专利名称：用于旋转式再生换热器的传热片的制作方法
技术领域：
本文所述装置涉及旋转式再生换热器中所用类型的传热片。
背景技术：
旋转式再生换热器通常用于从熔炉、蒸汽发生器或废气处理设备中排出的废气中回收热量。传统的旋转式再生换热器具有安装在外壳内的转子，所述转子外壳形成界定供被加热废气流动通过换热器的废气进口管和废气出口管。所述外壳还形成界定另外一套用于接受被回收能量的气流流动的进口管和出口管。所述转子具有形成界定隔间的径向分隔部或隔膜，用于支撑框架或支架以保持传热片。所述传热片叠置在框架或支架中。典型地，每个框架或支架中叠置有多个片。所述片以间隔的关系紧密地叠置在框架或支架中以形成片之间用于气体流动的通道。美国专利 2，596，642 ；2，940，736 ；4，363，222 ；4，396，058 ；4，744，410 ；4，553，458 ；6，019，160 ；及 5，836，379中提供了传热元件片的例子。热的气体被引导通过换热器以将热量传至传热片。当转子旋转时，回收气流(空气侧流动)被引导流过被加热的片上方，由此使回收气体被加热。在很多情形下，回收气流由被加热并供至熔炉或蒸汽发生器的助燃空气组成。下文中回收气流将被称为助燃空气或空气。在其他形式的旋转式再生换热器中，传热片是静止的，而废气及回收气体管是旋转的。
发明内容
本发明一方面描述了用于旋转式再生换热器中的传热片。气流从一前边缘至一尾边缘经过传热片。所述传热片部分地由多个片间隔特征部形成界定，如大致地沿平行于诸如空气或废气的传热流体的如空气或废气的流动方向延伸的肋部(也称为“凹口”)或平坦部。所述片间隔特征部在相邻传热片之间形成间隔。所述传热片还包括在相邻片间隔特征部之间延伸的波状表面，其中每个波状表面由叶片(也称为“波纹”或“褶皱”)界定形成。 不同波状表面的叶片以相对于片间隔特征部的角度Au延伸，该角度Au对于至少波状表面的一部分的角度Au是不同的，由此在相同的传热片上提供不同的表面几何形状。每个叶片的角度Au也可以变化以提供一连续地变化的表面形状几何。
优选实施例的说明中所述的主题在权利要求中说明的结论处被特定地指出并明确地主张。从下文结合附图所做的详细说明来看，之前的及其他的特色及优点是明显的。附图如下图1是现有技术的旋转式再生换热器的部分剖开透视图。图2是包括三片现有技术传热片的框架的俯视平面图。图3是三片叠置构造的现有技术传热片的一部分的透视图。
图4是现有技术传热片的侧面正视图。图5是根据本发明的一个实施例的在相同片上具有两个不同表面几何的传热片的侧面正视图。图6是传热片的一部分的截面正视图，截取自图5中的截面VI-VI。图7是传热片的一部分的截面正视图，截取自图5中的截面VII-VII。图8是传热片的一个实施例的侧面正视图，所示为相同片上具有两个不同表面几何的另一种布置。图9是另一种传热片的侧面正视图，在相同片上具有三种或更多表面几何。图10是传热片的又一实施例的侧面正视图，表面形状在片的长度上连续地变化。图11是根据本发明的具有叠置关系的三片传热片的另一个实施例的一部分的截面正视图。图12是具有叠置关系的三片传热片的又一个实施例的一部分的截面正视图。图13是根据本发明的一个实施例的在相同片上具有两个不同表面几何的传热片的侧面正视图。
