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TWI502160B - 熱元件起伏型樣 - Google Patents

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TWI502160B
TWI502160B TW101119610A TW101119610A TWI502160B TW I502160 B TWI502160 B TW I502160B TW 101119610 A TW101119610 A TW 101119610A TW 101119610 A TW101119610 A TW 101119610A TW I502160 B TWI502160 B TW I502160B
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sheet
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Scott R Duffney
Dennis R Grantier
Jeffery E Yowell
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Alstom Technology Ltd
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Description

熱元件起伏型樣
本文中所闡述之裝置係關於存在於旋轉再生式換熱器中之類型之熱元件或熱轉移片。
再生式空氣預熱器用於大型化石燃料鍋爐上以預熱來自退出的熱排放氣體之傳入燃燒空氣。此等預熱器使能量再循環且節約燃料。回收原本將丟失至大氣中之有用熱能量係獲得顯著成本節省、節約化石燃料且減少排出物之一有效方式。
一種類型之再生式換熱器，即一旋轉再生式換熱器通常用於化石燃料鍋爐及蒸汽產生器中。旋轉再生式換熱器具有安裝於一殼體中之一轉子，該殼體界定用於經加熱煙道氣穿過換熱器之流動之一煙道氣進口管道及一煙道氣出口管道。該殼體進一步界定用於接收經回收熱能量之氣體流之流動之另一組進口管道與出口管道。該轉子具有界定用於支撐筐籃或框架以固持通常係熱轉移片之熱元件之分隔物之間的隔間之徑向分隔物或隔板。參考圖1，大體由參考編號10標示之一旋轉再生式換熱器具有安裝於一殼體14中之一轉子12。
熱轉移片堆疊於筐籃或框架中。通常，複數個片堆疊於每一筐籃或框架中。該等片以間隔開之關係緊密地堆疊於筐籃或框架中以界定用於氣體之流動之片之間的通路。熱轉移元件片之實例提供於美國專利第2,596,642號、第 2,940,736號、第4,363,222號、第4,396,058號、第4,744,410號、第4,553,458號、第6,019,160號及第5,836,379號中。
在2009年5月8日提出申請，於2010年11月11日公開且標題為「Heat Transfer Sheet For Rotary Regenerative Heat Exchanger」之申請中美國專利申請案(W05/006-0)12/437,914闡述換熱片之不同設計，該申請案就像其全部內容論述於本文中那樣特此以引用方式併入。
將熱氣體引導穿過旋轉式換熱器以將熱轉移至片。當轉子旋轉時，回收氣體流(空氣側流)被引導於經加熱片上方，藉此致使加熱進氣。在諸多例項中，將進氣提供至鍋爐以用於化石燃料之燃燒。下文中，回收氣體流應稱作燃燒空氣或輸入空氣。在其他形式之旋轉再生式換熱器中，片係靜止的且使煙道氣及回收氣體管道旋轉。
熱轉移片之當前設計僅回收排放煙道氣中之熱之一部分，其中未被回收之熱作為廢能量傳遞出堆疊。此等熱轉移片越高效地操作，浪費之熱越少。
當前，存在對更高效換熱片設計之一需要。
