ВОЛНИСТЫЕ СТРУКТУРЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 2015 года по МПК F28D19/04 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Устройства, описываемые в настоящем документе, относятся к нагревательным элементам или теплопередающим листам того типа, которые можно обнаружить во вращающихся регенеративных теплообменниках.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В крупногабаритных котлах, работающих на ископаемом топливе, используют регенеративные подогреватели воздуха для подогрева поступающего воздуха горения от выходящих горячих отработавших газов. Они обеспечивают повторное использование энергии и экономию топлива. В противном случае, рекуперируемая полезная тепловая энергия, которая в противном случае терялась бы в атмосферу, дает эффективный способ достижения значительной экономии затрат, экономии ископаемых топлив и снижения выбросов.

Один тип регенеративного теплообменника - вращающийся регенеративный теплообменник - обычно используют в котлах, работающих на ископаемом топливе, и парогенераторах. Вращающиеся регенеративные теплообменники имеют ротор, установленный в корпусе, который образует впускной канал дымового газа и выпускной канал дымового газа для протекания нагретого дымового газа через теплообменник. Корпус также образует еще одну группу впускных каналов и выпускных каналов для протекания потоков газов, которые получают рекуперированную тепловую энергию. Ротор имеет радиальные перегородки или диафрагмы, образующие камеры между перегородками для поддержания корзин или каркасов, удерживающих нагревательные элементы, которые в типичном случае представляют собой теплопередающие листы. Обращаясь к фиг.1, необходимо отметить, что вращающийся регенеративный теплообменник, обозначенный в целом ссылочной позицией 10, имеет ротор 12, установленный в корпусе 14.

Теплопередающие листы расположены в пакете в корзинах или каркасах. В типичном случае, множество листов расположено в пакете в каждой корзине или каркасе. Листы плотно расположены в пакете на некотором расстоянии внутри корзины или каркасы, образуя между листами каналы для протекания газов. Примеры листов теплопередающих элементов представлены в US 2596642, US 2940736, US 4363222, US 4396058, US 4744410, US 4553458, US 6019160 и US 5836379.

В заявке на патент США (WO 5/006-0) 12/437,914, поданной 8 мая 2009 г. под названием «Heat Transfer Sheet For Rotary Regenerative Heat Exchanger» («Теплопередающий лист для вращающегося регенеративного теплообменника») и опубликованной 11 ноября 2010 г., описаны различные конструкции теплопередающих листов, и она включена в настоящее описание посредством ссылки, как если бы была изложена в настоящем документе во всей ее полноте.

Горячие газы направляются через вращающийся теплообменник для передачи тепла листам. По мере вращения ротора, восстановительный поток газа (поток на стороне воздуха) направляется над нагретыми листами, тем самым вызывая нагревание впускного воздуха. Во многих случаях, впускной воздух подается в котел для сгорания ископаемых топлив. В нижеследующем тексте восстановительный поток газа будет именоваться воздухом горения или подводимым воздухом. При других формах вращающихся регенеративных теплообменников листы неподвижны, а каналы дымового газа и восстановительного газа вращаются.

Современные конструкции теплопередающих листов рекуперируют лишь часть тепла в отработавшем дымовом газе, а не рекуперированное тепло выпускается из пакета как потерянная энергия. Чем эффективнее работают эти теплообменные листы, тем меньше потерянное тепло.

В настоящее время существует потребность в более эффективных конструкциях теплообменных листов.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Данное изобретение может быть осуществлено как теплопередающий лист для вращающегося регенеративного теплообменника, который принимает поток горячего дымового газа и поток воздуха и передает тепло из потока горячего дымового газа потоку воздуха, причем теплопередающий лист содержит:

множество располагающих на расстоянии листы элементов, продолжающихся вдоль теплопередающего листа по существу параллельно направлению потока горячего дымового газа, образующих участок проточного канала между смежными теплопередающими листами; и

множество волнистых поверхностей, расположенных между каждой парой смежных располагающих на расстоянии листы элементов, причем множество волнистых поверхностей содержит:

первую волнистую поверхность, образованную множеством удлиненных гребней, продолжающихся вдоль теплопередающего листа параллельно друг другу под первым углом А₁ относительно располагающих на расстоянии листы элементов, и

вторую волнистую поверхность, образованную множеством удлиненных гребней, продолжающихся вдоль теплопередающего листа параллельно друг другу под вторым углом А₂ относительно располагающих на расстоянии листы элементов, причем первый угол А₁ отличается от второго угла А₂.