具体实施例方式参见图1，被统指为附图标记10的传热片旋转式再生换热器具有安装在外壳14中的转子12。该外壳14界定废气进口管20和废气出口管22，用于容纳使被加热的废气流36 使其流动通过换热器10的废气进口管20和废气出口管22。该外壳14进一步界定空气进口管M和空气出口管26，以容纳助燃烧空气38，使其流动通过换热器10。转子12具有径向分隔部16或隔膜，在分隔部16或隔膜之间界定隔间17，用于支撑传热片(也称为“传热元件”)的框架(支架)40。该换热器10被分区板观分为空气区和废气区，分区板观延伸横跨外壳14并接近转子12的上端面及下端面。尽管图1只描绘了单一空气流38的情况， 该换热器可容纳多个空气流，如三区及四区的构造。这些提供可被引导至不同用途的多个预加热空气流。如图2所示，片框架40 (下文称为“框架40”)的一个例子包括传热片42叠置于其中的支架41。虽然图中只示出了有限数量的传热片42，但应理解框架40将典型地被传热片42充满。同样如图2所示，传热片42片以间隔的关系紧密地叠置在框架40中以形成相邻传热片42之间的通道44。运行中，空气或废气流动通过通道44。参见图1及图2，被加热的废气流36被引导通过换热器10的气体区并将热量传给传热片42。然后，传热片42绕轴18旋转至换热器10的空气区，助燃空气38被引导经过传热片42并由此被加热。参见图3及图4，传统的传热片42以叠置关系示出。典型地，传热片42为钢质平面件，被造形为包括一个或多个肋部50 (也称为“凹口”)及部分地由波状峰53形成的波状表面52。波状峰53以交替的方式向上及向下延伸(也称为“波浪形”)。传热片42还可包括多个较大肋部50，每个肋部50具有以近似相等的间隔布置的肋部峰51，肋部峰51在相邻传热片互相叠置时维持相邻传热片42之间的距离并互相配合形成通道(图2中的44)的侧。这可以容纳空气或废气在传热片42之间的流动。现有技术的传热片42中形成波状表面52的波状峰53都具有相同的高度。如图4所示，肋部50以相对于空气或废气通过转子(图1中的12)的流动方向的预定角度(如0度)延伸。现有技术中形成的波状表面52的波状峰53具有相同的相对于肋部的角度Au，因此，具有相同的相对于被箭头标识为“空气流动”的空气或废气流动方向的角度。波状表面 52用于增加空气或废气流动通过通道(图2中的44)的紊流并由此扰乱传热片42的表面处的热力边界层。通过此方式，波状表面52增强了传热片42和空气或废气之间的传热。如图5-7所示，新型的传热片60在大致平行于传热流体(后文称为“空气或废气”)流动方向上从首边缘80延伸至尾边缘90的长度为L。为方便起见，本文使用术语“首边缘”及“尾边缘”。他们与被箭头和标识“空气流动”所指示的经过片60的热空气的流动相关。传热片60可用于替代旋转式再生换热器中的传统传热片42。例如，传热片60可被叠置并插入框架40以用于旋转式再生换热器中。传热片60包括形成于其上的片间隔特征部59，构件59形成片60之间的期望间距并在片60叠置在框架40(图幻中时在相邻传热片60之间形成流动通道61。片间隔特征部59以间隔关系大致地沿传热片的长度方向(图5的L)延伸并大致地与空气或废气流过换热器转子的方向平行。每条流动通道61都在相邻的肋部62之间从首边缘80至尾边缘 90沿片60的整个长度L延伸。在图6及图7所示的实施例中，片间隔特征部59以肋部62示出。每条肋部62由第一凸片叶片64和第二凸片叶片64’形成。第一凸片叶片64形成的峰(顶点)66以近似相反的方向自第二凸片叶片64’形成的峰66’向外引导。肋部62在峰66和66’之间的总高度为凡。肋部62的峰66和66’与相邻的传热片60联接以维持相邻传热片之间的间距。 传热片60的布置可使一片传热片上的肋部62位于相邻传热片上的肋部62中间以用于支撑。这在本领域内是一个重要的进步，因为之前不知道如何在一片传热片上制作两个不同类型的波纹。本发明无需波状部分之间的连接或焊接就可在一片传热片上制作两个不同类型的波纹。还可设想片间隔特征部59具有其他形状以形成片60之间的期望间距并在相邻传热片60之间形成流动通道61。如图11及12所示，传热片60包括的片间隔特征部59是纵向延伸的平坦区域88 的形式，平坦区域88与相邻传热片的肋部62近似平行并等距离间隔，相邻传热片的肋部62 靠于其上。