JP2009503421A - 熱交換表面 - Google Patents

Abstract

ガスのスキュー流れを最小限に抑える働きをする縦方向の波形のジグザグ配置を有する加熱表面要素。波形の角度は、ガスの１次流れ方向に対して１５°〜３５°であることが好ましい。くぼみ付き加熱表面要素と組み合わせて使用する場合、波形は、方向転換前に２つ以上の対向するくぼみと交差しないことが好ましい。

Description

本発明は、ボイラ施設および産業炉の回転再生式空気予熱器に関し、特に、開放型円筒ドラムが波形金属板の形態の複数の隔置された加熱表面要素を収容し、要素を連続的に動かして、高温の煙道ガスの流れおよび燃焼空気の流れに入れるために、ゆっくり回転可能である種類の空気予熱器に関し、上記流れは、ドラムを通してドラム内の要素間を軸方向に流れる。

従来技術によると、このような空気予熱器の加熱表面要素の多くは、通常、添付の図面の図１から図１０に示した形であった。

図１は、パックされた波形加熱表面要素の部分端面図（英国特許第ＧＢ９９２４１３号から引用）であり、図２は、図１のパックの部分斜視図である。

図面を参照すると、上記種類の空気予熱器の典型的な加熱表面要素は、波形金属板１から成り、ドラムの軸に対して、通常は、３０°の角度（θ）で延びる波形２で形成され、交互する各波形板１は、板の間隔を維持するために対向面に形成されて軸方向に延びるくぼみ３および４を有する。

図３は、図２に示した要素の形の変形の斜視図である。図を綿密に検討すると、軸方向に延びるくぼみが、図２に示すものよりも相互に近く、それによって２つの隣接する軸方向のくぼみ間にある波形の数が低減することを示す。この図には、パックの入口における軸方向の流れの方向と、流れが上記パックを通過する場合に発生し得る流れの方向に対する小さい角度（α_１）との両方が示されている。このわずかな「スキュー流れ」は、シートの波形、特に波形のみのシートのその波形の方向が斜めであることによって引き起こされる。これらの波形の谷は、対向するくぼみが付与されたシートの軸方向のくぼみの下を通り、流れの一部が散逸できるわずかに開いた流路を提供する。

図４は、図３に示した要素の形の別の変形の斜視図である。図を綿密に検討すると、軸方向のくぼみがない下部シートの波形の方向が逆転し、これにより隣接する要素シートの波形が異なる方向になっていることを示す。図４に示す要素を「交差した」要素と呼び、図２および図３に示す要素を「交差していない」要素と呼ぶ。

「交差していない」要素ではなく、「交差した」要素を使用する特定の理由も、くぼみのピッチ、波形の高さまたは波形の角度を変化させることの性能効果も、本発明の主題ではなく、本明細書ではこれ以上の説明はしない。しかし、これらの要素の組合せの詳細な「微調整」は、これらの要素の熱性能および圧力低下の特性の両方を最適化する際に重要な役割を果たす。この場合、図４は、このタイプの輪郭の最適化したバージョンを示すような設計の要素の実施形態を示す。

また、図４は、パックに入口における軸方向の流れの方向と、流れが上記パックを通過する場合にまだ発生し得る流れの方向に対するわずかなスキュー角（α_２）との両方を描いていて、「交差した」波形を示す。この場合も、このわずかなスキュー流れは、シートの波形、特に波形のみのシートのその波形方向が斜めであることによって引き起こされる。この図には、波形の角度（θ）も示されていて、これは、通常、流れの方向に対して１５°〜３５°の範囲であり、最も一般的には、流れの方向に対して３５°である。さらに、スキュー流れの角度は、通常、波形の角度よりも非常に小さいことに留意されたい（α_２≪θで、実際に図示の要素輪郭では、α_２は、通常、θの約２０％（すなわち、流れの方向に対して約６°）しかない）。

図１から図４に示した輪郭は全て、一般的に二重波形（またはＤＵタイプ）輪郭と呼ばれるもので、要素対の両方のシートが波形である。

図５は、要素輪郭の別の一般的な形の部分端面図であり、図６は、図５のパックの部分斜視図である。要素のこの形は一般的に、コルゲート波形（またはＣＵタイプ）の輪郭と称される。この場合、各要素対の一方のシートは、図１から図４に示したものに類似した簡単な波形シートであり、第２のシートは、流れの方向で要素の長さに沿って軸方向に延びるはるかに深いコルゲーション（ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎｓ）の列を有する。ＤＵ系の要素のように、この範囲のＣＵタイプの要素にも、流れが要素のパックを通って前進するにつれて、わずかに斜行した流れを生じる傾向がある。

「スキュー」流れの成分が、様々な要素パックの性能または動作特性に対して及ぼす有害作用は、特定の要素の詳細な幾何学的形状に応じて、無視できるほどの作用から劇的な作用まで非常に変化し得る。しかし、種々の方法で「スキュー」流れを原因とする一般的な有害作用は、以下の通りである。
１．熱性能が低下する可能性がある。
２．パックの出口に温度分布が生じる。空気加熱器の低温の端部では、これが「低温隅」を生成することがあり、これは低温隅（ｃｏｌｄ ｃｏｒｎｅｒ）の汚れ（ｆｏｕｌｉｎｇ）を悪化すると主張されている。
３．従来、これらの要素の洗浄に使用されている蒸気または圧縮空気の高エネルギー洗浄ジェットの速度が損失すると主張される。
４．水洗シーケンス中に洗浄された粒子が要素パックの一方側に運ばれる傾向がある。

