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CN100538247C - 换热表面 - Google Patents

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CN100538247C
CN100538247C CNB2006800004650A CN200680000465A CN100538247C CN 100538247 C CN100538247 C CN 100538247C CN B2006800004650 A CNB2006800004650 A CN B2006800004650A CN 200680000465 A CN200680000465 A CN 200680000465A CN 100538247 C CN100538247 C CN 100538247C
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Abstract

一种热表面元件，具有Z字形布置的纵向波纹以起到使气体的斜流最小化的作用。波纹的角度优选地相对于气体的主流方向为15°至35°。当与凹口热表面元件结合时，所述波纹优选地不在改变方向前穿过多于一个相对凹口。

Description

换热表面
技术领域
本发明涉及一种用于锅炉车间和工业炉的旋转再生式空气预热器，具体地，涉及这样一种类型的空气预热器，其中敞口柱状鼓容纳多个间隔的波纹金属板形式的热表面元件(heating surface element)，并可慢慢旋转而将热表面元件相继移动到热烟气流和燃烧空气流中，所述气流轴向地流过所述鼓并且在所述鼓中的热表面元件之间轴向流动。
背景技术
根据现有技术，用于这种空气预加热器的许多热表面元件通常是附图的图1至10的形式。
图1是成叠的(packed)波纹热表面元件的部分端视图(摘自GB9924313)，图2是图1的所述叠(pack)的部分透视图。
参照附图，用于前述类型的空气预热器的典型的热表面元件包括波纹金属板1，波纹2通常以与所述鼓的轴成30°的角度(θ)延伸，每个交替的波纹板1具有在其相对面上形成的轴向延伸的凹口3和4，以保持板的间距。
图3是图2所示元件的形式变化的透视图。认真观察该视图会看出轴向延伸的凹口比图2所示的那些更靠近在一起，从而减少两个相邻轴向凹口之间的波纹数。注意该图只标出在叠的入口的轴向流方向以及当流通过这些叠时会产生的与轴向流方向所成的小角度(α1)。这种轻微“斜流(skew flow)”由片中波纹—特别是那些只有波纹的片的倾斜方向导致。这些波纹中的波谷在轴向凹口下方相对的齿形片中，并提供轻微开口路径流通过该路径一部分流会消散。
图4是图3所示元件的形式的另一种变化。仔细观察该图可看出在没有轴向凹口的下片中的波纹方向反转，从而保证相邻元件片中的波纹的方向不同。图4中所示元件命名为“交叉式(crossed)”，而图2和3所示元件命名为“非交叉式(uncrossed)”元件。
本发明的目标既不是采用“交叉”对应“非交叉”元件的具体原因，也不是改变凹口间距、波纹高度或波纹角度的性能效果，因而不会在以下进一步讨论。另外，这些因素的详细的、“精调的”组合在使这些元件热性能和压降特性最优方面具有重要的作用。在这种情况，图4示出元件的这种设计的实施例，示出这种类型断面的最优版本。
图4还标记有叠入口处的轴向流方向及相对于流方向的轻微斜角(α2)，当流经过该叠时该斜角还会增长—不考虑“交叉”波纹。再次，该轻微斜流由片中—尤其是只波纹的片中倾斜的波纹方向引起。该图还标记有波纹角(θ)，通常相对于流方向在15°至35°的范围，最常见是相对于流方向30°。进一步注意到斜流角通常比波纹角小得多(α2<<θ，而且对于所示元件断面，α2通常只有θ的大约20％，即，相对于流方向大约6°)。
图1至4所示所有断面通常指的是双波纹(或DU型)断面，即成对元件中的两片都是波纹的。
相比较而言，图5是元件断面的另一常见形式的部分端视图，而图6是图5的叠的部分透视图。这种形式的零件通常指的是褶皱波纹(或CU型)断面(corrugated undulated profile)。在这种情况中，当每一成对元件中的一片是类似于图1至4中所示的单一波纹片时，第二片则在流方向上沿着元件长度具有深得多的连续褶皱。注意，与DU族元件相似，该范围的CU型元件也存在当流经过元件叠时产生轻微斜流的趋势。
