阅读说明：本技术 用于旋转热交换器的传热元件 (Heat transfer element for a rotary heat exchanger ) 是由 M·里德 D·霍格 于 2018-06-18 设计创作，主要内容包括：一种用于利用废热对空气进行预热的旋转热交换器,其包括多个传热元件,所述多个传热元件可在壳体中的第一开口与第二开口之间移动,以在加热的废气与新鲜空气流之间交换热量。至少一个传热元件包括第一板,该第一板具有在其中以隔开的间隔相对于流动方向以第一角度定向的多个细长凹口。所述板还包括多个细长起伏部,所述多个细长起伏部在所述板中以隔开的间隔形成并且相对于流动方向定向成第二角度定向,其中,第一角度不同于第二角度。所述多个细长凹口中的每个的第一高度大于所述多个细长起伏部中的每个的第二高度。传热元件可以堆叠在容器中以安装在旋转热交换器中。(A rotary heat exchanger for preheating air using waste heat includes a plurality of heat transfer elements movable between first and second openings in a housing to exchange heat between heated exhaust gas and a fresh air stream. The at least one heat transfer element includes a first plate having a plurality of elongated notches therein oriented at spaced intervals at a first angle relative to the flow direction. The plate also includes a plurality of elongated undulations formed in the plate at spaced intervals and oriented at a second angle relative to the flow direction, wherein the first angle is different than the second angle. The first height of each of the plurality of elongated recesses is greater than the second height of each of the plurality of elongated undulations. The heat transfer elements may be stacked in a container for installation in a rotary heat exchanger.)

用于旋转热交换器的传热元件

相关申请的交叉引用

本国际申请要求2017年6月29日提交的美国非临时专利申请No.15/636,673和2017年9月13日提交的美国非临时专利申请No.15/703,092的优先权，两者的全部内容通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明的实施例涉及用于旋转热交换器的传热元件。

背景技术

传统的燃煤发电厂使用蒸汽驱动的涡轮机发电。煤在锅炉中燃烧以加热水产生蒸汽。多年来，虽然燃煤发电厂的效率有所提高，但燃煤过程会产生大量颗粒物，这些颗粒物会导致部件结垢和后端腐蚀，例如旋转式空气预热器和旋转式燃气/燃气加热器中的传热元件的冷端层结垢和腐蚀，从而导致维护成本高昂。迄今为止，对这种热交换器的研究主要集中在开发与燃煤锅炉兼容的传热元件轮廓上，尤其是减轻与冷端结垢有关的问题。

就热效率和减少排放而言，天然气是有吸引力的煤替代物，但是直到最近，天然气仍然昂贵并且不如煤容易获得。水力压裂的最新发展增加了天然气的利用率并降低了天然气成本。结果，许多燃煤锅炉现在被转换为烧天然气。然而，最初为燃煤锅炉设计的诸如旋转热交换器之类的部件没有充分利用与天然气或“压裂”气体相关的更清洁、气流排放更少、以及热势更高的优点。因此，需要对用于清洁燃料应用的旋转热交换器和其使用的传热元件进行改进。

发明内容

本发明的一方面包括一种用于具有壳体的旋转热交换器的传热元件容器，该壳体具有与第一气流流体连通的第一开口和与第二气流流体连通的第二开口，所述第一和第二气流具有流动方向。传热元件容器包括在其间限定空间的一对支撑构件以及堆叠在该对支撑构件之间的空间中的多个传热元件。多个传热元件中的至少一个包括第一板，该第一板具有多个细长凹口，所述多个细长凹口以隔开的间隔形成在所述第一板中并相对于流动方向以第一角度取向。所述板还包括多个细长起伏部，所述细长起伏部在所述凹口之间形成在所述板中并且相对于所述流动方向以第二角度取向，其中所述第一角度不同于所述第二角度。多个细长凹口中的每个的第一高度大于多个细长起伏部中的每个的第二高度。

本发明的实施例可以包括与上述基本相同并且以交替方式堆叠在支撑构件之间的多个传热元件，其中，相邻的传热元件相对于彼此具有相反的取向以维持元件之间的期望间隔并引起湍流，从而增加气流与元件之间的热交换。例如，传热元件容器可包括第二传热元件，该第二传热元件包括第二板，所述第二板与第一板平行且相邻，并且具有以隔开的间隔形成在所述第二板中的多个细长凹口以及在所述第二板中形成在多个细长凹口之间的多个细长起伏部。第二板中的多个细长凹口可相对于第一板中的多个细长凹***叉取向以限定板之间的间隔，并且第二板中的多个起伏部可相对于第一板中的多个起伏部交叉取向以在气流中引起湍流，从而改善传热。

