ТЕПЛОПЕРЕДАЮЩАЯ ПОВЕРХНОСТЬ
HEAT TRANSFER SURFACE

Настоящее изобретение относится к вращающимся рекуперативным воздухоподогревателям, предназначенным для котельных установок и промышленных печей и, более конкретно, к воздухоподогревателям типа, при котором цилиндрический барабан с открытым концом вмещает в себя множество разделенных промежутками элементов с поверхностями нагрева в форме волнистых металлических пластин и медленно поворачивается для введения элементов последовательно в поток горячих топочных газов и в поток воздуха для горения, причем указанные потоки аксиально проходят через барабан и между элементами, находящимися в барабане.
Согласно существующим техническим решениям многие из элементов с поверхностями нагрева обычно имеют форму, показанную на фиг.1-10 из прилагаемых фигур.
На фиг.1 показан фрагментарный вид с торца (из патента GB 992413) уложенных в пакет элементов с волнистыми поверхностями нагрева, а на фиг.2 - местный перспективный вид пакета с фиг.1.
Как показано на чертеже, обычные элементы с поверхностями нагрева для воздухоподогревателя упомянутого типа состоят из волнистых металлических пластин 1, причем волны 2 обычно располагаются под углом (θ) 30° к оси барабана, и каждая очередная волнистая пластина 1 имеет идущие аксиально вырезы 3 и 4, выполненные на противоположных поверхностях для сохранения промежутков между пластинами.
1
На фиг.3 показан перспективный вид варианта формы элементов, показанных на фиг.2. Внимательное исследование изображения показывает, что идущие аксиально вырезы располагаются ближе друг к другу, чем те, которые показаны на фиг.2, уменьшая таким образом количество волн, которые располагаются между двумя соседними аксиальными вырезами. Отметим также, что эта фигура отличается также аксиальной направленностью потока на входе в пакет и небольшим углом (α) к направленности потока, который может возникнуть при прохождении потока через такие пакеты. Этот небольшой «смещенный поток» вызывается угловой направленностью волн листов, особенно в случае, когда волнистым является только один лист. Желобки в этих волнах идут под аксиальными вырезами в противоположном листе с вырезами и образуют несколько открытый путь потока, через который часть потока может рассеиваться.
На фиг.4 показан перспективный вид другого варианта формы элементов, показанный на фиг.3. Внимательное исследование изображения показывает, что направление волн в нижнем листе, не имеющем аксиальных вырезов, изменено на противоположное, что ведет к тому, что волны в соседних листах элементов идут в разных направлениях. Элементы, показанные на фиг.4, обозначаются как «перекрещивающиеся», в то время как те, которые показаны на фиг.2 и 3, обозначаются как «не перекрещивающиеся» элементы.
Ни конкретные причины для использования «перекрещивающихся» элементов как противоположных «не перекрещивающимся», ни влияние на рабочие характеристики, которое оказывает варьирование шага вырезов, высота и угол волн не являются предметом настоящего изобретения и не будут здесь далее обсуждаться. Тем не менее детальная, «тонкая настройка» этих факторов играет важную роль в оптимизации тепловых характеристик и перепада давления в этих элементах. В этом случае на фиг.4 показан вариант реализации такой конструкции элементов, который иллюстрирует оптимизированную версию профиля этого типа.
2
2
2
На фиг.4 отмечены как аксиальная направленность потока на входе в пакет, так и отклонение под небольшим углом (α) к направленности потока, которое продолжает возникать при прохождении через такой пакет - несмотря на «перекрещивающиеся» волны. И в этом случае этот небольшой смещенный поток вызывается угловой направленностью волн листов, особенно в случае, когда волнистым является только один лист. Эта фигура также отмечена углом волн (θ), который обычно находится в диапазоне 15°-35° к направлению потока и наиболее обычно равен 30° к направлению потока. Отметим также, что угол сноса обычно значительно меньше, чем угол волн (α<<θ), и в действительности, для показанного профиля элемента, α составляет только около 20% от θ (т.е. около 6° к направлению потока).
Все профили, показанные на фиг.1-4, относятся к тому типу, который обычно называют профилями с двойной волнистостью (или тип DU), в которых оба листа в паре элементов являются волнистыми.