Настоящее изобретение также может быть осуществлено как теплопередающий лист, содержащий:

множество гребней и впадин, которым придана форма по меньшей мере частично синусоидального профиля, продолжающихся от первого конца до второго конца и ориентированных так, что текучая среда, проходящая от первого конца ко второму концу по меньшей мере частично перенаправляется чередующимся образом между первым направлением и вторым направлением.

Настоящее изобретение также может быть осуществлено как корзина для вращающегося регенеративного теплообменника, содержащая

каркас и

по меньшей мере один теплопередающий лист с

множеством гребней и впадин, имеющих по меньшей мере частично синусоидальный профиль, продолжающихся от первого конца до второго конца и ориентированных так, что текучая среда, проходящая от первого конца ко второму концу по меньшей мере частично перенаправляется чередующимся образом от стороны к стороне.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Объект, о котором идет речь в описании предпочтительных вариантов осуществления, конкретно охарактеризован и недвусмысленно заявлен в формуле изобретения, завершающей описание. Вышеупомянутые и другие признаки и преимущества очевидны из нижеследующего подробного описания, приводимого в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:

на фиг.1 представлен общий вид с частичным вырезом известного вращающегося регенеративного теплообменника;

на фиг.2 представлен вид сверху корзины, включающей в себя три известных теплопередающих листа;

на фиг.3 представлено общий вид участка трех известных теплопередающих листов в конфигурации, предусматривающей расположение в пакете;

на фиг.4 представлен вид сверху известного теплопередающего листа;

на фиг.5 представлен общий вид участка теплопередающего листа в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;

на фиг.6 представлен в разрезе участок теплопередающего листа, показанного на фиг.5;

на фиг.7 представлен вид сверху теплопередающего листа целиком, имеющего профиль по фиг.5;

на фиг.8 представлен вид сверху еще одного варианта осуществления теплопередающего листа, иллюстрирующий синусоидальный профиль гребней в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.9 представлена диаграмма поперечного сечения теплопередающего листа по фиг.8.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В варианте осуществления, теплопередающая поверхность, известная и под другим названием - «теплопередающий лист», является ключевым компонентом подогревателя воздуха. Теплопередающая поверхность вращающегося регенеративного теплообменника, такого как подогреватель воздуха Ljungstrom^®, состоит из профилированных листов стали, упакованных в каркасные корзины или собранных в пакет и установленных в роторе подогревателя воздуха. Во время каждого витка ротора, теплопередающий лист чередующимся образом пропускают через поток горячего газа, где он поглощает энергию, а затем - через воздух горения, и при этом происходит передача поглощенной энергии воздуху горения, вследствие чего последний подогревается.

Корпус 14 образует впускной канал 20 дымового газа и выпускной канал 22 дымового газа, чтобы обеспечить протекание потока 36 нагретого дымового газа через теплообменник 10. Корпус 14 также образует впускной канал 24 воздуха и выпускной канал 26 воздуха, чтобы обеспечить протекание воздуха 38 горения через теплообменник 10. Ротор 12 имеет радиальные перегородки 16 или диафрагмы, образующие между собой камеры 17 для поддержания корзин (рам) 40 теплопередающих листов 42. Теплообменник 10 разделен на сектор воздуха и сектор дымового газа секторными пластинами 28, которые продолжаются поперек корпуса 14 рядом с верхней и нижней гранями ротора 12. Хотя на фиг.1 показан один-единственный поток 38 воздуха, в таких конфигурациях, как трехсекторная и четырехсекторная, возможны несколько потоков воздуха. Они обеспечивают несколько потоков подогретого воздуха, которые можно направлять для различных приложений.