本發明可體現為一種用於一旋轉再生式換熱器之熱轉移片，該熱轉移片接收熱煙道氣流及一空氣流且將熱自該熱煙道氣流轉移至該空氣流，該熱轉移片具有：複數個片間隔特徵，其沿著該熱轉移片實質上平行於該熱煙道氣流之一方向延伸，該等片間隔特徵界定一毗鄰熱 轉移片之間的一流動通道之一部分；及複數個起伏表面，其安置於每一對毗鄰片間隔特徵之間，該複數個起伏表面包括：一第一起伏表面，其由相對於該等片間隔特徵以一第一角度A1沿著該熱轉移片彼此平行地延伸之複數個伸長隆脊形成，及一第二起伏表面，其由相對於該等片間隔特徵以一第二角度A2沿著該熱轉移片彼此平行地延伸之複數個伸長隆脊形成，該第一角度A1不同於該第二角度A2。
本發明亦可體現為一種熱轉移片，該熱轉移片包含：複數個隆脊及凹谷，其成形為至少一部分正弦型樣，自一第一端延伸至一第二端，經定向以便在一第一方向與一第二方向之間以一交替方式至少部分地重新引導自該第一端傳遞至該第二端之一流體。
本發明亦可體現為一種用於一旋轉再生式換熱器之筐籃，該筐籃具有：一框架；及至少一個熱轉移片，其具有：複數個隆脊及凹穀，其具有至少一部分正弦型樣，自一第一端延伸至一第二端，經定向以便自一側至另一側以一交替方式至少部分地重新引導自該第一端傳遞至該第二端之一流體。
在作為本說明書之總結之申請專利範圍中特別指出並清 晰主張對較佳實施例之說明中所闡述之標的物。結合隨附圖式自以下詳細說明將明瞭前述及其他特徵及優點。
熱轉移表面(另外稱作「熱轉移片」)係空氣預熱器中之一關鍵組件。一旋轉再生式換熱器(諸如一Ljungstrom®空氣預熱器)之熱轉移表面由薄輪廓鋼片組成，其裝填於框架筐籃中或組裝成捆，且安裝於空氣預熱器轉子中。在轉子之每一旋轉期間，熱轉移片交替地經過熱氣體流，其在此處吸收能量，且然後經過燃燒空氣，其在此處將所吸收之能量轉移至該燃燒空氣，從而將其預熱。
殼體14界定用於容納穿過換熱器10之一經加熱煙道氣流36之流動之一煙道氣進口管道20及一煙道氣出口管道22。殼體14進一步界定一空氣進口管道24及一空氣出口管道26以容納穿過換熱器10之燃燒空氣38之流動。轉子12具有之間界定隔間17以用於支撐熱轉移片50之筐籃(框架)40之徑向分隔物16或隔板。換熱器10由扇區板28劃分成一空氣扇區及一煙道氣扇區，扇區板28毗鄰轉子12之上部及下部面而跨越殼體14延伸。雖然圖1繪示一單個空氣流38，但可容納多個空氣流，諸如三扇區及四扇區組態。此等扇區提供可經引導以用於不同用途之多個經預熱空氣流。
如圖2中所展示，一片筐籃40之一項實例包括將熱片50堆疊於其中之一框架41。雖然僅展示有限數目個熱片50，但應瞭解，筐籃40將通常填充有熱片50。亦如在圖2中所見，熱片50以間隔開之關係緊密堆疊於筐籃40中以形成毗鄰熱片50之間的通路44。在操作期間，空氣或煙道氣流動 穿過此等通路44。
參考圖1及圖2兩者，經加熱煙道氣流36被引導穿過換熱器10之氣體扇區且將熱轉移至熱轉移片50。然後使熱片50繞軸18旋轉至換熱器10之空氣扇區，其中燃燒空氣38被引導於熱片50上方且藉此被加熱。
參考圖3及圖4，以一堆疊關係展示習用熱片50。通常，熱片50係已經成形以包括由起伏隆脊55及凹穀57部分地界定之一或多個間隔肋59及起伏部51之金屬平面部件。
熱轉移片50之輪廓對於空氣預熱器及鍋爐系統之效能係關鍵的。熱轉移片50輪廓之幾何設計聚焦於三個關鍵要素：第一，熱轉移，其與熱能量回收直接相關；第二，壓降，其影響鍋爐系統機械效率；及第三，可清潔度，其允許預熱器以其最佳熱及機械效能操作。最佳地發揮作用之熱轉移片提供高熱轉移速率、低壓降，且易於清潔。
間隔肋59以大體相等間隔開之間隔定位且當毗鄰熱片50彼此毗鄰地堆疊且協作以形成圖2及圖3之通路44時操作以維持毗鄰熱片50之間的間距。此等通路容納熱片50之間的空氣或煙道氣之流動。
如圖4中所展示，當間隔肋59通過轉子(圖1之12)時，其平行於空氣流動之方向(例如，0度)自熱轉移片50之一第一端52延伸至一第二端53。
先前技術中之起伏隆脊55以相對於肋59之相同角度A0且因此以相對於由標記為「空氣流動」之箭頭指示之空氣的流動之相同角度配置。(由於煙道氣沿與空氣流動相反之 方向流動，因此煙道氣流動之角度將相差180度。)起伏隆脊55起作用以沿平行於隆脊55及凹穀57之一方向引導表面附近之空氣，從而最初導致紊流。在一距離之後，空氣流動開始調節並類似層流。