Для сравнения на фиг.5 показан местный вид с торца другой обычной формы профиля элемента, а на фиг.6 показан местный перспективный вид пакета с фиг.5. Эту форму элемента обычно обозначают как гофрированный волнистый (или типа CU) профиль. В этом случае, в то время как один лист в такой паре элементов является простым волнистым листом, подобным тем, которые показаны на фиг.1-4, второй лист имеет гораздо более глубокие последовательности гофров, идущих аксиально по длине элемента в направлении потока. Отметим, что, как и в случае с семейством элементов DU, этот ряд элементов типа CU также подвержен тенденции к возникновению некоторого смещенного потока по мере прохождения потока через пакет элементов.
Отрицательное влияние компонента смещенного потока, описанное в рабочих или эксплуатационных характеристиках пакетов из различных элементов, может варьироваться в широких пределах, начиная от имеющего пренебрежимо малое значение влияния до серьезного влияния, в зависимости от детальной геометрической формы конкретного элемента. Однако обычное отрицательное влияние, различным образом связанное со смещенным потоком, включает в себя:
1) возможное уменьшение теплопроизводительности;
2) создание распределения температур по выходу из пакета. На холодном конце воздухоподогревателя это может привести к возникновению «холодного угла», который, как считают, ведет к усилению засорения холодного конца;
3) заявленное рассеяние скорости обладающих большой энергией чистящих струй пара или сжатого воздуха, которые обычно используются для очистки этих элементов;
4) тенденция к переносу отделенных при чистке частиц к одной стороне пакетов элементов во время циклов промывки водой.
На фиг.7, из патента США №6019160, хотя и разработанного по другой причине, проиллюстрированы основные признаки другого семейства теплопередающих элементов, которые обычно называют элементами «с двойным вырезом», или типа DN.
Эти элементы названы так по той причине, что оба теплопередающих элемента в каждой паре содержат как аксиальные вырезы, так и расположенные под углом волны. Хотя такая компоновка элемента не исключает бокового рассеивания потока под вырезами, в этом случае размещение двойных вырезов в сочетании с использованием формата с «перекрещивающейся волнистостью» допускает рассеивание потока в любом из двух направлений при прохождении через пакет. Таким образом, утверждается, что этот профиль элемента вызывает меньший эффект смещенного потока и снижает стратификацию температур на выходе из пакета.
По краю устраняется смещенный поток в элементах, которые имеют линейный контакт между имеющими вырезы или гофрированными листами и прилегающей плоской поверхностью, как показано в самых простых элементах (с обладающим низкими рабочими характеристиками снабженным вырезом - плоским профилем), показанных на фиг.8, и в более сложном и обладающем более высокими рабочими характеристиками элементе, показанном на фиг.9.
Кроме того, делали ряд попыток оптимизировать баланс показателей переноса тепла в этих элементах с двойным вырезом, представленных профилем элемента, показанным на фиг.10 из патента США №6179276. Отметим, что этот патент предусматривает использование поперечных волн, расположенных по зигзагообразной схеме.
На фиг.16 изображен пакет элементов с поверхностью нагрева согласно патенту США №2596642, в котором множество гребней размещается против вершин обладающего елочной структурой элемента с поверхностью нагрева. Однако это способствует возникновению нежелательных завихрений, и, кроме того, затруднительным является изготовление таких элементов из-за необходимости в точной установке гребней.
Таким образом, целью настоящего изобретения является сведение к минимуму или хотя бы уменьшение чистого смещенного потока проходящего газа.
Согласно изобретению предлагается элемент с поверхностью нагрева, имеющий первый и второй прилегающие друг к другу участки, причем участки простираются вдоль боковых сторон друг друга в первом направлении, так что граница между указанными первым и вторым участками идет в первом направлении, и каждый участок имеет множество волн, расположенных рядом, каждая волна имеет продольную протяженность, и продольная протяженность волн в указанном первом участке размещается под углом от 0° до +90° к указанному первому направлению, и продольная протяженность волн в указанном втором участке размещается под углом от 0° до -90° к указанному первому направлению.
Поэтому смещенный поток не идет полностью в одном направлении, и чистый смещенный поток будет уменьшен. Первое направление в общем относится к первичному потоку, а направление волн выбрано таким образом, что влияние волн на первом и втором участках является одинаковым и противоположно направленным.