Как показано на фиг.2, один пример корзины 40 листов включает в себя каркас 41, в котором расположены в пакете теплопередающие листы 50. Хотя показано лишь ограниченное количество теплопередающих листов, следует понимать, что корзина 40 в типичном случае будет наполнена теплопередающими листами 50. Как дополнительно показано на фиг.2, теплопередающие листы 50 плотно расположены в пакете на некотором расстоянии внутри корзины 40, образуя каналы 44 между смежными теплопередающими листами 50. Во время работы, по этим каналам 44 протекает воздух или дымовой газ.

Обращаясь к обеим фиг.1 и 2, необходимо отметить, что поток 36 нагретого дымового газа направляется через сектор газа теплообменника 10 и передает тепло теплопередающим листам 50. Теплопередающие листы 50 затем поворачиваются вокруг оси 18 к сектору воздуха теплообменника 10, где воздух 38 горения направляется по теплопередающим листам 50 и поэтому нагревается.

Обращаясь к фиг.3 и 4, необходимо отметить, что обычные теплопередающие листы 50 показаны расположенными в пакете. Как правило, теплопередающие листы 50 представляют собой металлические плоские элементы, которым придана такая форма, что они включают в себя одно или более разделительных ребер 59 и одну или более волн 51, образованных, в частности, гребнями 55 волн и впадинами 57.

Профили теплопередающих листов 50 важны для рабочей характеристики подогревателя воздуха и системы котла. Основное внимание при разработке геометрического рисунка профиля теплопередающего листа 50 уделяется трем важных составляющим: первая - теплопередача, которая непосредственно связана с рекуперацией тепловой энергии; вторая - падение давления, оказывающее негативное влияние на механический КПД систем котлов, а третья - очищаемость, позволяющая эксплуатировать подогреватель с его оптимальной тепловой и механической рабочей характеристикой. Наилучшим образом работающие теплопередающие листы обеспечивают высокие скорости теплопередачи, низкое падение давления и оказываются легко очищаемыми.

Разделительные ребра 59 расположены в целом через интервалы одинаковой величины и работают, поддерживая промежутки между соседними теплопередающими листами 50, когда те расположены в пакете смежно друг относительно друга и взаимодействуют, образуя каналы 44 согласно фиг.2 и 3. Они обеспечивают протекание воздуха или дымового газа между теплопередающими листами 50.

Как показано на фиг.4, разделительные ребра 59 продолжаются параллельно направлению протекания воздуха (например, 0 градусов) от первого конца 52 теплопередающего листа 50 до второго конца 53, а затем проходят через ротор (позиция 12 на фиг.1).

Гребни 55 волн в известных технических решениях расположены под одинаковым углом A0 относительно ребер 59, а значит и одинаковым углом относительно потока воздуха, обозначенным стрелками с надписью «поток воздуха». (Поскольку дымовой газ протекает в направлении, противоположном потоку воздуха, углы для потока дымового газа будут отличаться на 180 градусов.) Гребни 55 волн действуют, направляя воздух около поверхности в направлении, параллельном гребням 55 и впадинам 57, что изначально вызывает турбулентность. По прохождении некоторого расстояния, начинается регулирование потока воздуха, и он напоминает ламинарный поток.

Термин «ламинарный поток» означает, что слои воздуха стратифицированы и движутся параллельно друг другу. Это указывает, что воздух около поверхности продолжит оставаться около поверхности по мере продвижения вдоль теплопередающего листа. Как только воздух около поверхности достигает температуры поверхности, между ними происходит незначительная теплопередача. Любая теплопередача для других слоев должна теперь проходить через слой около поверхности, поскольку они не вступают в непосредственный контакт с теплопередающим листом 50. Передача тепла от ламинарного слоя воздуха к соседнему слою воздуха не так эффективна, как теплопередача от воздуха к поверхности металла.

Как показано на фиг.5-7, волнистая поверхность 71 имеет параллельные гребни 75 волн и впадины 77, образующие острый первый угол A₁ относительно разделительных ребер 59. Волнистая поверхность 81 тоже имеет параллельные гребни 85 и впадины 87, образующие тупой второй угол A₂ относительно разделительных ребер 59. Повторяющийся профиль обозначен символом «R». В этом варианте осуществления, когда воздух проходит вдоль поверхности, он направляется чередующимся образом в противоположных направлениях вдоль теплопередающего листа 70.