类似于肋部62，平坦区域88大致地沿传热片60的整个长度L延伸。例如，如图 11所示，该片60可包含交替肋部62及平坦区域88，该交替肋部62及平坦区域88靠在一邻近片60的交替肋部62及平坦区域88上。可替代地，如图12所示，一片传热片60可全部包括纵向延伸的平坦区域88，而另一片传热片60可全部包括肋部62。仍参考图5-7，设置在传热片60上的片间隔特征部59之间的是几个波状表面68 及70。每个波状表面68大致地平行于其它波状表面68在片间隔特征部59之间延伸。如图6所示，每个波状表面68由叶片(波纹或褶皱)72，72’形成。每个叶片72， 72’部份界定具有各自峰72、72’的U形通道形成U形沟的一部分，沟分别具有峰74，74’， 且每个叶片72，72’在如图5所示沿峰74，74’的脊部形成的方向中沿传热片60延伸。每个波状表面68具有的峰至峰的高度为Hul。
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现参见图5及7，每个波状表面70大致地平行于片间隔特征部59之间的其它波状表面70而在片间隔特征部59之间延伸。每个波状表面70包括从另一个叶片(波纹或褶皱)76’向相反方向突出的叶片(波纹或褶皱)76。每个叶片76，76’形成部分界定具有各自的峰78，78’的沟61的一部分，且每个叶片76，76’在如图6所示沿其峰74，74’的脊部形成的方向中沿传热片60延伸。每个波状表面70具有的峰至峰的高度为Η 。波状表面68的叶片72，72’相对于片间隔特征部59的延伸角度与波状表面70的叶片76，76相对于片间隔特征部59的延伸角度不同，分别如角度Aul和Au2所示。片间隔特征部59大致地平行于经过传热片60的空气或废气的主要流动方向。如图5所示，波状表面68的沟大致地平行于片间隔特征部59的方向，而波状表面70的沟的偏斜方向与波状峰78相同。如图所示，本实施例中，如果Aul为0度，则Au2约为45度。作为对比，如图4所示，传统传热片42中的波状表面52都以相同的相对于片间隔特征部59 的角度Au延伸。本文所述的角度仅用于说明。应认识到本发明中的角度可以是多变的。图5 (及图8)的波状表面68的长度L1可根据如下因素选择，如传热流体的流动， 期望的热传递，硫酸、可凝化合物、及颗粒物质在传热表面上聚集的区域位置，及清洁所需的吹灰器贯入。吹灰器用于清洁传热片。吹灰器将一股高压空气或蒸汽传送通过叠置件之间的通道(图2的44，图6，7，11，12的61)以去除来自传热片表面的微粒沉积。为了帮助去除运行中形成在传热片上的沉积物，可选择L1作为间距以使所有或一部分沉积物位于传热片上的某区段上，该区段大致地平行于通过换热器(图1的36，38)的转子的空气或废气的流动方向。然而，L1较佳地小于传热片60的总长度L的三分之一，且更较佳地小于传热片60的四分之一。这提供足够的波状表面70以产生传热流体的紊流并使紊流持续经过波状表面70。波状表面70应足够坚硬以承受所有的运行条件，包括用吹灰器喷射清洁传热片 60。本文所述的长度仅用于说明。应认识到本发明中的长度及长度比例可以是多变的。总体上，燃料中硫的含量越高，L1(及L2, L3)应越长以达到最佳性能。同样，来自空气预热器的出口气体的温度越低，L1 (及L2, L3)应越长以达到最佳性能。再次参见图6及7，可以认为Hul和Hu2是相等的。可替代地，Hul和Hu2可以不同。 例如，Hul可以小于Hu2，且HujPHu2均小于凡。作为对比，如图4所示，传统传热片42中的波状表面52高度都是相等的。发明者所做的CFD模拟显示图5的实施例可以在流动通道(图6及7中的61)内较深的位置处维持吹灰器喷射的较高速度及动能，预期可以得到更好的清洁。图5的实施例可以得到吹灰器喷射更好的清洁，或者更好的潜在的对传热表面上的粘性沉积物的清洁，因为波状表面68与朝向首边缘80的喷射更好地对准，因此容许吹灰器喷射沿流动通道(图6及7的61)有更大的贯入。而且，当波状表面68的构造在传热片60之间提供更好的视线时，本文所述传热片与红外辐射(热点)探测器更兼容。图5的实施例被证明在吹灰试验时对颤动具有低的敏感性。一般而言，传热片的颤动是不被期望的，因为其引起片的过度变形，加上其引起片互相抵着磨损，由此降低片的