Предполагается, что между двумя участками может иметься пространство, свободное от волн. Однако предпочтительно два участка непосредственно граничат друг с другом, чтобы обеспечить наличие смещенного потока на как можно большей площади. Если два участка граничат между собой, максимум пиков волн на первом участке предпочтительно практически соответствует максимуму пиков выступов на втором участке.
Описанное выше изобретение содержит просто первый и второй участки. Однако предполагается, что существует возможность наличия множества первых участков и/или множества вторых участков, когда каждый первый участок чередуется с каждым вторым участком. Это не допускает развитие слишком сильного смещенного потока. Если первый и второй участки непосредственно граничат друг с другом, смещенный воздушный поток будет направлен к граничной области до его отражения обратно, в направлении противоположной граничной области. Поэтому воздух следует по зигзагообразной схеме вдоль элемента с поверхностью нагрева, увеличивая таким образом время, которое расходуется на прохождение над элементом с поверхностью нагрева, и улучшая показатели теплообмена. Угол расположения продольных волн на первом и втором участках относительно первого направления предпочтительно является одинаковым и с противоположной направленностью. Углы предпочтительно составляют от 10° до 40° (и от -10° до -40°) и более предпочтительно от 25° до 35° (и от -25° до -35°).
Пакет, такой как стопа, элементов с поверхностью нагрева может содержать элемент с поверхностью нагрева согласно изобретению. Пакет элементов с поверхностью нагрева может дополнительно содержать поверхность нагрева с вырезом, простирающуюся в первом направлении. Вырез может имеет форму отдельной и более крупной волны или просто выступ из основного тела элемента с поверхностью нагрева, который служит для разделения промежутками элементов с поверхностью нагрева. Элемент с поверхностью нагрева с вырезами предпочтительно размещается таким образом, чтобы каждый из указанных участков непосредственно противостоял не более чем одному вырезу. Это позволяет избежать слишком сильного возмущения воздушного потока вырезами.
Согласно варианту реализации изобретения предлагается стопа элементов с поверхностью нагрева с основным направлением, причем указанная стопа содержит первый элемент с поверхностью нагрева, имеющий елочную структуру, указанная елочная структура содержит множество участков, указанное множество участков размещается таким образом, что граница между этими участками проходит вдоль указанного основного направления, а указанное множество участков содержит первый участок, имеющий множество волн, расположенных в продольном направлении рядом друг с другом, и продольная протяженность указанных волн в указанном первом участке располагается под углом больше 0° и менее чем 90° к указанному основному направлению, и указанное множество участков содержит также второй участок, прилегающий к указанному первому участку, и указанный второй участок имеет множество волн, расположенных в продольном направлении рядом друг с другом, и продольная протяженность указанных волн в указанном втором участке располагается под углом менее 0° и более чем -90° к указанному основному направлению, указанная стопа содержит второй нагревательный элемент с поверхностью нагрева, указанный второй элемент с поверхностью нагрева содержит вырез, простирающийся вдоль указанного основного направления, указанный вырез располагается таким образом, что не противостоит непосредственно границе между указанными первым и вторым участками.
Размещение выреза таким образом, чтобы он не противостоял непосредственно границе между первым и вторым участками, позволяет газу протекать вдоль елочной структуры и уменьшает влияние завихрений.
Предпочтительно имеется множество первых участков, каждый с множеством волн, расположенных в продольном направлении рядом друг с другом, с продольной протяженностью волн, располагающейся под углом от +10° до +80° к основному направлению, и множество вторых участков, каждый с множеством волн, расположенных в продольном направлении рядом друг с другом, с продольной протяженностью волн, располагающейся под углом от -10° до -80° к основному направлению. Каждый из вторых участков прилегает по меньшей мере к одному первому участку, и предпочтительно первый и второй участки чередуются, образуя в целом елочную структуру.