本发明的另一方面包括一种用于具有流动方向的旋转热交换器的传热元件。在一实施例中，传热元件包括板，该板具有以隔开的间隔形成在所述板中的多个细长凹口。细长凹口均相对于流动方向以第一角度取向并且相对于板的表面具有第一高度。所述板还具有以隔开的间隔形成在其中的多个细长起伏部。细长起伏部均相对于流动方向以第二角度取向并且相对于板的表面具有第二高度。多个细长凹口中的每个的第一高度大于多个细长起伏部中的每个的第二高度，并且第一角度不同于第二角度。

凹口的构造在元件堆叠在传热元件容器中时有助于保持元件与相邻元件之间的期望间隔，并且起伏部的构造有助于引起湍流，从而增加空气或气体与元件之间的热交换。

本发明的传热元件和容器可以使旋转热交换器的烟气出口温度能够明显降低并且可以导致降低的热率，其益处可以抵消因湍流增加而导致压力下降所需的任何微小的风扇功率增加。在排放洁净烟气的发电厂中使用时，结垢应最少，因此不应出现压降漂移的趋势。

附图说明

图1是具有旋转热交换器的发电厂的示意图，该旋转热交换器可以利用根据本发明的示例性实施例的传热元件容器；

图2是一种旋转热交换器的局部剖开的透视图，所述旋转热交换器可以使用根据本发明的示例性实施例的传热元件；

图3是根据本发明的示例性实施例的用于旋转热交换器的传热元件容器的透视图；

图4是根据本发明示例性实施例的传热元件的平面图；

图4A是沿截面4A﹣4A截取的图4的传热元件的剖视图；

图5是根据本发明的示例性实施例的相邻的传热元件的透视图；

图6是根据本发明另一示例性实施例的相邻的传热元件的透视图；

图7是根据本发明又一示例性实施例的传热元件的平面图；

图7A是沿截面7A﹣7A截取的图7的传热元件的剖视图；

图8是根据本发明又一示例性实施例的传热元件的平面图；

图8A是沿着截面8A﹣8A截取的图8的传热元件的剖视图；

图9是根据本发明的另一个示例性实施例的传热元件的透视图；

图10是根据本发明另一示例性实施例的传热元件的透视图。

具体实施方式

通过本发明的某些实施例可以最好地描述本发明的构思，在此参考附图对本发明的实施例进行了详细描述，其中，相同的附图标记始终表示相同的特征。应当理解的是，在本文中使用时术语“发明”旨在表示基于以下描述实施例的发明构思而非仅仅是实施例本身。进一步应理解的是，总体发明构思不限于以下描述的说明性实施例并且依此阅读以下描述。

在图1中示出了一种类型的示例性发电厂10，该发电厂10可以包括具有根据本发明的传热元件的旋转热交换器12。发电厂10包括发电机14，该发电机14与蒸汽涡轮机16联接以发电。涡轮机16由来自锅炉18的蒸汽驱动，该锅炉18通过进气口20接收用于燃烧的空气并且通过排气口22排出燃烧气体。风扇24a和24b可以用于将空气供应到锅炉进气口20并在将燃烧气体被释放到大气中之前通过除尘系统26从废气中提取燃烧气体。旋转再生式热交换器12可以定位在进气口20和排气口22附近，以利用来自从锅炉排出的燃烧气体的热量预热进入锅炉18的空气。旋转再生式热交换器也可用于烟气加热器，以控制发电厂的排放。

现在参考图2，示出了根据本发明的示例性实施例的利用传热元件和容器的旋转热交换器12的局部剖视透视图。旋转热交换器12包括具有第一管道或开口30和第二管道或开口32的壳体28。第一开口30与锅炉进气口20连通，第二开口32与锅炉排气口22连通。容纳有多个传热元件容器36的转子34被安装成在壳体28中旋转，使得转子中的传热元件容器36循环通过开口30和32，从而在与第二开口对准时使容器中的传热元件被废气加热并在与第一开口对准时预热进入的空气。

图3是根据本发明的示例性实施例的用于旋转热交换器的传热元件容器或组36的透视图。传热元件容器36包括以片材或板形式成堆布置在一对支撑构件40之间的多个传热元件38。在示例性实施例中，支撑构件可以是端板。在所示的示例中，片材是在水平间隔开的端板之间竖直取向的矩形片材。这些片材具有相同的高度以及在水平方向上逐渐增加的宽度，以在从上方观察时呈梯形横截面。在该示例中，容器36的梯形形状允许将多个这种类型的容器以圆形或环形图案布置在旋转热交换器的转子内。示例性传热元件容器36还可包括：一个或多个支撑杆42，其在支撑构件40之间在传热元件38上方和下方延伸，以帮助为组件提供结构支撑；和/或一个或多个加强杆44，所述一个或多个加强杆44在一个或多个支撑杆42上横向延伸，以提供附加支撑。一个或多个钢带46可以缠绕在组件周围，以在运输过程中帮助将元件38保持在适当的位置。本文所述的任何传热元件均可用于这种容器中。

