KR20010105349A

KR20010105349A - 열 및 물질 전달 요소 조립체

Info

Publication number: KR20010105349A
Application number: KR1020017010234A
Authority: KR
Inventors: 첸미카엘엠.; 올슨칼-오로프이.
Original assignee: 아더 이. 포니어, 2세; 알스톰 파워 인코포레이티드
Priority date: 1999-02-17
Filing date: 1999-12-20
Publication date: 2001-11-28
Also published as: EP1155272A1; CA2361376A1; AU2199700A; PL349928A1; TW434394B; BR9917123A; CN1335926A; WO2000049357A1; ZA200105992B; KR100445821B1; CN1179190C; PL193902B1; JP2002537540A; MXPA01008086A; JP3531145B2; US6179276B1

Abstract

회전 재생식 공기 예열기(10)용 열 전달 조립체(40)는 유동로(44)를 형성하기 위해 플레이트들(42)을 공간적으로 이격시키는 수단(46)을 포함하는 열 전달 플레이트들(42)과 상기 유동로를 가로질러 연장하는 V-형상 리브들(48,50)의 복수의 열들을 갖는다. 각각의 플레이트(42) 상의 V-형상 리브들(48,50)의 열들은 교대로 상기 플레이트(42)의 대향면으로부터 외향으로 돌출한다. 상기 한 플레이트(42) 상의 리브들(48,50)을 인접 플레이트(42) 상의 리브들(48,50)과 정렬시키기 위한 배열들의 일부는 각각의 플레이트(42) 상에 리브들(48,50)의 인접 열들을 교대로 방위시키는 것으로 나타난다. 상기 플레이트(42) 공간에 대한 리브들(48,50)의 높이(h)의 관계는 상기 리브 높이(h)에 대한 리브 공간 및 V-형상 리브 단면들의 길이(2W)에 대한 플레이트 공간(H)의 관계로서 나타난다.

Description

열 및 물질 전달 요소 조립체{Heat and mass transfer element assembly}

특히 본 발명을 적용하기 위한 열 교환 장치들 중 하나의 타입으로는 회전 재생식 가열기가 널리 공지되어 있다. 대표적인 회전 재생식 가열기는 격실들로 분할되는 원통형 로터를 가지며, 상기 격실들은 로터가 회전함에 따라 교대로 가열 가스의 유동, 및 상기 로터의 회전하에 가열될 냉각 공기나 또는 다른 가스 유체들의 유동에 노출되는 간격 열 전달 플레이트에 배치 및 지지된다. 열 전달 플레이트가 가열 가스에 노출됨에 따라, 그들은 그로부터 열을 흡수한 다음, 가열될 냉각공기나 또는 다른 가스 유체에 노출될 때, 상기 열 전달 플레이트에 의해 가열 가스로부터 흡수된 열은 냉각 가스로 전달된다. 그와 같은 타입의 대부분의 열 교환기는, 중간에 열 교환 유체를 유동시키기 위해 인접한 플레이트들 사이에 다수의 통로를 제공하도록, 이격 관계로 밀접하게 적층된 열 전달 플레이트를 갖는다.

그와 같은 열 교환기에 있어서, 주어진 크기의 열 교환기의 열 전달 능력은 열 교환 유체와 플레이트 구조체 사이의 열 전달률의 함수와 관련된다. 그러나, 상업용 장치에 대하여, 상기 장치의 사용은 얻어진 열 전달 계수에 의해서만 결정되는 것이 아니고, 플레이트 구조체의 가격과 중량과 같은 다른 요인들에 의해서도 영향을 받는다. 이상적으로는, 상기 열 전달 플레이트는 상기 열 교환 유체로부터 플레이트로 열 전달을 증가시키기 위해 그들 사이에 있는 통로를 통해 높은 난류 유동을 야기시키며, 동시에 상기 통로 사이로의 유동에 대한 상대적으로 낮은 저항을 제공하며, 용이하게 청소될 수 있는 표면 형상을 갖는 것이다.

상기 열 전달 플레이트를 청소하기 위해 관습적으로는, 표면으로부터 어떠한 적층 미립자들도 제거하고 비교적 청결한 면을 갖도록 그들을 운반하도록, 고압 송풍 공기를 전달하고 적층된 열 전달 플레이트들 사이의 통로를 통해 유동시키는 수트 블로워(soot blower)를 제공한다. 이와 같은 청소 방법이 갖는 한가지 문제점은, 열 전달 플레이트의 적층 조립체가 특수한 강성 구조로 설계되지 않는 한, 비교적 얇은 열 전달 플레이트 상으로 매체를 송풍하는 고압력으로 인해 상기 플레이트 상에 균열이 초래된다는 점이다.