所述斜流分量在不同元件叠的性能或工作特性上的有害效果会差别很大，根据具体元件的详细构造，范围从可忽略的效果到巨大的效果之间。但是，不同地归因于斜流的总的有害效果有：
1.热性能上可能减少；
2.在叠的出口上产生温度分布。在空气加热器的冷端，可产生“冷角”，被认为会加重冷端失效；
3.通常用于清洁这些元件的高能清洁喷流或压缩空气的速度消散；
4.水洗步骤中易于朝元件叠的一侧传输被清洁微粒。
尽管因为另一个原因增长，从US6019160抽出的图7示出一般称之为“双凹口”或DN型元件的另一系列换热元件的主要特征。这样命名这些元件的原因是每对中的两个换热元件都包含轴向凹口和倾斜波纹。尽管这种元件布置不消除凹口下流的横向消散，在这种情况中，结合使用“交叉波纹”类型的双凹口的布置，倾向于当流动通过叠时，使流在两个方向中的一个上消散。因此，据称这种元件断面产生较少的斜流效应并降低叠出口的温度分层。
极端情况下，在凹口或波状片与相邻平板之间具有线接触的元件中，斜流被消除，所述平板如图8上最简单的元件(低性能凹口平断面)所示和如图9所示的更复杂的高性能元件。
另外，很多尝试想要优化这些双凹口元件的换热性能的平衡，例如来自US6179276的图10所示的元件断面所代表的这些双口元件的换热性能平衡。注意该专利涉及应用布置为Z字形的横向波纹。
图16示出根据US2596642的一叠热表面元件，其中多个脊定位为与人字形结构热表面元件中的顶点相对。但是，这导致产生不希望的旋涡，而且，由于需要脊的准确定位而难于制造。
发明内容
因此本发明的目的是最小化或至少减少经过气体的网络斜流(net skewflow)。
根据本发明，提供一种具有第一和第二相邻区域的热表面元件，所述区域沿各自侧在第一方向上延伸，使得所述第一和第二区域之间的边界在第一方向上，每个区域具有横向并排布置的多个波纹，每个波纹具有纵向延伸，所述第一区域中的波纹的纵向延伸设置为相对于所述第一方向在0°至90°之间，所述第二区域中的波纹的纵向延伸设置为相对于所述第一方向在0°至-90°之间。
因此，斜流不总在一个方向流动，网络斜流会减少。主流一般是第一方向，设置波纹方向使得第一和第二区域中的波纹的效果相等而相反。
在两个区域之间可以有没有波纹的空间。但是，两个区域优选地直接接壤以确保斜流在最大可能面积上。如果两个区域互相接壤，优选地，所述第一区域中波纹的峰的最高处大致与所述第二区域中波纹的峰的最高处相遇。
上述发明只包括第一和第二区域。但是，也可有多个第一区域和/或多个第二区域，每个第一区域与每个第二区域交替。这防止斜流增长得太强。如果第一和第二区域直接互相接壤，斜流会在朝相对边界区域偏转回来之前导向边界区域。于是空气沿热表面元件以Z字形流动，从而增加经过热表面元件所花的时间并提高换热性质。第一和第二区域中纵向波纹相对于第一方向的角度优选为相等并相反。该角度优选为在10°至40°(以及-10°至-40°)之间，更优选地，25°至35°(-25°至-35°)。
一叠热表面元件，例如一堆热表面元件(a stack of heating surfaceelements)，可包括根据本发明的热表面元件。该热表面元件堆可附加地包括在第一方向上延伸的凹口热表面。该凹口可为单个的大波纹形式，或者只是从热表面元件的简单的突起，起到保持热表面元件分隔的作用。凹口热表面元件优选地布置为使得每个所述区域与不多于一个凹口直接相对。这避免凹口过于扰乱空气流。
包括这种波纹热表面元件的旋转空气换热器使空气斜流最小化。
根据本发明的一个实施例，提供一种具有主方向的热表面元件堆，所述堆包括具有人字形结构的第一热表面，所述人字形结构具有多个区域，所述多个区域的布置使得区域的边界沿着所述主方向，所述多个区域包括具有横向并排布置的多个波纹的第一区域，所述第一区域中的所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向所成的角大于0°并小于90°，所述多个区域进一步包括与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域具有横向并排布置的多个波纹，所述第二区域中的所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向所成的角小于0°并大于-90°，所述堆进一步包括第二热表面元件，所述第二热表面元件包括沿所述主方向延伸的凹口。
所述凹口的布置使得它不与所述第一和第二区域之间的边界直接相对，使得气体可沿人字形结构流动并减少涡流效应。