图4是根据本发明的示例性实施例的传热元件38的平面图。传热元件38包括由诸如钢之类的导热材料形成的矩形片材或板，该矩形片材或板能够经受被反复加热至高温(当暴露于排气中时)和冷却(当暴露于环境温度的进入空气中时)。相对于流过传热元件容器的空气或气体的方向以第一角度θ₁在片材中形成多个肋或凹口48(例如，通过具有带凹口轮廓的一对辊进给片材原料)。凹口48可以如图所示是平行的，凹口之间具有第一间距P₁。尽管以示例的方式示出了两个凹口48，但是应当理解的是传热元件可以形成有多于两个的凹口。如在图4A中所示的传热元件38的截面图中最清楚看到的那样，每个凹口48均具有带有第一高度H₁的峰部和具有第一深度D₁的谷部，所述峰部和所述谷部被选择为在堆叠元件之间建立所需的间隔。堆叠元件之间的间隔被选择为限定空气和/或废气可以流过的通道。

在凹口48之间的片材中也形成多个起伏部50(例如，通过在形成凹口之前或与此同时通过具有起伏轮廓的一对辊进给片材原料)。起伏部50被构造成在流过限定在相邻的传热元件38之间的通道中的空气和/或气体中引起湍流。起伏部50相对于流过传热元件容器的空气或气体的方向以第二角度θ₂定向。在图4所示的示例性传热元件中，第二角度θ₂被选择为相对于流动方向在与第一角度θ₁相反的方向上(例如，顺时针相对于逆时针)取向，使得起伏部50穿过凹口48。例如，如果从空气/气体流动的方向逆时针测量第一角度，则可以从空气/气体流动的方向顺时针测量第二角度。如图所示，起伏部50可以彼此平行，其第二间距P₂小于第一间距P₁。如在图4A中所示的传热元件38的截面图中最佳看到的那样，起伏部50可以均具有小于第一高度H₁的第二高度H₂和小于第一深度D₁的第二深度D₂。

在示例性实施例中，第一角度θ₁可以介于5°至45°的范围内，并且第二角度θ₂可以介于0°至﹣90°的范围内。在另一个示例中，第一角度θ₁可以是20°，第二角度θ₂可以是﹣30°。在示例性实施例中，第一高度H₁和第一深度D₁可以均为5mm﹣9mm，第二高度H₂和第二深度D₂可以均为3mm，第一间距P₁可以为35mm，第二间距P₂可以为15mm。

图5是根据本发明的示例性实施例堆叠的一对传热元件38和38'的透视图。第一传热元件38以局部剖开视图示出，使得可以看到第二传热元件38'的细节。传热元件38和38'都具有如图4所示的构造。然而，它们相对于气流方向的各自取向相对于彼此相反。即，第一传热元件38具有第一取向，第二传热元件38'具有相对于第一取向旋转180°的第二取向，使得一个传热元件上的斜向间隔开的凹口通过堆与相邻传热元件等上的斜向间隔开的凹***叉。

斜向间隔开的交叉凹口48和48'起到保持相邻的传热元件之间的期望间隙或间隔的功能。凹口的数量、凹口角度和间距有助于获得足够的接触点，以在压缩时实现紧密性和刚性良好的组。凹口48和48'的斜向交叉也有助于避免偏斜流动，从而在元件组的整个横截面流动区域上保持均匀的流动。

各个传热元件38和38'中的凹口之间的倾斜起伏部50和50'用作引起湍流的湍流器。引起湍流的倾斜起伏部50和50'被结合以改善传热，特别是在较低的气体速度和雷诺数的条件下。因此，本文所述类型的高效传热元件适用于压裂燃气燃烧，其中与常规燃煤锅炉相比，烟道气出口温度可明显降低。由较高湍流引起的增加的压降被最小化，并且热效率的益处远远超过可能需要的任何微小的风扇功率增加。清洁的烟道气也不会造成结垢，因此不会出现压降漂移的趋势。尽管出于说明的目的示出了两个传热元件，但是应当理解，堆可以包括多于两个的如图所示的交替取向的传热元件。图5所示的传热元件可以彼此或与本文所述的任何其他传热元件交替堆叠。