그와 같은 문제점에 대한 한가지 해결책으로서는, 하나의 로브가 플레이트로부터 한 방향으로 연장하고 다른 로브가 플레이트로부터 다른 방향으로 연장하는 이중 로브 노치(double-lobed notch)를 제공하기 위해, 짧은 간격으로 개별 열 전달 플레이트들을 주름지게 하는 것이다. 그 경우, 상기 플레이트들이 열 전달 요소 조립체를 형성하기 위해 함께 적층될 때, 수트 블로워가 작동되는 동안 상기 플레이트 상에 작용하는 힘이 열 전달 요소 조립체를 형성하는 다양한 플레이트들 사이에서 평형을 이룰 수 있도록, 상기 노치들은 인접 플레이트들을 지속시키기 위해 작용한다.

그와 같은 타입의 열 전달 요소 조립체에 대하여는 미국 특허 제 4,396,058호에 공개되어 있다. 상기 특허에 있어서, 노치들은 일반적으로 열 교환 유체가 흐르는 방향으로, 즉, 로터를 축상으로 관통하여 연장한다. 상기 노치들과 더불어, 플레이트들이 열 교환 유체의 유동에 대해 예각으로 상기 노치들 사이를 연장하는 연속적인 경사 주름 또는 파동을 제공하기 위해 주름지게 된다. 상기 인접 플레이트들 상의 파동은 서로 정렬 또한 대향 방식으로 흐름 라인에 대해 경사적으로 연장한다. 비록, 그와 같은 열 전달 요소 조립체가 바람직한 열 전달률을 나타낸다 할지라도, 그 결과는 오히려 상기 노치들이나 파동들의 관계나 특수 설계에 근거하여 폭넓게 변화할 수 있다.

본 발명은 어떠한 압력 강하의 증가에 비교하여 전달 수준을 개량시키는 열 및 물질 전달 플레이트의 조립체에 관한 것이다. 특히, 상기 조립체는 인접한 플레이트들 사이의 공간으로 흐르는 가스 유동을 가짐으로써, 열은 상기 플레이트들과 유체 사이로 전달되며 및/또는 상기 유체는 유체 내의 물질 전달에 영향을 주도록 촉매 작용과 같이 플레이트에 작용한다. 특히, 상기 조립체는 플레이트 위로 유동하는 연도 가스 유동에 있어서 NO_X를 감소시키기 위한 촉매를 지지하기 위한 기판과 회전 재생식 공기 예열기에 있어서 열 전달을 위해 사용된다.

도 1은 열 전달 플레이트를 형성하는 열 전달 요소 조립체를 포함하는 종래의 회전 재생식 공기 예열기의 사시도.

도 2는 상기 조립체에 적층된 열 전달 플레이트들을 도시하는 종래의 열 전달 요소 조립체의 사시도.

도 3은 노치들과 V-형상 리브들의 공간을 설명하는 본 발명에 따른 열 전달 요소 조립체용으로 3개로 이루어진 열 전달 플레이트의 일부를 도시한 사시도.

도 4는 상기 V-형상 리브들의 방위와 치수를 설명하는 도 3의 플레이트들 중 하나에 대한 평면도.

도 5는 상기 V-형상 리브들의 관계와 함께 적층된 도 4의 플레이트들중 2개에 대한 평면도.

도 6은 대표적인 V-형상 리브 설계의 단면도.

도 7은 본 발명의 변화를 설명하는 도 4와 유사한 도면.

도 8은 본 발명의 또 다른 변화를 도시하는 부분 절취된 상부 플레이트를 갖는 2개의 플레이트에 대한 평면도.

본 발명의 목적은, 저감된 크기와 중량의 조립체로서 희망의 열 전달 및 압력 강하를 제공하기 위한 최적의 열적 성능을 갖는, 개량된 열 전달 요소 조립체를제공하는 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 열 전달 요소 조립체의 열 전달 플레이트는 유동로를 형성하기 위해 상기 플레이트와 이격된 세로 이중 로브 노치와 같은 수단을 갖는다. 상기 플레이트들은 세로측 와류를 생성하기 위해 정렬된 유동로에 있어서 각 측부 상에 다중 V-형상 리브들을 가지며, 리브 매개 변수에 대해 이격 배치된 플레이트를 위한 특수 범위와 함께 최적의 열적 성능을 생성한다.

