KR100477175B1 - 열교환기용 열전달 소자 조립체 - Google Patents

Abstract

회전 재생형 공기 예열기(10)용 열전달 소자 조립체(40)의 열 성능은 중량을 경감시키면서 소망 열전달 레벨 및 압력 강하를 제공하도록 보강된다. 상기 조립체(40) 내의 열전달 플레이트(44, 48)는 플레이트 간격을 유지하기 위한 이격된 오목부들(54, 56)과 경사진 파형부들을 구비하고, 인접하는 플레이트들상의 파형부들(52)은 양호하게는 대향 경사각으로 연장된다. 오목부들(54, 56)은 플레이트 하나 걸러마다 즉, 플레이트(44, 48)상에 형성되어 상기 플레이트들(44, 48)의 양 측면 사이에서 교대로 연장되거나, 모든 플레이트상에 형성되어 동일한 측면에서 연장될 수 있다.

Description

열교환기용 열전달 소자 조립체{Heat transfer element assembly for a heat exchanger}

본 발명은 열전달 소자 조립체, 특히 열교환기에 사용하기 위한 열흡수 플레이트 조립체에 관한 것으로서, 상기 열은 상기 플레이트에 의해 고온 열교환 유체로부터 저온 열교환 유체에 전달된다. 특히, 본 발명은 회전 재생형 열전달 장치에 사용하도록 되어 있는 열전달 소자 조립체에 관한 것으로서, 상기 열전달 소자 조립체는 고온 기상 열교환 유체와의 접촉에 의해 가열되고, 그후 열전달 소자 조립체의 열을 빼앗는 저온 기상 열교환 유체와 접촉하게 된다.

본 발명이 특정하게 적용되는 열교환기의 한 형태는 공지된 회전 재생형 열교환기이다. 통상적인 회전 재생형 열교환기는 이격된 열전달 플레이트들이 내부에 배치되어 지지되는 격실들로 분할된 원통형 로터를 구비하며, 상기 로터의 회전시에 상기 플레이트들은 가열된 가스 흐름에 선택적으로 노출된 후, 상기 로터의 회전에 따라 가열될 저온 공기 또는 다른 기상 유체 흐름에 노출된다. 열전달 플레이트들이 가열된 가스에 노출되면, 플레이트들은 가스로부터 열을 흡수하고, 열전달 플레이트들이 가열될 저온 공기 또는 다른 기상 유체에 노출되면, 상기 가열된 가스로부터 열전달 플레이트에 의해 흡수된 열은 저온 가스에 전달된다. 이러한 형태의 열교환기는 대부분 열교환 유체의 유동을 위한 복수의 통로를 인접하는 플레이트들 사이에 제공하기 위해 서로 이격되는 관계로 밀착되게 적층되는 열전달 플레이트들을 구비한다. 이는 상기 플레이트들에 대해 적절한 공간을 유지하도록 하는데 관련되는 수단을 필요로 한다.

소정 크기의 상기와 같은 열교환기의 열전달 성능은 열교환 유체와 플레이트 구조체 사이의 열전달률의 함수이다. 그러나, 시판중인 장치들에 대한 유용성은 단지 얻어진 열전달 계수에 의해서 뿐만 아니라 플레이트 구조체의 중량 및 비용과 같은 다른 인자들에 의해서도 결정된다. 이상적으로는, 열전달 플레이트들은 열교환 유체로부터 플레이트로의 열전달을 증가시키기 위해 상기 플레이트들 사이의 통로들을 통해 강한 난류를 유발시키고, 동시에 상기 통로를 통과하는 유동에 상대적으로 낮은 저항을 제공하는 한편 용이하게 세정할 수 있는 표면 구조를 나타낸다.

열전달 플레이트를 세정하기 위해서는, 적층된 열전달 플레이트들 사이의 통로를 통해 고압 공기 또는 증기를 송풍하는 수트 블로어(soot blowers; 그을음 제거 장치)를 제공하고, 열전달 플레이트들의 표면으로부터 임의의 미립자 퇴적물을 제거하여 운반함으로써 비교적 깨끗한 표면만을 남기는 것이 일반적이다. 송풍된 매체가 적층된 플레이트들 사이로 침투하기 위해서는 플레이트들이 적절하게 이격되어야 한다는 것이 선결 과제이다.