7有用寿命。由于波状表面68大致地与吹灰喷射(空气流动)的方向对准，吹灰器喷射的速度和动能可沿流动沟(图6及7的61)的方向保持到更大的深度。这样可使更多的能量用于去除传热片上的沉积物。图8所示为包含了三个表面几何的传热片160的另一个实施例。与传热片60的方式类似，传热片160具有一系列互相间隔的片间隔特征部59，片间隔特征部59纵向地且大致地与通过换热器转子的空气或废气的流动方向平行地延伸。传热片160还包括波状表面68及70，波状表面68位于传热片160的首边缘80及尾边缘90上。如图6-8所示，波状表面68的叶片72在由相对于片间隔特征部59的角度 Aul所代表的第一方向中延伸。此处，由于片间隔特征部59平行于叶片72，角度Aul为0。波状表面70的叶片76在相对于片间隔特征部59的第二方向Au2中延伸。然而，本发明并不限于此，如位于片60的尾边缘90处的波状表面68可以不同于首边缘80处的波状表面68而偏斜一定角度。波状表面68的高度也可以相对于波状表面 70变化。例如，波状表面68在尾边缘90处的高度L3和波状表面68在首边缘80处的高度 L2的和小于传热片60的高度L的一半。较佳地，其小于传热片60总高度L的三分之一。例如，图8的传热片160可用于首及尾边缘80和90均设吹灰器的情形。本发明的传热片可沿流动通道61的长度包括任意数目的不同表面形状。例如，图 9所示为包含三个不同表面形状的传热片沈0。与传热片60及160的方式类似，传热片260 包括互相间隔的片间隔特征部59，片间隔特征部59纵向地且大致地与通过换热器转子的空气或废气的流动方向平行地延伸并在相邻片260之间形成流动通道61。传热片260还包括波状表面68、70及71，波状表面68在首边缘80上。如图所示， 波状表面68的叶片72在角度Aul所代表的第一方向(例如，如图所示平行于片间隔特征部 59)中延伸。波状表面70的叶片76在由相对于片间隔特征部59的角度Au2所代表的第二方向中延伸经过传热片沈0，波状表面71的叶片73在由相对于片间隔特征部59的角度Au3 所代表的第三方向中延伸经过传热片260，Au3与Au2及Aul不同。例如，Au3可以是Au2相对于片间隔特征部59的负(反射)角。如本文所公开的其他实施例，波状表面68、70及71 的高度Hul和Hu2可以是变化的。如图所示，波状表面70及71沿传热片260交替，由此在传热流体流动时提供增强的紊流。紊流与传热片260接触更长的时间并因此加强了传热。涡流还用于混合流动的流体并提供更均勻的流动温度。此紊流可增强传热片60的传热率且压降的增加最小，从而使总传热量有很大增加。参见图10，传热片360包含沿多个叶片376持续变化的表面几何。与传热片60、 160及沈0的方式类似，传热片360包括互相间隔的片间隔特征部59，片间隔特征部59纵向地且大致地与通过换热器转子的空气或废气的流动方向平行地延伸并在相邻片360之间形成如图6及7中的流动通道61。在波状表面368的叶片376下方的片间隔特征部59之间形成流动通道(类似于图6、7、11及12的流动通道61)。叶片376在片360的长度L上自首边缘80至尾边缘90 相对于片间隔特征部59逐渐地偏斜。与现有技术的设计相比，此结构使吹灰器喷射可以从首边缘80向流动通道贯入更长的距离。