Предпочтительно имеется множество вырезов, простирающихся в основном направлении, и по меньшей мере один из вырезов располагается таким образом, что не противостоит непосредственно границе между первым и вторым участками на элементе с поверхностью нагрева, непосредственно противостоящем ему. В самом деле предпочтительно больше чем один вырез не противостоит непосредственно границе между первым и вторым участками на элементе с поверхностью нагрева, непосредственно противостоящем ему. В идеале ни один из вырезов не противостоит непосредственно границе между первым и вторым участками на элементе с поверхностью нагрева, непосредственно противостоящем газовому потоку вдоль елочной структуры. Для достижения этой цели второй элемент с поверхностью нагрева может быть изготовлен таким образом, чтобы вырезы размещались через равные промежутки с правильной периодичностью, а елочная структура также обладала правильной периодичностью. Для того чтобы гарантировать, что по меньшей мере некоторые из вырезов не будут противостоять непосредственно границе между первым и вторым участками, период или расстояние между продольными вырезами несколько превышает период или расстояние между границами между первым и вторым участками.
Пакет или стопа элементов с поверхностью нагрева согласно изобретению предпочтительно содержит множество первых и вторых элементов с поверхностью нагрева, размещенных поочередно. При этом первый элемент с поверхностью нагрева непосредственно противостоит второму элементу с поверхностью нагрева, а второй элемент с поверхностью нагрева непосредственно противостоит первому элементу с поверхностью нагрева.
Первый и второй участки первого элемента с поверхностью нагрева непосредственно граничат между собой предпочтительно таким образом, что максимальная высота каждого пика волн на первом участке по существу сходится с максимальной высотой пика волн на втором участке.
Угол наклона волн к основному направлению предпочтительно составляет от +15° до 35° на первом участке и от -15° до -35° на втором участке.
Второй элемент с поверхностью нагрева может дополнительно содержать волны, расположенные в продольном направлении рядом друг с другом. Продольная протяженность волн располагается или под углом от +10° до +80° к основному направлению, или под углом от -10° до -80° к основному направлению. Это также помогает направить газ таким образом, чтобы можно было добиться эффективной теплопередачи.
Далее изобретение будет описано со ссылкой на не ограничивающие его рамки фигуры:
на фиг.1 изображен волнистый элемент с поверхностью нагрева согласно существующему техническому решению;
на фиг.2 изображен пакет волнистых элементов с поверхностью нагрева согласно существующему техническому решению;
на фиг.3 изображен волнистый элемент с поверхностью нагрева согласно существующему техническому решению;
на фиг.4 изображен волнистый элемент с поверхностью нагрева согласно существующему техническому решению;
на фиг.5 показан поперечный разрез пакета элементов с поверхностью нагрева гофрированного волнистого типа согласно существующему техническому решению;
на фиг.6 показан альтернативный вид пакета элементов с поверхностью нагрева, показанного на фиг.5;
на фиг.7 показан пакет элементов с поверхностью нагрева, описанный в патенте США №6019160;
на фиг.8 изображен пакет волнистых элементов с поверхностью нагрева согласно существующему техническому решению;
на фиг.9 показан пакет элементов с поверхностью нагрева, описанный в патенте США №5836379;
на фиг.10 показан пакет элементов с поверхностью нагрева, описанный в патенте США №6179276;
на фиг.11 показан элемент с поверхностью нагрева согласно изобретению;
на фиг.12 изображен пакет элементов с поверхностью нагрева согласно варианту реализации изобретения;
на фиг.13 схематически показан элемент с поверхностью нагрева согласно изобретению;
на фиг.14 показаны схемы прохождения потоков по элементам с поверхностью нагрева согласно изобретению;
на фиг.15 показаны схемы прохождения потоков по элементам с поверхностью нагрева согласно изобретению; и
на фиг.16 изображен пакет элементов с поверхностью нагрева согласно существующим техническим решениям.
После описания существующих технических решений предмет настоящего изобретения проиллюстрирован на фиг.11-14. Это изобретение более тесно связано с обладающими «двойной волнистостью» и «гофрированными-волнистыми» профилями элементов, показанными на фиг.1-6, чем с более сложными профилями с двойным вырезом, такими как показанные на фиг.7, 9 и 10. Кроме того, изобретение предлагает способ резкого уменьшения рассеивания потока и характеристик смещенного потока в этих профилях просто путем изменения геометрической формы только одного листа из пары элементов - волнистого листа.