Предполагается, что каналы 79 между гребнями 75, 85 смежных листов постоянно перенаправляют протекающий воздух сначала направо, потом налево, потом прямо назад, и т.д. Это постоянное перенаправление считается возмущающим ламинарный поток, вызывая турбулентность, которая больше, чем в варианте осуществления, показанном на фиг.4. Следовательно, разные слои воздуха будут вступать в непосредственный контакт с поверхностью металла листа 70. Предполагается, что это увеличивает теплопередачу.

Углы, показанные на чертежах, представлены лишь в иллюстративных целях. Следует понимать, что изобретение охватывает широкий диапазон углов.

Несмотря на то что в настоящем документе показаны только две волнистые поверхности, понятно, что количество волнистых поверхностей с разными углами можно также увеличить, и этот вариант тоже будет в рамках объема притязаний изобретения.

На фиг.6 и 7 показаны участки, где канал является прямым. Увеличить теплопередачу можно также предусматривая конструкцию, в которой нет прямых участков и которая демонстрирует постоянное перенаправление для повышения КПД.

На фиг.8 и 9 показан еще один вариант осуществления теплопередающего листа 90, имеющего первый конец 52 и второй конец 53 и продольную ось 60, продолжающуюся от первого конца 52 до второго конца 53, в соответствии с настоящим изобретением. Теплопередающий лист 90 имеет по меньшей мере одну волнистую поверхность 91. Волнистая поверхность 91 имеет множество гребней 95 и впадин 97. Как видно из вышеизложенного, гребни 95 и впадины 97 имеют синусоидальную форму или профиль 94, продолжающийся от первой стороны 51 ко второй стороне. Несколько синусоидальных профилей 94 занимают один или несколько периодов T. Синусоидальные профили 94 на противоположных сторонах разделительных ребер 59 сдвинуты по фазе на 180 градусов. Можно также использовать другие периоды и фазы, и они тоже будут находиться в рамках объема притязаний настоящего изобретения.

Указанные гребни 95 и впадины 97 создают синусоидальные каналы 99, когда теплопередающие листы 90 расположены друг против друга в корзине. Постоянное перенаправление воздуха, когда тот проходит по синусоидальным каналам 99, уменьшает ламинарный поток, тем самым увеличивая турбулентность и увеличивая эффективность теплопередачи.

В некоторых местах образуются только частичные синусоидальные формы 98. Синусоидальные профили 94 не ограничены теми, которые имеют постоянный период T для всех профилей 94, каждый участок которых сдвинут по фазе на 180 градусов относительно следующего участка. Синусоидальные профили также могут отличаться друг от друга сдвигом (фазовым углом).

Хотя изобретение описано со ссылками на возможные варианты осуществления, специалисты в данной области техники поймут, что в рамках объема притязаний изобретения в него можно внести различные изменения и предусмотреть эквиваленты для замены теплопередающих листов. Кроме того, специалистам в данной области техники будет ясна возможность многих модификаций для адаптации конкретного прибора, конкретной ситуации или материала к положениям изобретения в рамках его существа и объема притязаний. Поэтому предполагается, что изобретение не ограничено конкретным вариантом осуществления, раскрытым в качестве наилучшего способа осуществления, а следует считать, что изобретение будет включать в себя все варианты осуществления, находящиеся в рамках объема притязаний прилагаемой формулы изобретения.