此设计还在靠近尾边缘90处实现更大的传热及流体紊流。波状表面368渐进的偏斜避免了向不同角度波状表面的急剧过渡需求，且仍容许波状表面与吹灰器喷射对准以实现更深的喷射贯入和更好的清洁。波状表面368的高度也可沿传热片360的长度L变化。图11所示为可替代实施例，编号与图6及7相同的部件具有相同的功能。在此实施例中，平坦部88与峰66及66’相交，在每个片间隔特征部的左右侧上的流动通道61之间形成更有效的密封。流动通道称为“闭合沟”。图12所示为本发明的另一个可替代实施例，编号与之前的图相同的部件具有相同的功能。此实施例与图11的不同在于只有中心传热片上具有片间隔特征部59。图13是传热片的俯视平面图，所示为相同片上具有两个不同表面形状几何的另一种布置。编号与之前的图相同的部件具有相同的功能。此实施例与图5类似。在此实施例中，相邻波状表面70、79具有相对于片间隔特征部59偏斜至相反方向的峰78、81。波状峰78形成相对于片间隔特征部59的角度Au2。波状峰81形成相对于片间隔特征部59的角度Au4。然而，图13仅作说明用，应认识到本发明涵盖很多其他实施例，其具有邻近波形区段平行叶片，各个叶片以彼此相对角度对齐。尽管本文参考实施例对本发明进行了说明，但本领域的熟练者应认识到在不脱离本发明范围的前提下可对本发明做各种改动，且可用相等物代替本发明的实施例。此外， 在不脱离本发明的基本范围的前提下，本领域的熟练者可进行多种调整以使某些特定的仪器、情形或材料适用于本发明的说明。因此，本发明不应受限于为了执行本发明而作为最佳模式公开的特定实施例，本发明包括所有在附属权利要求范围内的实施例。
权利要求
1.一种用于旋转式再生换热器中的传热片，所述传热片具有多个沿所述传热片延伸并大致地平行于气体流动方向的片间隔特征部，所述片间隔特征部界定相邻所述传热片间流动通道的一部分；及多个设在每对相邻的所述片间隔特征部之间的波状表面，所述多个波状表面包括 由以相对于所述片间隔特征部的第一角度沿所述传热片延伸并互相平行的叶片形成的第一波状表面；及由以相对于所述片间隔特征部的第二角度沿所述传热片延伸并互相平行的叶片形成的第二波状表面，所述第一角度与第二角度不同。
2.根据权利要求1所述的传热片，其中所述第一波状表面连接至所述第二波状表面， 且所述波状表面形成的流动通道流体性地连续及对准。
3.根据权利要求1所述的传热片，其中所述第一角度近似为0，以使所述第一波状表面的所述叶片平行于所述片间隔特征部沿所述传热片延伸。
4.根据权利要求2所述的传热片，其中所述第一波状表面接近所述传热片的一个边缘。
5.根据权利要求3所述的传热片，其中所述多个波状表面还包括由沿所述传热片延伸并互相平行且与所述片间隔特征部平行的叶片形成的第三波状表面，所述第三波状表面接近所述传热片的与第一波状表面相对的一个边缘。
6.根据权利要求1所述的传热片，其中所述传热片至少具有一对波状表面，其中每个所述波状表面具有以不同角度延伸的叶片。
7.根据权利要求1所述的传热片，其中所述第一角度为正角且所述第二角度为负角。
8.根据权利要求1所述的传热片，其中形成所述第一波状表面的所述叶片都具有上峰及下峰， 形成所述第二波状表面的所述叶片都具有上峰及下峰，所述第一波状表面的峰间的平均距离大体上不同于与第二波状表面的峰间的平均距离不同。
9.根据权利要求1所述的传热片，其中所述片间隔特征部至少包括肋部及平坦部其中之一。
10.一种用于旋转式再生换热器中的传热片，所述传热片具有多个沿所述传热片延伸并大致地平行于气体流动方向的片间隔特征部，所述片间隔特征部界定相邻传热片间流动通道的一部分；及位于每对相邻的片间隔特征部之间的波状表面，所述波状表面由叶片形成，所述叶片在所述传热片的长度[L]上相对于所述片间隔特征部逐渐地偏斜。