도 1에 있어서, 종래 회전 재생식 예열기는 일반적으로 참고번호 10으로 표시하였다. 상기 공기 예열기(10)는 하우징(14)에 회전 가능하게 장착된 로터(12)를 갖는다. 상기 로터(12)는 로터 포스트(18)로부터 로터(12)의 외주로 방사상 연장하는 다이아프램 또는 격벽(16)으로 형성된다. 상기 격벽(16)은 중간에 열 교환 요소 조립체(40)를 포함하기 위한 격실(17)을 한정한다.

상기 하우징(14)은 공기 예열기(10)를 통해 고온의 연도 가스가 유동하기 위한 연도 가스 입구 덕트(20) 및 연도 가스 출구 덕트(22)를 한정한다. 상기 하우징(14)은 또한 상기 예열기(10)를 통해 연소 가스가 유동하기 위한 공기 입구 덕트(24) 및 공기 출구 덕트(26)를 한정한다. 섹터 플레이트들(sector plates, 28)은 상기 로터(12)의 상부 및 하부 면에 인접한 하우징(14)을 가로질러 연장한다. 상기 섹터 플레이트(28)는 공기 예열기(10)를 공기 섹터와 고온 연도 가스 섹터로 분할한다. 도 1의 화살표는 상기 로터(12)를 통한 연도 가스 유동부(36)와 공기 유동부(38) 방향을 나타낸다. 상기 연도 가스 입구 덕트(20)를 통해 유입되는 고온 연도 가스 유동부(36)는 상기 격실(17)에 장착된 열 전달 요소 조립체(40)로 열을 전달한다. 다음에, 상기 가열된 열 전달 요소 조립체(40)는 공기 예열기(10)의 공기 섹터(32)로 순환된다. 다음에, 상기 열 전달 요소 조립체(40)의 저장 열은 공기 입구 덕트(24)를 통해 유입되는 연소 공기 유동부(38)로 전달된다. 냉각 연도 가스 유동부(36)는 상기 연도 가스 출구 덕트(22)를 통해 상기 예열기(10)로 배출되며, 상기 가열된 공기 유동부(38)는 공기 출구 덕트(26)를 통해 상기 예열기로 배출된다. 도 2는 조립체에 적층된 열 전달 플레이트(42)의 일반적인 개념을 도시하는 대표적인 열 전달 요소 조립체 또는 바스켓(40)을 나타낸다.

도 3은 본 발명에 따라 형성된 3개의 열 전달 플레이트(42)를 원근법으로 도시한 도면이다. 상기 플레이트들은 중간에 복수의 통로들(44)을 제공하기 위해 이격 관계로 적층된다. 상기 통로들(44)은 상기 플레이트에 열 교환을 제공하기 위해 열 교환 유체를 위한 유동로를 제공한다. 각각의 플레이트(42)는 평평하며, 종래의 공지된 바와 같이 미리 결정된 이격 거리로 인접된 플레이트들을 지속시키기 위한 스페이서인 복수의 평행하게 공간적으로 이격된 노치들(46)을 포함한다. 상기 노치들(46)은 반대 방향의 플레이트의 표면으로부터 외향으로 돌출하는 로브(47)를 갖는 이중 로브 노치를 생성하기 위해 상기 플레이트들을 주름지게 함으로써 형성된다. 그것은 상기 공간을 지속하기 위해 인접한 플레이트와 접촉하는 로브들의 정점이다. 그와 같은 노치들은 예를 들면 미국 특허 제 4,396,058호에 공개되어 있다. 비록 도 3이 상기 플레이트들을 공간적으로 이격시키기 위한 이중 로브 노치들(46)을 설명하고 있을지라도, 본 발명은 그와 같은 특정 스페이서들에 한정되지 않는다. 어떠한 타입의 스페이스 수단도 본 발명에 사용될 수 있다. 또한, 비록 도 3에 있어서 상기 노치들(46)이 인접한 플레이트들 상에 엇갈리게 배치되는 것으로 도시되었다 할지라도, 그와 같은 엇갈리게 배치되는 것은 다른 형상의 스페이서로도 가능하다.