層流意指空氣之層分層且彼此平行地延展。此指示表面附近之空氣在沿著一熱轉移片行進時將繼續在表面附近。一旦表面附近之空氣達到表面之溫度，則其之間存在極少熱轉移。其他層之任何熱轉移現在必須通過表面附近之層，此乃因其不與熱轉移片50直接接觸。熱自空氣之層狀層至空氣之一毗鄰層之轉移不如自空氣至金屬表面之熱轉移高效。
如圖5至圖7中所展示，起伏表面71具有平行起伏隆脊75且凹穀77相對於間隔肋59成一銳角(第一角度A1)。起伏表面81亦具有平行隆脊85且凹穀87相對於間隔肋59成一鈍角(第二角度A2)。重複之型樣識別為「R」。在此實施例中，當空氣沿著表面傳遞時，其沿著熱轉移片70交替地沿相反方向引導。
據信，毗鄰板之隆脊75、85之間的通路79首先向右恆定地重新引導流動之空氣，然後向左，然後重新向右，等等。據信此恆定重新引導打破層流且導致比圖4中所展示之實施例更多之紊流。因此，空氣之不同層現在將與片70之金屬表面直接接觸。據信此增加熱轉移。
各圖中所展示之角度僅用於說明性目的。應理解，本發明涵蓋各種各樣之角度。
即使此處僅展示兩個起伏表面，但應理解，亦可添加具有不同角度之若干個起伏表面且此歸屬於本發明之範疇內。
圖6及圖7中存在其處的通路係筆直之區段。可藉由提供不具有筆直區段且展現恆定重新引導之一設計來進一步增加熱轉移以增加效率。
圖8及圖9展示根據本發明具有一第一端52及一第二端53及自第一端52延伸至第二端53之一縱向軸60之一熱轉移片90之另一實施例。熱轉移片90具有至少一個起伏表面91。起伏表面91具有複數個隆脊95及凹穀97。當自上方觀看時，隆脊95及凹穀97具有自一第一側51延伸至一第二側之一正弦形狀或型樣94。某些正弦型樣94競爭一或多個週期T。間隔肋59之相對側上之正弦型樣94係180度非同相。亦可使用其他相位及週期且其在本發明之範疇內。
當熱轉移片90彼此抵靠地置於筐籃中時，此等隆脊95及凹谷97形成正弦通路99。當空氣通過正弦通路99時對空氣之恆定重新引導減小層流，藉此增加紊流且增加熱轉移效率。
在某些位置中，僅形成部分正弦形狀98。正弦型樣94不限於針對所有型樣94具有一恆定週期T及具有相對於下一區段係180度非同相之每一區段。正弦型樣之偏移(相位角度)亦可彼此不同。
雖然已參考例示性實施例闡述了本發明，但熟習此項技術者應瞭解，可對該等實施例作各種改變且可用其等效物 替代其熱轉移片而不背離本發明之範疇。另外，熟習此項技術者將瞭解為適應一特定工具、情形或材料而對本發明之教示所作的諸多修改而不背離本發明之實質範疇。因此，本文並非意欲將本發明限於所揭示的作為實施本發明最佳所涵蓋模式之特定實施例，而是意欲使本發明包括歸屬於隨附申請專利範圍之範疇內之所有實施例。
10‧‧‧旋轉再生式換熱器/換熱器
12‧‧‧轉子
14‧‧‧殼體
16‧‧‧徑向分隔物
17‧‧‧隔間
18‧‧‧軸
20‧‧‧煙道氣進口管道
22‧‧‧煙道氣出口管道
24‧‧‧空氣進口管道
26‧‧‧空氣出口管道
28‧‧‧扇區板
36‧‧‧經加熱煙道氣流
38‧‧‧燃燒空氣/單個空氣流
40‧‧‧筐籃(框架)/片筐籃/筐籃
44‧‧‧通路
50‧‧‧熱片/熱轉移片
51‧‧‧起伏部/第一側
52‧‧‧第一端
53‧‧‧第二端
55‧‧‧起伏隆脊/隆脊
57‧‧‧凹穀
59‧‧‧間隔肋/肋
60‧‧‧縱向軸
70‧‧‧熱轉移片/片
71‧‧‧第一起伏表面/起伏表面
75‧‧‧平行隆脊/隆脊/平行起伏隆脊
77‧‧‧凹穀
79‧‧‧通路
81‧‧‧第二起伏表面/起伏表面
85‧‧‧平行隆脊/隆脊
87‧‧‧凹穀
91‧‧‧起伏表面
94‧‧‧正弦形狀或型樣/正弦型樣/型樣
95‧‧‧彎曲隆脊/隆脊
97‧‧‧凹穀
98‧‧‧部分正弦形狀
99‧‧‧通路/正弦通路
A0‧‧‧角度
A1‧‧‧第一角度
A2‧‧‧第二角度
R‧‧‧重複之型樣
圖1係一先前技術旋轉再生式換熱器之一部分剖視透視圖。
圖2係包括三個先前技術熱轉移片之一筐籃之一俯視平面圖。