11.根据权利要求10所述的传热片，其中所述片间隔特征部至少包括肋部及平坦部其中之一。
12.一种用于旋转式再生换热器中的传热片，所述传热片包括沿所述传热片延伸并大致地平行于气体流动方向的第一片间隔特征部，所述第一片间隔特征部界定相邻传热片间流动通道的第一部分；沿所述传热片延伸并大致地平行于所述第一片间隔构件的第二片间隔特征部，所述第二片间隔特征部界定所述流动通道的第二部分；设置在传热片上第一片间隔特征部和第二片间隔特征部之间并界定所述流动通道的第三部分的第一波状表面，所述第一波状表面由以相对于第一及第二片间隔特征部的第一角度互相平行地沿所述传热片延伸的叶片形成；设置在所述传热片上第一片间隔特征部和第二片间隔特征部之间并界定流动通道的第四部分的第二波状表面，所述第二波状表面由以相对于片间隔特征部的第二角度互相平行地沿传热片延伸的叶片形成，所述第一角度与第二角度不同。
13.根据权利要求12所述的传热片，其中所述第二角度近似为0，从而第二波状表面的叶片沿传热片延伸，平行于第一及第二片间隔特征部。
14.根据权利要求13所述的传热片，其中所述第二波状表面接近所述传热片的一个边缘。
15.根据权利要求13所述的传热片，其中所述传热片还包括设置在传热片上第一片间隔特征部和第二片间隔特征部之间并界定流动通道的第五部分的第三波状表面，所述第三波状表面由沿所述传热片延伸并互相平行且与第一及第二片间隔特征部平行的叶片形成，第三波状表面接近所述传热片的与第二波状表面相对的一个边缘，且所述第一波状表面位于所述第二和第三波状表面之间。
16.根据权利要求12所述的传热片，其中所述传热片包括多个交替的第一及第四波状表面。
17.根据权利要求12所述的传热片，其中形成所述第一波状表面的叶片的峰至峰高度与形成所述第二波状表面的叶片的峰至峰高度不同。
18.根据权利要求12所述的传热片，其中每个所述第一及第二片间隔构件至少包括肋部及平坦部其中之一。
19.根据权利要求12所述的传热片，其中所述片间隔特征部包括平坦部以形成闭合的沟流动通道。
20.一种用于旋转式再生换热器的框架，框架包括支架；及至少一个传热片，包括沿所述传热片延伸并大致地平行于气体流动方向的第一片间隔特征部，第一片间隔特征部界定相邻传热片间流动通道的第一部分；沿所述传热片延伸并大致地平行于第一片间隔特征部的第二片间隔特征部，第二片间隔特征部形成所述流动通道的第二部分；设置在所述传热片上所述第一片间隔特征部和第二片间隔特征部之间并界定流动通道的第三部分的第一波状表面，所述第一波状表面由以相对于所述第一及第二片间隔特征部的第一角度互相平行地沿传热片延伸的叶片形成；设置在所述传热片上所述第一片间隔特征部和第二片间隔特征部之间并界定流动通道的第四部分的第二波状表面，所述第二波状表面由以相对于片间隔特征部的第二角度互相平行地沿传热片延伸的叶片形成，所述第一角度与所述第二角度不同。
全文摘要
一种用于旋转式再生换热器的传热片[60，160，260，360]，其造形包括在相邻传热片[60，160，260，360]之间提供间隔的片间隔特征部[59]，及位于片间隔特征部[59]之间的波状表面[68，70](波纹)。波状表面[68，70]由以相对于片间隔特征部[59]的角度延伸的叶片[64，72]构造而成。波状表面[68，70]在传热片[60，160，260，360]之间流动的空气或废气中作用于紊流以增强传热。传热片[60，160，260，360]可包括具有不同角度的叶片[64，72]的波状表面。
文档编号F28D19/04GK102422112SQ201080020288
公开日2012年4月18日 申请日期2010年3月12日 优先权日2009年5月8日
发明者凯文·J·奥博伊尔, 格伦·D·马蒂森, 詹姆斯·D·西博尔德, 詹姆斯·W·伯明翰 申请人:阿尔斯托姆科技有限公司