优选地，具有多个第一区域和多个第二区域，每个第一区域具有横向并排布置的多个波纹，所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向在+10°与+80°之间，第二区域具有横向并排布置的多个波纹，所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向在-10°与-80°之间。每个第二区域与至少一个第一区域相邻，优选地第一和第二区域交替而生成整个人字形结构。
优选地具有沿所述主方向延伸的多个凹口，所述凹口的至少一个设置为使得它不与在同它相对的热表面元件上的第一区域和第二区域之间的边界直接相对。优选地，多于一个凹口不与在直接相对的热表面元件上的第一区域和第二区域之间的边界直接相对。理想地，没有凹口与在直接同沿着人字形结构的气体流相对的热表面元件上的第一区域和第二区域之间的边界直接相对。为实现这样的目的，第二热表面元件可制造为使得凹口以具有规律性周期的相等间距布置，人字形结构也具有规律性周期。为确保至少部分凹口不与第一和第二区域之间的边界相对，纵向凹口之间的周期或距离略大于第一和第二区域之间的边界之间的周期或距离。
根据本发明的一堆或一叠热表面元件优选地包括交替布置的多个第一和第二热表面元件。使得第一热表面元件直接与第二热表面元件相对，第二热表面元件直接与第一热表面元件相对。
第一热表面元件的第一和第二区域相互直接接壤，优选地，使得第一区域中波纹的每个峰的最高处大致与第二区域中波纹的峰的最高处相遇。
相对于主方向，波纹的角度第一区域中是在+15°至+35°之间，而在第二区域中是在-15°至-35°之间。
第二热表面元件还可包括横向并排布置的多个波纹，所述波纹的纵向延伸相对于主方向在+10°与+80°之间，或者相对于主方向在-10°与-80°之间。这还有助于引导气体，使得可实现高效的热传递。
附图说明
本发明将参照以下非限制性的附图进行描述：
图1示出根据现有技术的波纹热表面元件；
图2示出根据现有技术的一叠波纹热表面元件；
图3示出根据现有技术的波纹热表面元件；
图4示出根据现有技术的波纹热表面元件；
图5是根据现有技术的褶皱波纹型(corrugated undulated type)的一叠波纹热表面元件的剖面；
图6是图5所示一叠热表面元件的另一视图；
图7示出US6019160中公开的一叠热表面元件；
图8示出根据现有技术的一叠波纹热表面元件；
图9示出US5836379中公开的一叠热表面元件；
图10示出US6179276中公开的一叠热表面元件；
图11示出根据本发明的热表面元件；
图12示出根据本发明的一个实施例的一叠热表面元件；
图13示出根据本发明的示意性的热表面元件；
图14示出根据本发明的沿热表面元件的流模式；
图15示出根据本发明的沿热表面元件的流模式；以及
图16示出根据现有技术的一叠波纹热表面元件。
具体实施方式
在已描述了现有技术的情况下，本发明的目标在图11至14中示出。比起如图7、9、10中所示的更复杂的双槽断面，本发明更接近于图1-6所示“双波纹”和“褶皱波纹”元件断面。另外，本发明提供一种方法，通过简单修改成对元件中仅一个片—波纹片的几何结构而显著减少这些断面的流消散特性和斜流特性。
图11是本发明提出的修改的波纹片的部分视图，而图12是该片结合标准双波纹元件中采用的凹口波纹板(notched undulated plate)的部分视图。如从图11中所见，波纹片包括在第一方向上的第一区域波纹以及在第二方向上的第二区域波纹，第一区域中的波纹的峰与第二区域中波纹的峰在边界上相遇。如在图12中所见，第二板中的凹口不与第一片的第一和第二区域的边界直接相对。图13示出图12中所示两个片的布置的更大视图，其中凹口由点划线6表示，人字形波纹5在下面示出。可见，多数凹口不是叠加在人字形结构的顶点上。在本实施例中，这通过凹口之间具有比波纹周期稍大的周期而实现。但是，这也可由任何其它不同方法实现。
从图14和15可看到布置凹口使得它们不与不同方向波纹之间的边界直接相对的效应。气体沿人字形结构流动，当气流到达人字形结构的顶点时，与在相反方向上流动的气体相遇，因而被引导回穿过人字形结构，如图14具体所示。可见，气体流经过凹口的下方使得该槽不对流模式和气体产生严重的影响，气体流不被凹口划分。这导致出口处平静的流。相反，如果齿形布置为与人字形结构的顶点相对，凹口与人字形结构的顶点的综合效应会帮助在具有相反方向的波纹相邻部分之间产生旋涡。