본 발명에 따라, 상기 플레이트들(42)은 각각의 플레이트의 대향 평면들로부터 돌출하고, 플레이트들을 가로질러 좌우로 유동 방향과 수직인 노치들 사이로 연장하는 다중 V-형상 리브(48,50)와 함께 형성된다. 각각의 리브는 플레이트의 한 평평한 표면 상에서는 돌출부로서, 또한 상기 플레이트의 반대측 평평한 표면 상에서는 관입부(intrusion) 또는 오목부로서 나타난다. 상기 다중 V-형상 리브 패턴은 후술하게 될 선택된 피치 (간격)(Pr)로 좌우 유동 방향으로 반복된다. 2개의 돌출 리브들 사이에는 상기 플레이트의 다른 측부 상에 다중 V-형상 리브 패턴을 제공하는 관입 리브가 형성된다. 이에 대하여는 상기 리브(48)가 플레이트로부터 상향으로 연장하고 상기 리브(50)가 하향으로 연장하는 도 3에 도시되어 있다. V-형상 리브들의 각각의 열은 V를 형성하는 일반적으로 2개의 직선 단면을 교대로 포함하는 연속 V-형상 리브 단면들을 포함한다. 도 3, 및 후술될 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인접 열들의 V-형상 리브 단면들은 반대 방향으로 경사진다.

도 4는 상향으로 돌출하는 리브(48)가 실선으로 표시되고 하향으로 돌출하는 리브(50)가 점선으로 표시되는 단일 플레이트의 한측면을 나타내는 개략 평면도를 도시한다. 도 5는 2개의 적층된 플레이트를 도시하며, 상기 플레이트들은 모두 동일하고 인접한 플레이트 상에 리브들로 정렬되는 하나의 플레이트 상에 리브들로 적층되는 것을 설명한다. 도 6은 상기 리브들의 적합한 형태와 기본 치수를 나타내는 도 4의 6-6 라인을 절취한 리브의 단면도이다. 본 발명에 따른 상기 기본 기하학적 매개 변수는 도 3, 도 4, 및 도 6에 나타나며, 다음과 같다:

플레이트 간격 = H

리브 높이 = h

리브 반경 = r

상대 리브 높이 = h/H

노치 피치 = Pn

리브 피치 = Pr

상대 리브 피치 = Pr/h

리브 각도 = e

V-리브 길이 = 2W

종횡비 = W/H

본 발명에 따른 가장 적절한 매개 변수와 비율에 대한 범위는 다음과 같다:

0.1 ≤ h/H ≤ 0.4

8 ≤ Pr/h ≤ 50

15° ≤ e ≤ 45°

V-형상 리브들의 열들의 V-단면(section)에 대한 각각의 길이(2W)는 플레이트 분리(H)의 함수이다. 본 발명에 있어서의 범위는 다음과 같다:

0.5H ≤ W ≤ 4H

이상적으로는, W가 H와 동일하게 되는 것이다. 대표적인 배열의 한 특수 예로서, 상기 치수들은 다음과 같다:

H = 6㎜

Pr = 30㎜

Pr/H = 5

e = 45°

h = 0.6㎜

h/H = 0.1

W = 6㎜

W/H = 1.0

Pr/h = 50

본 발명에 있어서, 상기 다중 V-형상 리브들은 연속적으로 평행한 세로측 와류를 생성하며, 상기 세로측 와류는 압력 강하의 증가에 대한 상대적으로 작은 불이익을 갖도록 큰 평균 열전달의 증가를 제공한다. 상기 세로측 와류는 상기 플레이트들 사이의 채널을 통해 평균 유동되도록 정렬되는 회전축을 갖는다. 결과적으로, 상기 회전축을 벗어나 위치한 포인트에서의 유체 속도는 평균 유동 방향과 각을 이룬다. 그와 같은 평행한 와류가 존재하기 위하여, 인접한 와류들은 역 회전해야만 한다. 한편, 상기 와류들은 그들의 회전 방향 중간의 평면에서 서로에 대해 작용한다. 선행 플레이트는 각각의 플레이트면에 난류를 생성하도록 설계되나, 유용한 유동 패턴을 생성하기 위해 양쪽 플레이트 상의 유체 작용을 결합하는 플레이트의 기하학을 위한 특별한 설계는 존재하지 않는다.