圖3係以一堆疊組態展示之三個先前技術熱轉移片之一部分之一透視圖。
圖4係一先前技術熱轉移片之一平面圖。
圖5係根據本發明之一項實施例之一熱轉移片之部分之一透視圖。
圖6係圖5中所展示之熱轉移片之部分之一剖面圖。
圖7係具有圖5之型樣之一完整熱轉移片之一平面圖。
圖8係根據本發明展示一正弦隆脊型樣之一熱轉移片之另一實施例之一平面圖。
圖9係圖8之熱轉移片之一剖面圖。
59‧‧‧間隔肋/肋
70‧‧‧熱轉移片/片
71‧‧‧第一起伏表面/起伏表面
75‧‧‧平行隆脊/隆脊/平行起伏隆脊
77‧‧‧凹穀
79‧‧‧通路
81‧‧‧第二起伏表面/起伏表面
85‧‧‧平行隆脊/隆脊
87‧‧‧凹穀
A1‧‧‧第一角度
A2‧‧‧第二角度
R‧‧‧重複之型樣

Claims (15)

  1. 一種用於一旋轉再生式換熱器之熱轉移片，該熱轉移片接收熱煙道氣流及一空氣流且將熱自該熱煙道氣流轉移至該空氣流，該熱轉移片包含：複數個片間隔特徵，其沿著該熱片實質上平行於該熱煙道氣流之一方向延伸，該等片間隔特徵界定一毗鄰熱片之間的一流動通道之一部分，及複數個起伏表面，其安置於每一對毗鄰片間隔特徵之間，該複數個起伏表面包括：一第一起伏表面，其由相對於該等片間隔特徵以一第一角度A1沿著該熱轉移片彼此平行地延伸之複數個伸長隆脊形成，及一第二起伏表面，其由相對於該等片間隔特徵以一第二角度A2沿著該熱轉移片彼此平行地延伸之複數個伸長隆脊形成，該第一角度A1不同於該第二角度A2，該第一及第二起伏表面係彼此交替地跨越該熱轉移片之全長而安置。
  2. 如請求項1之熱轉移片，其中第一起伏表面連接至該第二起伏表面，且由該等起伏表面形成之該等流動通道係流體連續的。
  3. 如請求項1之熱轉移片，其中該第一角度A1係一銳角且該第二角度A2係一鈍角。
  4. 一種熱轉移片，其包含：複數個隆脊及凹谷，其成形為至少一部分正弦型樣， 自一第一端延伸至一第二端，經定向以便在一第一方向與一第二方向之間以一交替方式至少部分地重新引導自該第一端傳遞至該第二端之一流體；及複數個片間隔特徵，其沿著該熱轉移片延伸使得該等複數個隆脊及凹谷被組態於一對片間隔特徵之間，且該等複數個隆脊及凹谷彼此平行並相對於該等片間隔特徵以一連續變動之角度定向。
  5. 如請求項4之熱轉移片，其中該正弦型樣由數個週期T構成。
  6. 如請求項4之熱轉移片，其中隆脊之至少一部分之軌跡小於一全正弦週期T。
  7. 如請求項4之熱轉移片，其中存在相對於彼此係非同相之至少兩個正弦型樣。
  8. 如請求項7之熱轉移片，其中該至少兩個正弦型樣係非同相之一全週期T。
  9. 如請求項7之熱轉移片，其中至少一個正弦型樣具有不同於至少一個其他正弦型樣之週期T之一週期T。
  10. 如請求項4之熱轉移片，其中當起伏表面抵靠另一熱轉移片之另一起伏表面放置時，通路在該等起伏表面之該等隆脊下方形成。
  11. 一種用於一旋轉再生式換熱器之筐籃，該筐籃包含：一框架；及至少一個熱轉移片，其包含：複數個隆脊及凹穀，其具有至少一部分正弦型樣， 自一第一端延伸至一第二端，經定向以便自一側至另一側以一交替方式至少部分地重新引導自該第一端傳遞至該第二端之一流體，及複數個片間隔特徵，其沿著該熱轉移片延伸使得該等複數個隆脊及凹谷被組態於一對片間隔特徵之間，且該等複數個隆脊及凹谷彼此平行並相對於該等片間隔特徵以一連續變動之角度定向。
  12. 如請求項11之筐籃，其中該熱轉移片之正弦型樣包含數個週期T。
  13. 如請求項11之筐籃，其中該熱轉移片之正弦型樣包含小於一全正弦週期T。
  14. 如請求項11之筐籃，其中該熱轉移片具有相對於彼此係非同相之數個正弦型樣。
  15. 如請求項11之筐籃，其中該熱轉移片具有具有一不同正弦週期T之至少兩個正弦型樣。
TW101119610A 2011-06-01 2012-05-31 熱元件起伏型樣 TWI502160B (zh)

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