本发明不局限于结合图12所示的凹口波纹板应用图11所示波纹片，而是可与其它波状形式的片，如图5和6所示的那些结合使用。但是重要地，至少一个，优选为更多凹口不应与不同方向的波纹之间的边界直接相对。
图13示出在全元件片的更大区域上这种Z字形波纹的典型布置的典型的更宽视图。注意该片中的Z字形波纹5在片上取向为横向。另外，这些波纹的角度(A)相对于流方向通常在15°至35°的范围中。
还注意在图13上，成对的相邻片中相对凹口的典型位置在垂直的点划线6中示出。另外，仔细检查该图会发现，Z字形结构的尺寸和角度被选为保证在一个方向上流动的每个波纹在波纹改变方向前不会穿过多于一个相对的凹口。尽管这是一种最佳安排，但这不是本发明的实质部分，Z字形也可尺寸较大而穿过相邻片上的两个或更多凹口或波形。
图14和15示出会在元件叠中出现的简化2维内流模式。该图清楚地示出波纹片中横向Z字形的目的。注意，在元件叠的入口上，根据波纹的局部方向，流入烟气或空气会倾向于被波纹中V的点在穿过板的一个或其它方向上偏转。因而不会有在斜流经过元件时会成长的一个连续的方向。
另外，从所示流模式中可见，相邻的轻微斜流会倾向于在流接近V的谷时汇合。但是，这种汇合的倾向会受流动力的相反分量的阻碍，使得局部流方向倾向于拉直或者甚至反转，如元件的下部所示。穿过板的横向Z字形的网络效应会消除否则会在普通波纹片出现的斜流，从而在元件叠的出口产生平稳的流。
由此，斜流效应以及流的横向消散限制的消除有助于克服之前描述中提到的斜流的所有四个潜在的问题。

Claims (10)

1.一种具有主方向的热表面元件堆，所述堆包括具有人字形结构的第一热表面元件，所述人字形结构具有多个区域，所述多个区域的布置使得区域的边界沿着所述主方向，所述多个区域包括具有横向并排布置的多个波纹的第一区域，所述第一区域中的所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向所成的角大于0°并小于90°，所述多个区域进一步包括与所述第一区域相邻的第二区域，所述第二区域具有横向并排布置的多个波纹，所述第二区域中的所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向所成的角小于0°并大于-90°，所述堆进一步包括第二热表面元件，所述第二热表面元件包括沿所述主方向延伸的凹口，所述凹口的布置使得它不与所述第一和第二区域之间的边界直接相对。
2.根据权利要求1所述的热表面元件堆，其中所述第一热表面元件包括多个第一区域，每个第一区域具有横向并排布置的多个波纹，所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向在+10°与+80°之间，所述第一热表面元件进一步包括多个第二区域，每个第二区域具有横向并排布置的多个波纹，所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向在-10°与-80°之间，每个所述第二区域与至少一个第一区域沿着沿所述主方向布置的边界相邻。
3.根据权利要求1或2所述的热表面元件堆，其中所述第二热表面元件包括沿所述主方向延伸的多个凹口，所述多个凹口的至少一部分布置为使得它们不与所述第一热表面元件上的第一区域和第二区域之间的边界直接相对。
4.根据权利要求1或2所述的热表面元件堆，其中所述堆包括多个第一热表面元件和多个第二热表面元件，每个第一热表面元件与至少一个所述第二热表面元件相邻。
5.根据权利要求1或2所述的热表面元件堆，其中所述第一区域与所述第二区域直接接壤。
6.根据权利要求5所述的热表面元件堆，其中，在所述第一和第二区域之间的边界上，所述第一区域中波纹的每个峰的最高处大致与所述第二区域中波纹的峰的最高处相遇。
7.根据权利要求1或2所述的热表面元件堆，其中所述第一区域中波纹的纵向延伸相对所述主方向在+15°至+35°之间的角度，而在所述第二区域中波纹的纵向延伸相对于所述主方向为-15°至-35°之间的角度。
8.根据权利要求1或2所述的热表面元件堆，其中所述第二热表面元件包括横向并排布置的多个波纹，所述波纹的纵向延伸相对于所述主方向所成角度为大于0°并小于90°，或者小于0°并大于-90°。
9.根据权利要求1或2所述的热表面元件堆，其中在第二热表面元件中的凹口之间的距离大于第一热表面元件中第一和第二区域之间的边界之间的距离。
10.一种旋转空气加热器，包括一种根据前述权利要求中任意一项所述的热表面元件堆。
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