geraden Kerben auf. Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen die schrägen Kerben 48 die gleichen Abmessungen auf wie die schrägen Kerben 42, einschließlich Winkel, Höhe und Abstand von Kerbe zu Kerbe. Wieder einmal ist bei der bevorzugten Anordnung die Höhe der geraden Kerben größer als die Höhe der schrägen Kerben 42 und 48.
Obgleich sich die Richtung der schrägen Kerben bei den dargestellten bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung abwechselt, ist dies für die Erfindung nicht entscheidend. Ein Vorteil der schrägen Kerben in Kombination mit den geraden Kerben besteht darin, daß die schrägen Kerben zu einem Bereich geneigt sind, der an den Schnittpunkten der geraden und schrägen Kerben offener ausgebildet ist. Dieses "Tal" wird durch die Abflachung der schrägen Kerben bei Bildung der geraden Kerben gebildet. Dieser offenere Bereich bildet einen Weg zur Entfernung von Teilchen oder Ablagerungen aus dem Paket beim Rußblasen oder bei Wasserspülung.
Das Wärme- und Druckabfallverhalten des Pakets kann zu einem speziellen Ausführungszustand optimiert werden, da der hydraulische Durchmesser unabhängig von der durch die schrägen Kerben erzeugten Rauhigkeit geändert werden kann. Das heißt, die Höhe der geraden Kerben und somit die Plattenbeabstandung kann unter Beibehaltung einer konstanten oder sogar verringerten Höhe der schrägen Kerben nach Wunsch vergrößert oder verringert werden. Dies ist bei Ausführungen, bei denen die schrägen Kerben die Plattenbeabstandung bestimmen, nicht möglich.
Die Platten nach der vorliegenden Erfindung sind in sich sehr starr. Zunächst werden die Platten durch die geraden Kerben verstärkt und dann durch die schrägen Kerben weiter verstärkt. Ein Vorteil besteht darin, daß die Platten lose im Korb angeordnet werden können, da eine dichte Packung zur Beibehaltung der Abstützung der Platte nicht mehr erforderlich ist. Dank dieser losen Packung können die Platten beim Rußblasen oder bei Hochdruckwasserspülung gut geschüttelt und gebogen werden, was das Abbrechen und Lösen der Ablagerungen an den Platten unterstützt.
Die sowohl gerade als auch schräge Kerben aufweisenden Platten können dadurch hergestellt werden, daß das Rohmetallmaterial entweder einen Kerbwalzvorgang durchläuft, bei dem die Walzen ein Muster aufweisen, das beide Kerbarten auf einmal herstellt, oder daß zwei verschiedene Kerbwalzvorgänge verwendet werden. Das letztere Verfahren weist gewisse Vorteile auf, weil bei Herstellung der schrägen Kerben in einem ersten Arbeitsgang der zweite Kerbvorgang für die geraden Kerben die schrägen Kerben abflacht oder lokal entfernt, so daß eine gewisse Rauhigkeit von der schrägen Kerbe zwecks Grenzschichtunterbrechung an der geraden Kerbe bleibt.

Claims

1. Wärmeübertragungselement für einen regenerativen Drehwärmetauscher mit einem Rotor, das mehrere gestapelte und voneinander beabstandete Wärmeaustauschplatten umfaßt, die so in dem Rotor angeordnet sind, daß sie dazwischen Kanäle zur Fluidströmung in einer allgemein axial durch den Rotor verlaufenden Richtung bilden, wobei jede der mehreren Wärmeaustauschplatten

a. mehrere darin voneinander beabstandet ausgebildete gerade Kerben, die sich in einer allgemein parallel zur Fluidströmungsrichtung verlaufenden Richtung erstrecken; und

b. mehrere darin in parallelen Abständen ausgebildete schräge Kerben, die durch flache Teile der Platte getrennt werden und sich in einem Winkel zu den geraden Kerben und zur Fluidströmungsrichtung sowie zwischen benachbarten geraden Kerben erstrecken, umfaßt.

2. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, bei dem die geraden Kerben eine erste gewählte Höhe über der Ebene der Platte aufweisen und die schrägen Kerben eine zweite gewählte Höhe über der Ebene der Platte aufweisen und wobei die zweite Höhe gleich oder kleiner als die erste Höhe ist.

3. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 2, bei dem die zweite Höhe kleiner als die erste Höhe ist.

4. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 2, bei dem die Abmessung der flachen Teile der Platte zwischen schrägen Kerben, gemessen in der axialen Richtung, mindestens dreimal so groß ist wie die zweite gewählte Höhe.

5. Wärmeübertragungselement nach Anspruch 1, bei dem der zwischen den schrägen Kerben und der Fluidströmungsrichtung an benachbarten gestapelten und voneinander beabstandeten Wärmeaustauschplatten gebildete Winkel in entgegengesetzten Winkeln zur Fluidströmungsrichtung verlaufen [sic]

6. Wärmeübertragungselement für einen regenerativen Drehwärmetauscher mit einem Rotor, das mehrere gestapelte und voneinander beabstandete Wärmeaustauschplatten umfaßt, die so in dem Rotor angeordnet sind, daß sie dazwischen Kanäle zur Fluidströmung in einer allgemein axial durch den Rotor verlaufenden Richtung bilden, wobei die Wärmeaustauschplatten eine Reihe von ersten Wärmeaustauschplatten umfassen, die sich mit mehreren von zweiten Wärmeaustauschplatten abwechseln, wobei jede der ersten Wärmeaustauschplatten

mehrere darin voneinander beabstandet ausgebildete gerade Kerben, die sich allgemein parallel zur Fluidströmungsrichtung erstrecken, und mehrere darin in parallelen Abständen ausgebildete schräge Kerben, die durch flache Teile der ersten Wärmeaustauschplatte getrennt werden und sich in einem Winkel zu den geraden Kerben und zur Fluidströmungsrichtung sowie zwischen benachbarten geraden Kerben erstrecken, umfaßt,

und wobei jede der zweiten Wärmeaustauschplatten keine geraden Kerben enthält und mehrere darin in parallelen Abständen ausgebildete schräge Kerben umfaßt, die durch flache Teile der zweiten Wärmeaustauschplatte getrennt werden und sich in einem Winkel zur Fluidströmungsrichtung über die zweite Wärmeaustauschplatte erstrecken.

Wärmeübertragungselement nach Anspruch 6, bei dem der zwischen den schrägen Kerben und der Fluidströmungsrichtung an benachbarten ersten und zweiten Wärmeaustauschplatten gebildete Winkel in entgegengesetzten Winkeln zur Fluidströmungsrichtung verlaufen [sic].