图6是根据本发明的另一示例性实施例的一对堆叠的传热元件52和52'的透视图。传热元件52和52'构造相同，但是取向相反。传热元件52和52'中的每一个分别包括分别由多个凹坑54或54'分开的多个倾斜凹口48或48'。倾斜凹口48和48'与上述相同。然而，在凹口48和48′之间形成凹坑54和54′(例如，通过在形成凹口之前或与此同时通过一对带凹坑的辊进给片材原料)而不是起伏部。在一示例性实施例中，凹坑54和54'可以是半球形的，并且可以是凹的或凸的。在示例性实施例中，在每对倾斜凹口之间形成两行或三行凹坑。这些行可以平行于所示的凹口或相对于凹口成一角度定向。相邻行中的凹坑可以彼此对齐或交错排列。在示例性实施例中，凹坑的深度小于凹口的高度/深度，并且相邻凹坑之间的间隔小于凹口之间的间隔。像起伏部一样，凹口之间的凹坑起到引起湍流的湍流器的作用。引起湍流的凹坑改善了传热，从而有利于在压裂气体燃烧和其他应用中使用。再次，尽管出于说明的目的示出了两个传热元件，但是将理解的是，堆可以包括多于两个的如图所示的交替取向的传热元件。图6的传热元件可以与本文描述的任何其他传热元件以交替的方式堆叠。

图7是根据本发明的又一示例性实施例的传热元件56的平面图。图7A是沿截面7A﹣7A截取的图7的传热元件56的截面图。传热元件56包括平行于气流方向定向的一对凹口48和在凹口之间形成的多个凹坑54。凹坑54布置成两列倾斜行，每行包括三个凹坑并且相对于空气和/或气流的方向成一角度定向。在示例性实施例中，凹坑54的行均相对于空气和/或气流的方向以大约45°的角度布置。类似于图6的传热元件，图7的传热元件中的凹坑可以是半球形并且其深度可以小于凹口的高度/深度，并且相邻凹坑之间的间隔小于凹口之间的间隔。凹口之间的凹坑起引起湍流的湍流器的作用。引起湍流的凹坑改善了传热，从而有利于在压裂气体燃烧和其他应用中使用。图7的传热元件可以与图6的传热元件或本文所述的任何其他传热元件交替地堆叠。

图8是根据本发明又一示例性实施例的传热元件58的平面图。图8A是穿过截面8A﹣8A截取的图8的传热元件58的截面图。在该实施例中，在传热元件58中以多列和多行形成多个凹坑54。在示例性实施例中，示出了至少三个由行组成的列，每行包括三个凹坑。但是，这些行可包含比所示更少或更多的凹坑。凹坑的行相对于气流方向成一角度。在示例性实施例中，凹坑的行相对于空气流动方向以大约45°的角度布置。凹坑起引起湍流的湍流器的作用。引起湍流的凹坑改善了传热，从而有利于在压裂气体燃烧和其他应用中使用。图8的传热元件可以与图7的传热元件或本文所述的任何其他传热元件交替地堆叠。

图9是根据本发明的另一示例性实施例的传热元件60的透视图。图9的传热元件60包括菱形的***或脊62的重复图案，这些***或脊用作引起湍流的湍流器。引起湍流的菱形图案62增加了接触点的数量并改善了传热，以利于在压裂气体燃烧和其他应用中使用。可以通过双辊轧片材形成菱形的***或脊62，其中第一辊上的起伏部的角与第二辊上的起伏角相反。例如，第一辊可构造成产生相对于空气/气体流动方向成+30°角的起伏部，第二辊可构造成产生相对于空气/气体流动方向成﹣30°角的起伏部。该过程形成菱形轮廓，并且可以改变起伏部的角度以改变菱形形状。图9的传热元件可以与图7的传热元件以交替的方式堆叠，与具有平行于空气/气体流动方向的起伏或波纹状轮廓的传热元件堆叠，或与本文所述的其他传热元件堆叠。

图10是根据本发明的另一示例性实施例的传热元件64的透视图。图10的传热元件64包括用作引起湍流的湍流器的***或脊66的复杂图案。图10的引起湍流的图案增加了接触点的数量并改善了传热，以利于在压裂气体燃烧和其他应用中使用。图10所示的图案可通过以下方式形成：将片材穿过起伏辊以产生相对于空气/气体流动方向成一角度定向的起伏部，随后通过产生与空气/气体流动方向平行取向的波纹部的波纹辊。该过程在波纹部的侧面上形成***66，以引起湍流并改善传热。图10的传热元件可以与具有成角度的起伏部(例如，以与图10的传热元件中的起伏部相反的角度取向)的传热元件、图9的传热元件或者在此描述的任意一个其它传热元件以交替的方式堆叠。

应当理解，附图中示出的上述实施例仅代表实现本发明实施例的许多方式中的几种。例如，在图4所示的实施例中，取决于特定的应用或客户规范，可以改变相对于凹口角度的起伏部的角度和相对于凹口高度的起伏部的高度，以优化传热/压降性能。而且，虽然已将凹坑描述为半球形，但应理解，它们可以包括较小的球形部分(例如，凹坑的高度或深度可以小于半径)或具有其他构造，例如金字塔形状。此外，虽然已经示出了具有梯形横截面的传热元件容器，但是应当理解，容器可以被构造成具有矩形横截面、弯曲横截面或适合于安装在旋转热交换器中的任何其他形状。