플레이트 간격을 유지하기 위한 한 방법은 인접하는 플레이트들을 이격시키도록 플레이트들의 평면으로부터 연장되는 노치를 제공하기 위해 개별 열전달 플레이트에 임의의 간격마다 주름을 형성시키는 것이다. 이는 플레이트로부터 한 방향으로 연장되는 하나의 로브(lobe)와 플레이트로부터 반대 방향으로 연장되는 다른 로브를 갖는 양로브형(bi-lobed) 노치로서 구현된다. 이러한 형태의 열전달 소자 조립체는 미국특허 제4,396,058호 및 제4,744,410호에 개시되어 있다. 상기 특허에서, 노치는 전체 열교환 유체 유동 방향 즉, 축방향으로 로터를 통해 연장된다. 이러한 노치에 더불어, 플레이트는 열교환 유체의 유동에 대해 예각으로 노치들 사이에서 연장되는 일련의 경사진 주름부 또는 파형부를 제공하도록 주름이 형성된다. 인접하는 플레이트들상의 파형부는 서로에 대해 정렬되게 또는 대향되게 전체 유동 라인에 대해 경사지게 연장된다. 이들 파형부들은 강한 난류를 발생시키는 경향이 있다. 상기 열전달 소자 조립체가 양호한 열전달율을 나타내더라도, 전체 유동 방향을 통해 직선으로 연장되는 노치는 유체를 파형 플레이트들의 주된 영역 주위로 우회 또는 중지시키는 유동 채널을 제공한다. 노치 영역을 통해서는 보다 높은 유동율이 존재하게 되고, 열전달률을 떨어뜨리는 경향이 있는 파형 영역에서는 보다 낮은 유동율이 존재하게 된다.

도 1은 열전달 플레이트들로 이루어진 열전달 소자 조립체를 포함하는 종래의 회전 재생형 공기 예열기의 사시도.

도 2는 조립체 내에 적층된 열전달 플레이트들을 도시하는 종래의 열전달 소자 조립체의 사시도.

도 3은 파형부 및 이격된 오목부를 도시하는 본 발명에 따른 열전달 소자 조립체의 3개가 적층된 열전달 플레이트들의 일부분을 도시하는 사시도.

도 4는 파형부 및 오목부를 도시하는 도 3의 플레이트들 중 한 플레이트의 일부분을 도시하는 단면도.

도 5 및 도 6은 오목부의 다양한 배치 중 두가지 배치를 도시하는 도면.

도 7은 본 발명의 변형을 도시하는 적층된 3개의 플레이트들의 일부분을 도시하는 단면도.

도 8은 변하는 플레이트 길이를 수용하도록 롤을 갖는 오목부를 제조하기 위한 롤 형성 방법을 도시한 도면.

본 발명의 목적은 개선된 열전달 소자 조립체를 제공하는 것이고, 열 성능은 향상된 열전달 레벨, 바람직한 플레이트 간격 및 플레이트 재료의 감량을 제공하도록 최적화된다. 본 발명에 따르면, 열전달 소자 조립체의 열전달 플레이트들은 난류 및 열 성능을 증가시키도록 경사진 파형부를 구비하지만, 플레이트들을 이격시키기 위해 축방향으로 연장되는 직선 노치들을 구비하지는 않는다. 대신에, 적어도 하나 걸러마다의 플레이트는 플레이트들을 적절하게 이격시키도록 일정한 높이의 융기부 또는 오목부를 국부적으로 포함한다. 상기 오목부는 재료를 인발 또는 연신시킴으로써 형성되므로, 노치가 있는 플레이트에 비해 플레이트 재료의 양을 국부적으로 감소시킨다. 인접하는 플레이트들상의 파형부는 서로에 대해 반대 방향으로 유체 유동 방향으로 연장될 수 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 회전 재생형 예열기가 일반적으로 참조번호 10으로서 지시된다. 공기 예열기(10)는 하우징(14) 내에 회전식으로 장착되는 로터(12)를 구비한다. 로터(12)는 로터 포스트(18)로부터 로터(12)의 외주부까지 반경방향으로 연장되는 칸막이벽 또는 칸막이(16)로 형성된다. 칸막이(16)들은 열교환 소자 조립체(40)를 포함하는 격실(17)을 그들 사이에 형성한다.