На фиг.11 показан фрагментарный вид модифицированного волнистого листа в соответствии с положениями настоящего изобретения, в то время как на фиг.12 показан местный вид этого листа в сочетании с имеющей вырез волнистой пластиной, применяемой в стандартных элементах с двойной волнистостью. Как можно видеть на фиг.11, волнистый лист содержит первый участок волнистости в первом направлении и второй участок волнистости во втором направлении, причем максимальный пик волн на первом участке соответствует на границе с максимальным пиком волн на втором участке. Как можно видеть на фиг.12, вырезы во второй пластине не противостоят непосредственно границе между первым и вторым участком на первом листе. На фиг.13 в более крупном масштабе показано расположение двух листов, показанных на фиг.12, с вырезами, обозначенными пунктирными линиями, и волнистостью 6 с елочной структурой 5, показанной ниже. Как можно видеть, большая часть вырезов не накладывается на вершины елочной структуры. В этом варианте реализации такого положения достигают с помощью вырезов, имеющих период между ними, несколько больший, чем период волн. Однако этого можно добиться с помощью любого из многих других способов.
Результат размещения вырезов таким образом, чтобы они не располагались непосредственно против границы между волнами различной направленности, можно видеть на фиг.14 и 15. Газ течет вдоль елочной структуры, и когда газовый поток достигает вершины елочной структуры, он встречается с газом, текущим в противоположном направлении, и поэтому направляется назад через елочную структуру, как показано, в частности, на фиг.14. Как можно видеть, газовый поток проходит под вырезами, так что вырезы не оказывают серьезного влияния на рисунок потока, а газ и газовый поток не разделяются вырезами на отсеки. Это ведет к получению равномерного потока на выходе. В отличие от этого в случае, если вырезы размещаются таким образом, что оказываются против вершин елочной структуры, комбинированное влияние вырезов и вершин елочной структуры должно способствовать генерированию завихрений между соседними участками волн с противоположной направленностью.
Настоящее изобретение не ограничивается использованием волнистого листа, показанного на фиг.11, с имеющим вырезы волнистым листом, показанным на фиг.12, но может использоваться в сочетании с другими формами гофрированного листа, такими как показанные на фиг.5 и 6. Однако важно, чтобы по меньшей мере один, а предпочтительно больше вырезов должны располагаться не непосредственно против границы между волнами с различной направленностью.
На фиг.13 показан типичный более широкий вид типичного размещения этих зигзагообразных волн на большей площади целого листа элемента. Отметим, что зигзагообразные волны 5 на этом листе располагаются с поперечной ориентацией поперек листа. Кроме того, угол (А), под которым эти волны располагаются по отношению к направлению потока, обычно находится в диапазоне 15°-35°.
Отметим также на фиг.13, что типичные положения противоположных вырезов в соседних листах в паре показаны пунктирными вертикальными линиями 6. Кроме того, внимательное изучение фигуры покажет, что размеры и угол зигзагов подобраны таким образом, чтобы каждая волна, идущая в одном направлении, пересекала не больше чем один противоположный вырез перед тем, как волна изменит направление. Хотя это является оптимальной компоновкой, это не является ключевой частью изобретения, и зигзаги могут быть больше по размерам, чтобы пересекать два или больше вырезов или гофров на соседнем листе.
На фиг.14 и 15 показаны упрощенные двухмерные схемы внутренних потоков, которые будут иметь место внутри пакета элементов. На этих фигурах ясно показано назначение поперечных зигзагов на волнистом листе. Отметим, что на входе в пакет элементов поступающий топочный газ или воздух имеют тенденцию к отражению остриями V волн в том или ином направлении поперек листа, в зависимости от локальной направленности волн. В результате получается не одно определенное направление, в котором допускается развитие смещенного потока при его прохождении через элемент.
Кроме того, как можно видеть по обозначенному рисунку потока далее по элементу, соседние, несколько смещенные струи потока будут иметь тенденцию к слиянию по мере приближения потока к желобам V. Однако этой тенденции к слиянию будут противостоять противоположные компоненты количества движения потока, так что направление локального потока будет иметь тенденцию к выпрямлению или даже к изменению на противоположное, как показано в нижней части элемента. Чистый результат применения поперечных зигзагов поперек пластины будет заключаться в устранении смещенного потока, который в противном случае возникнет при использовании обычного волнистого листа, и, таким образом, в получении равномерного потока по всему выходу из пакета элементов.
Это устранение смещенного потока и сжатие поперечного рассеивания потока помогает, таким образом, преодолеть все четыре возможные проблемы смещенного потока, упомянутые в предшествующем описании.