본 발명의 다른 실시예가 도 7에 도시되어 있으며, 여기서 리브들은 V-형상의 정점에서 단속되며, 따라서 각각 V-형상 리브들(48,50)의 각각의 단면 사이에 갭(52)을 제공한다. 상기 제조 방법에 있어서, 상기 갭들은 다중 V-형상 리브들이형성될 때 금속에 있어서 변형을 덜 받게 한다. 또한, 상기 갭들(52)은 노치들(46)에 대한 포인트 위치를 제공함으로써 주요 가스 유동과 수직 방향으로 적층된 열 전달 플레이트들(42)을 결속하기 위해 사용될 수 있다. 또 다른 실시예가 도 8에 도시되어 있으며, 여기서 상기 돌출 리브들(50)의 패턴은 도 3, 도 4, 및 도 7에서와 같이 역행 또는 뒤집히기 보다는 상기 플레이트 상의 돌출 리브들(48)의 패턴과 같은 방위를 갖는다. 비록 상기 모든 플레이트들이 동일하게 될 지라도, 상기 플레이트들은 하나씩 걸러 도 8에 도시된 2개의 플레이트에 의해 도시된 정렬로 인해 상기 플레이트의 평면에서 180° 회전된다. 도시된 바와 같이, V의 열들이 180°뒤집힌 것을 제외하고는, 상기 2개의 플레이트중 저부 위의 돌출 리브의 열들은 반드시 상부 플레이트의 상부 위로 돌출하는 리브의 열과 일직선 상에 정렬된다. 이와 같은 패턴으로, 도 3 및 도 4에 도시된 정렬보다도 단위 압력 강하 당 열 전달이 강화된다. 그 이유는 하나의 플레이트 상의 리브의 골이 상기 플레이트 상의 상류 및 하류의 인접 리브들과 결속되고, 따라서 압력 강하가 작아지게 되기 때문이다. 연속 회전 방법으로 제조된 플레이트들은 단지 서로의 상부 상에 적층될 수 없다는 단점을 갖는다. 모든 다른 플레이트는 적층되기 전에 180° 회전되야만 한다.

Claims

각각 측부들과 단부들 및 2개의 대향 평면을 가지며, 이격 관계로 적층되어, 그들 사이에 일단으로부터 타단까지(end-to-end) 열 교환 유체를 유동시키기 위해 인접한 플레이트들 사이에 복수의 통로를 제공하는, 복수의 열 흡수 플레이트를 포함하는 열 교환기용 열 전달 조립체에 있어서, 상기 각각의 플레이트들은,

인접한 플레이트들을 결합하고 상기 플레이트들을 이격 거리(H)로 유지하기 위한 스페이서를 형성하는 상기 대향 평면들 중 적어도 하나로부터 연장하는 수단; 및

각각 연속된 V-형상 리브 단면(section)들을 포함하는 열을 갖는 상기 플레이트 상에서 병렬로 연장하는 V-형상 리브들의 복수의 이격된 열들을 가지며,

상기 리브 단부들은 상기 평면중 하나로부터 상기 거리(H)보다 작은 거리(h)로 돌출하며, 상기 플레이트의 대향 평면들로부터 돌출하는 복수의 열들과 인접한 열들을 갖는 열 교환기용 열 전달 조립체.
제 1 항에 있어서, h/H 비율의 범위는 0.1 내지 0.4이고, 여기서, V-형상 리브들의 인접 열들은 거리(Pr/2)만큼 이격되고, Pr/h 비율의 범위는 8 내지 50이고, 여기서, V-형상 리브들의 열들 각각의 V-단면에 대한 길이는 2W이며, 이 때, W와 H의 관계는 0.5H ≤ W ≤ 4H인 열 교환기용 열 전달 조립체.
제 2 항에 있어서, 병렬 방향에 대한 리브 단면들의 각도는 15° 내지 45°인 열 교환기용 열 전달 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 각각의 플레이트의 복수의 열들에 대한 인접열들의 연속 V-형상 리브 단면들은 반대 방향으로 향하는 열 교환기용 열 전달 조립체.
제 4 항에 있어서, 상기 복수의 플레이트들은 동일하며, 상기 플레이트들은 적층되며, 인접한 플레이트들 상의 열들은 서로 일직선 상에 정렬되며, 상기 정렬된 열들은 동일한 방향으로 인접 플레이트들로부터 돌출하는 열 교환기용 열 전달 조립체.
제 4 항에 있어서, 상기 복수의 플레이트들은 V 형상을 형성하는 2개의 직선 단면을 포함하며, V-형상 리브 단면들 사이와 각각의 직선 단면들 사이에서 V-형상 리브들의 열들에 갭을 부가로 포함하는 열 교환기용 열 전달 조립체.
제 1 항에 있어서, 상기 복수의 열들과 인접한 열들의 연속 V-형상 리브 단면들은 동일한 방향으로 향하는 열 교환기용 열 전달 조립체.
제 7 항에 있어서, 상기 복수의 플레이트들은 동일하며, 인접한 플레이트들은 180° 회전하며, 인접 플레이트들의 V-형상 리브 단면들은 반대 방향으로 향하는 열 교환기용 열 전달 조립체.
제 8 항에 있어서, 상기 인접 플레이트들 상의 열들은 서로 일직선 상에 정렬되고, 상기 정렬된 열들은 동일한 방향으로 인접 플레이트들로부터 돌출하는 열 교환기용 열 전달 조립체.