하우징(14)은 공기 예열기(10)를 통해 가열된 연도 가스(flue gas)를 유동시키기 위한 연도 가스 유입 덕트(20) 및 연도 가스 유출 덕트(22)를 형성한다. 하우징(14)은 예열기(10)를 통해 연소 공기를 유동시키기 위한 공기 유입 덕트(24) 및 공기 유출 덕트(26)를 또한 형성한다. 분할 플레이트(28)는 로터(12)의 상부면 및 하부면에 인접하여 하우징(14)을 통해 연장된다. 분할 플레이트(28)는 공기 예열기(10)를 공기 구역과 연도 가스 구역으로 분할한다. 도 1의 화살표들은 로터(12)를 통과하는 연도 가스 흐름(36) 및 공기 흐름(38)의 방향을 지시한다. 연도 가스 유입 덕트(20)를 통해 유입되는 고온 연도 가스 흐름(36)은 격실(17) 내에 장착된 열전달 소자 조립체(40)에 열을 전달한다. 그후, 가열된 열전달 소자 조립체(40)는 공기 예열기(10)의 공기 구역으로 회전된다. 그리고, 열전달 소자 조립체(40)에 저장된 열은 공기 유입 덕트(24)를 통해 유입되는 연소 공기 흐름(38)에 전달된다. 냉각된 연도 가스 흐름(36)은 연도 가스 유출 덕트(22)를 통해 예열기(10)를 나가고, 가열된 공기 흐름(38)은 공기 유출 덕트(26)를 통해 예열기(10)를 나간다. 도 2는 조립체 내에 적층된 열전달 플레이트(42)들의 일반적인 구조를 도시하는 통상적인 열전달 소자 조립체(40)를 도시한다.

도 3은 적층된 3개의 열전달 플레이트(44, 46, 48)의 일부분을 도시하는 본 발명의 일실시예를 도시한다. 적층된 플레이트를 통과하는 전체 유체 유동 방향은 화살표 50으로 지시된다. 플레이트는 소정 형상으로 롤링 또는 스탬핑 가공될 수 있는 박형의 시트 금속이다. 각각의 플레이트는 유체 유동 방향에 대해 비스듬하게 연장되는 주름부 또는 파형부(52)를 구비한다. 이들 파형부는 난류를 발생시키고 열전달을 강화한다. 도 3에 도시된 바와 같은 양호한 실시예에 있어서, 인접하는 플레이트들상의 파형부는 서로에 대해 반대 방향으로 유체 유동 방향으로 연장된다. 그러나, 인접하는 플레이트들상의 파형부는 서로에 대해 평행하게 동일한 방향으로 연장될 수도 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 파형부가 하나의 파형에서 바로 다음의 파형으로 연속되지만, 파형부는 두 파형 사이에 편평한 구간을 두고 이격될 수도 있다.

서로 동일한 두 플레이트(44, 48)상에는 인접하는 플레이트들간의 이격을 위해 오목부(54, 56)가 형성된다. 두개의 오목부가 도시된 플레이트(44)의 일부분 단면도인 도 4에 도시된 바와 같이, 오목부 54는 도 3에서 위로 연장되고 오목부 56은 아래로 연장된다. 이들 오목부(54, 56)의 높이는 도 4에 도시된 바와 같이 파형부(52)의 높이보다 높다.

상기 오목부들은 유체 유동 방향으로 협소하게 연장된다. 협소한 크기의 폭은 유동 방해 및 바람직하지 않은 압력 강하를 최소화한다. 연장된 길이는 항상 적어도 하나의 파형부상에 적용됨으로써 필요한 지지부를 제공한다. 그러므로, 오목부의 최소 길이는 적어도 파형부의 피치와 동일하고, 바람직하게는 제조상의 허용오차를 수용하도록 파형부의 피치보다 길다. 그러나, 오목부가 너무 길어지면, 인접하는 파형부들과의 상호작용 없이 채널에 대해 유동을 개시한다. 그러므로, 오목부는 수트 블로잉(soot blowing; 그을음 제거 작업) 및 고압 물세척에 견디기 위한 구조상의 지지에 필요한 것보다, 그리고 적절한 간격 형성에 필요한 것보다 필요 이상으로 길게 형성되거나 빈번하게 배치되는 것은 적절하지 않다. 일반적으로, 유동 방향으로 일렬로 누적한 오목부의 전체 길이는 플레이트 길이의 50% 이하여야 한다. 양호하게는, 이러한 오목부 전체 길이는 플레이트 길이의 20% 내지 30%이어야 한다. 단순히 일실시예로서, 오목부 길이는 1.25in(3.175cm)이고 오목부들 사이의 간격은 3.5in(8.89cm)일 수 있다.