Изобретение относится к области теплотехники и может быть использовано во вращающихся регенеративных теплообменниках. Теплопередающие листы для вращающегося регенеративного теплообменника содержат множество элементов (59), продолжающихся вдоль листа по существу параллельно направлению потока горячего дымового газа, образующих участок проточного канала между смежными теплопередающими листами и располагающих листы на расстоянии, и множество волнистых поверхностей (71,81), расположенных между каждой парой смежных элементов (59), причем множество волнистых поверхностей содержит первую (71) волнистую поверхность, образованную множеством удлиненных гребней (75), продолжающихся вдоль теплопередающего листа параллельно друг другу под первым углом А₁ относительно элементов (59) и вторую волнистую поверхность (81), образованную множеством удлиненных гребней (85), продолжающихся вдоль теплопередающего листа параллельно друг другу под вторым углом А₂ относительно элементов (59), причем первый угол А₁ отличается от второго угла А₂. Технический результат - улучшение теплопередачи путем повышения турбулентности потока. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Теплопередающий лист для вращающегося регенеративного теплообменника, который принимает поток горячего дымового газа и поток воздуха и передает тепло из потока горячего дымового газа потоку воздуха, причем теплопередающий лист содержит:
множество располагающих на расстоянии листы элементов, продолжающихся вдоль теплопередающего листа по существу параллельно направлению потока горячего дымового газа, образующих участок проточного канала между смежными теплопередающими листами; и
множество волнистых поверхностей, расположенных между каждой парой смежных располагающих на расстоянии листы элементов, причем множество волнистых поверхностей содержит:
первую волнистую поверхность, образованную множеством удлиненных гребней, продолжающихся вдоль теплопередающего листа параллельно друг другу под первым углом А₁ относительно располагающих на расстоянии листы элементов, и
вторую волнистую поверхность, образованную множеством удлиненных гребней, продолжающихся вдоль теплопередающего листа параллельно друг другу под вторым углом А₂ относительно располагающих на расстоянии листы элементов, причем первый угол А₁ отличается от второго угла А₂.

2. Теплопередающий лист по п. 1, в котором первая волнистая поверхность соединена со второй волнистой поверхностью, а проточные каналы, образованные волнистыми поверхностями, непрерывны по текучей среде.

3. Теплопередающий лист по п. 1, в котором первый угол А₁ является острым углом, а второй угол А₂ является тупым углом.

4. Теплопередающий лист, содержащий:
множество гребней и впадин, которым придана форма по меньшей мере частично синусоидального профиля, продолжающихся от первого конца до второго конца и ориентированных так, что текучая среда, проходящая от первого конца ко второму концу, по меньшей мере частично перенаправляется чередующимся образом между первым направлением и вторым направлением.

5. Теплопередающий лист по п. 4, в котором синусоидальный профиль состоит из нескольких периодов Т.

6. Теплопередающий лист по п. 4, в котором по меньшей мере часть гребней продолжается меньше, чем на полный период Т синусоиды.

7. Теплопередающий лист по п. 4, в котором предусмотрены по меньшей мере два синусоидальных профиля, которые расположены не в фазе друг относительно друга.

8. Теплопередающий лист по п. 7, в котором по меньшей мере два синусоидальных профиля расположены не в фазе на протяжении полного периода Т.

9. Теплопередающий лист по п. 7, в котором по меньшей мере один синусоидальный профиль имеет период Т, который отличается от периода по меньшей мере одного другого синусоидального профиля.

10. Теплопередающий лист по п. 4, в котором образованы каналы под гребнями волнистых поверхностей при расположении на другой волнистой поверхности другого теплопередающего листа.

11. Корзина для вращающегося регенеративного
теплообменника, содержащая:
каркас и
по меньшей мере один теплопередающий лист, содержащий:
множество гребней и впадин, имеющих по меньшей мере частично синусоидальный профиль, продолжающихся от первого конца до второго конца и ориентированных так, что текучая среда, проходящая от первого конца ко второму концу по меньшей мере частично перенаправляется чередующимся образом от стороны к стороне.

12. Корзина по п. 11, в которой синусоидальный профиль теплопередающего листа содержит несколько периодов T.

13. Корзина по п. 11, в которой синусоидальный профиль теплопередающего листа содержит менее полного периода Т синусоиды.

14. Корзина по п. 11, в которой теплопередающий лист имеет несколько синусоидальных профилей, которые расположены не в фазе друг относительно друга.

15. Корзина по п. 11, в которой теплопередающий лист имеет по меньшей мере два синусоидальных профиля, имеющих отличающийся период Т синусоиды.