오목부의 패턴은 원하는 데로 변할 수 있다. 예를 들어, 상기 패턴은 인접하는 횡방향 열들 또는 인접하는 사선방향 열들 사이에서 교차되거나, 또는 도 5에 도시된 바와 같은 종방향 유동 방향(50)에서 인접하는 열들이 상향 및 하향 오목부들의 열로 교차되는 일렬 교차열들로 이루어질 수 있다. 다른 예에 있어서, 오목부들은 도 6에 도시된 바와 같은 다이아몬드 패턴으로 배열될 수 있다. 다시 말해, 교차하는 열들은 종방향, 횡방향 또는 사선방향일 수 있다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 도 3의 실시예는 하나 걸러마다의 플레이트들상에만 플레이트들의 이격에 필요한 상향 및 하향 패턴의 오목부들이 제공된다. 그러나, 오목부들은 모든 플레이트상에 위치될 수 있으며, 각각의 플레이트상의 오목부는 플레이트의 일측면에 제공될 수 있다. 도 7은 파형부(52)를 가지며 모든 오목부(60)들은 플레이트의 동일한 측면쪽으로만 연장된 적층된 3개의 플레이트(58)의 일부분의 단면도를 도시한다.

오목부들은 금속을 국부적으로 인발 및 변형시키는 가압 성형 또는 롤 성형 공정에 의해 형성된다. 고유의 신속한 제조 속도로 인해 롤 성형 방법이 바람직한 방법이다. 이는 인발 또는 변형과는 달리 재료를 소모하여 보다 넓은 금속 시트를 필요로 하는 굽힘 공정인 종래의 노치 형성 공정과는 대비된다. 금속을 변형 및 연신시키는 인발 공정은 재료를 소모하지 않는다. 대략적인 재료 절감은 약 8%이다.

본 발명에 있어서, 플레이트의 일단부 혹은 양단부에 위치되는 오목부는 플레이트의 단부들을 견고하게 지지하기 위해 단부에 또는 상대적으로 단부에 밀착되게 위치되는 것이 바람직하다. 이는 고압 작업인 수트 블로잉 또는 물 세척을 빈번하게 받는 플레이트의 단부에서 특히 바람직하다. 이러한 단부에 위치되는 오목부는 플레이트의 편향 및 피로를 방지 또는 경감시키고 플레이트 수명을 향상시킨다. 오목부는 단부 가까이 또는 단부로부터 단지 약간만 이격되게, 대략 3/4in(1.9cm) 이하로 이격되게 선택될 수 있다. 실질적으로 단부까지 연장되도록 오목부가 선택될 수도 있다. 오목부가 단부들까지 연장되어 있는 플레이트를 형성하여 길이가 다른 플레이트의 성형을 수용하기 위한 한 방법은 도 8에 도시된다. 도 8은 오목부 패턴을 포함하는 성형 롤(59)과 플레이트(62)의 일부가 성형된 평면도이다. 보조 성형 롤이 상기 롤(59) 아래에 위치되고, 플레이트가 두개의 성형 롤 사이를 통과한다. 상기 성형 롤들은 예상 최대 길이의 플레이트를 수용하기에 충분하게 길고 또한 보다 짧은 플레이트를 수용하기 위한 오목부 패턴을 갖는다. 상기 롤(59)의 단부들(또는 적어도 일단부)에는 바람직한 정상 오목부의 길이보다 길게 연장된 길이를 갖는 오목부 성형 패턴(64)이 제공된다. 상기 단부들 사이의 오목부 성형 패턴(66)은 정상 길이로 이루어진다. 예로서, 오목부 성형 패턴(64)은 길이가 약 4in(10.16cm)이고, 정상 오목부 성형 패턴은 상술된 바와 같이 약 1.25in(3.175cm)이다. 그에 따라 상기 롤(59)은 "A" 만큼 짧거나 "B" 만큼 긴 플레이트를 수용할 수 있고, 플레이트의 양단부에 오목부를 형성할 수 있다.

본 발명은 재료의 절감 및 강화된 열전달을 제공한다. 또한, 본 발명의 플레이트 구성은 개방형이기 때문에, 수트 블로잉 또는 물 세척에 의한 용이한 세정에 의해 지저분한 퇴적물을 제거할 수 있고, 과열조건의 검출을 위해 적외선을 통과시킬 수 있다.

Claims (12)

1. 이격된 관계로 교차되게 적층되며, 열교환 유체를 플레이트들 사이로 종방향으로 유동시키기 위해 인접하는 제 1 및 제 2 플레이트 사이에 복수의 통로를 제공하는 복수의 제 1 열흡수 플레이트 및 복수의 제 2 열흡수 플레이트를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 플레이트 각각은 상기 종방향에 대해 비스듬하게 연장되는 복수의 파형부를 가지며, 상기 각각의 제 1 플레이트는 상기 종방향으로 선택된 길이를 가지고, 종방향으로 이격되어 연장되는 복수의 오목부를 각각 구비하는 평행하게 이격되어 종방향으로 연장되는 복수의 열을 또한 가지는 열교환기용 열전달 소자 조립체로서,

   상기 오목부들 중 일부는 상기 제 1 플레이트들의 일측면에서 외측으로 돌출하고 나머지는 상기 제 1 플레이트들의 다른 측면에서 외측으로 돌출하며, 상기 각각의 열에 있는 오목부들의 전체 누적 길이는 상기 플레이트의 상기 선택된 길이의 50% 이하이고, 상기 오목부들은 인접하는 플레이트들 사이에 공간들을 형성하는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인접하는 플레이트들상의 상기 파형부들은 상기 종방향에 대해 반대 각도로 연장되는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
3. 이격된 관계로 적층되며, 열교환 유체를 플레이트들 사이로 종방향으로 유동시키기 위해 인접하는 플레이트들 사이에 통로를 제공하는 복수의 열흡수 플레이트를 포함하고, 상기 각각의 플레이트는 상기 종방향에 대해 비스듬하게 연장되는 복수의 파형부를 가지며, 상기 종방향으로 선택된 길이를 가지고, 상기 적층된 플레이트들 중 적어도 하나 걸러마다의 플레이트들은 상기 플레이트들에서 외측으로 돌출하는 종방향으로 이격되어 연장되는 복수의 오목부를 각각 구비하는 평행하게 이격되어 종방향으로 연장되는 복수의 열을 포함하여, 인접하는 플레이트들 사이에 공간을 형성하는 열교환기용 열전달 소자 조립체로서,

   상기 각각의 열에 있는 오목부들의 전체 누적 길이는 상기 선택된 길이의 50% 이하인 열교환기용 열전달 소자 조립체.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 인접하는 플레이트들상의 상기 파형부들은 상기 종방향에 대해 반대 각도로 연장되는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 각각의 플레이트는 상기 오목부들을 포함하고, 상기 각각의 플레이트상의 상기 오목부들은 상기 플레이트들의 일측면에서 외측으로 돌출하는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 인접하는 플레이트들상의 상기 파형부들은 상기 종방향에 대해 반대 각도로 연장되는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트들은 종방향 단부들을 가지며, 상기 종방향 단부들 중 적어도 하나의 단부까지 연장되는 오목부들을 가지는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 플레이트들은 종방향 단부들을 가지며, 상기 오목부들은 거리를 두고 이격된 상기 종방향 단부들 중 적어도 하나의 단부에 근접되게 위치되고, 상기 근접된 오목부들은 상기 종방향 단부들에 변형가능한 지지부를 제공하는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
9. 제 3 항에 있어서, 상기 플레이트들은 종방향 단부들을 가지며, 상기 종방향 단부들 중 적어도 하나의 단부까지 연장되는 오목부들을 가지는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
10. 제 3 항에 있어서, 상기 플레이트들은 종방향 단부들을 가지며, 상기 오목부들은 거리를 두고 이격된 상기 종방향 단부들 중 적어도 하나의 단부에 근접되게 위치되고, 상기 근접된 오목부들은 상기 종방향 단부들에 변형가능한 지지부를 제공하는 열교환기용 열전달 소자 조립체.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 전체 누적 길이는 상기 선택된 길이의 20% 내지 30%인 열교환기용 열전달 소자 조립체.
12. 제 3 항에 있어서, 상기 전체 누적 길이는 상기 선택된 길이의 20% 내지 30%인 열교환기용 열전달 소자 조립체.