別の理由で作成されているが、米国特許第６，０１９，１６０号から引用された図７は、一般的に「二重くぼみ」またはＤＮタイプの要素と呼ばれる熱伝達要素の別の系列の主な特徴を示す。これらの要素は、各対の両方の熱伝達要素が軸方向のくぼみと斜めの波形との両方を含むので、このように命名されている。この要素の配置は、くぼみの下の流れの横方向の散逸を解消しないが、この場合、二重くぼみの配置を「交差した波形」形式の使用と組み合わせると、パックを通って流れる場合に、流れが２つの方向のいずれかで散逸できるようになる傾向がある。したがって、この要素の輪郭の方がパックの出口でスキュー流れの影響が少なく、温度の層化が低下すると主張されている。

極端に言うと、スキュー流れは、図８の要素（くぼみが付与された低性能の平坦な輪郭）で最も簡単に示したように、および図９に示すようなこれより複雑で高性能の要素で示したように、くぼみ付きまたはコルゲート状シートと隣接する平坦な表面との間に線接触部を有する要素によって解消される。

さらに、米国特許第６，１７９，２７６号から引用した図１０に示した要素輪郭で典型的に示すように、これらの二重くぼみ付き要素の熱伝達性能のバランスを最適化するために、様々な試みがされてきた。このパターンは、ジグザグパターンで配置された横方向の波形の使用を含むことに留意されたい。

図１６は、米国特許第２，５９６，６４２号による加熱表面要素のパックを示し、これは複数の隆起が、ヘリングボーン構造（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）の加熱表面要素の頂点とは反対に位置している。しかしこれは、望ましくない渦の生成を補助し、さらに隆起の正確な位置決めが必要であるので、製造が困難である。

それ故、本発明の目的は、通過するガスの正味スキュー流れを最小限に抑えるか、少なくとも低減することである。

本発明によれば、第１および第２の隣接領域を有する加熱表面要素が提供され、領域は、相互の側部に沿って第１の方向に延び、したがって上記第１の領域と第２の領域との境界は、第１の方向にあり、各領域は、横方向に並んで配置された複数の波形を有し、各波形は、縦方向の広がりを有し、上記第１の領域における波形の縦方向の広がりは、上記第１の方向に対して０°〜＋９０°に配置され、上記第２の領域の波形の縦方向の広がりは、上記第１の方向に対して０°〜−９０°に配置される。

したがって、スキュー流れは、全て一方向に流れ、正味スキュー流れが低減される。第１の方向は、通常、１次流れであり、波形の方向は、第１および第２の領域における波形の効果が等しく、反対方向であるように配置される。

波形がない２つの領域の間に空間があってもよいことを理解されたい。しかし、２つの領域は、スキュー流れが最大の可能区域上にあることを確保するために、相互に直接接することが好ましい。２つの領域が相互に接する場合、第１の領域の波形最大ピークが、第２の領域の波形の最大領域にほぼ一致することが好ましい。

上記の本発明は、単に第１および第２の領域を備える。しかし、複数の第１の領域および／または複数の第２の領域があり、各第１の領域が各第２の領域と交互にあってもよいことを理解されたい。これは、スキュー流れが強力すぎるほど発達するのを防止する。第１および第２の領域が相互に直接接する場合、スキュー空気流れは境界領域に向かって案内された後、反対側の境界領域に向かって偏向する。したがって、空気は、加熱表面要素に沿ってジグザグパターンで流れ、それにより、加熱表面要素上の通過にかかる時間が増加し、熱交換特性が改善される。第１の方向に対する第１および第２の領域の縦方向波形の角度は等しく、反対方向であることが好ましい。角度は、好ましくは１０°〜４０°（および−１０°〜−４０°）であり、より好ましくは２５°〜３５°（−２５°〜−３５°）である。

加熱表面要素のスタックなどのパックは、本発明による加熱表面要素を備えることができる。加熱表面要素のパックは、追加的に第１の方向に延びるくぼみ付き加熱表面を備えることができる。くぼみは、１つの大きめの波形、または単に加熱表面要素の本体からの突起の形でよく、これは、加熱表面要素を離した状態で維持するように作用する。くぼみ付き加熱表面要素は、上記領域がそれぞれ１つ以下のくぼみと真向かいになるように配置することが好ましい。これは、くぼみによる空気流への妨害が大きくなりすぎるのを防止する。

このような波形加熱表面要素を備える回転式空気加熱器は、スキュー空気流れを最小限に抑える。

本発明の実施形態によれば、１次方向の加熱表面要素のスタックが提供され、上記スタックは、ヘリングボーン構造を有する第１の加熱表面要素を備え、上記ヘリングボーン構造は、複数の領域を有し、上記複数の領域は、領域の境界が上記１次方向に沿うように配置され、上記複数の領域は、横方向に並んで配置された複数の波形を有し、上記第１の領域内の上記波形の縦方向の広がりは、０°より大きく、上記１次方向に対して９０°を超え、上記複数の領域は、さらに、上記第１の領域に隣接する第２の領域を備え、上記第２の領域は、横方向に並んで配置された複数の波形を有し、上記第２の領域内の上記波形の縦方向の広がりは、０°より小さく、上記１次方向に対して−９０°を超え、上記スタックは、第２の加熱表面要素をさらに備え、上記第２の加熱表面要素は、上記１次方向に沿って延びるくぼみを備え、上記くぼみは、上記第１の領域と第２の領域との境界に対して真向かいにならないように配置される。

第１の領域と第２の領域との境界に対して真向かいにならないようにくぼみを配置すると、ガスはヘリングボーン構造に沿って流れることができ、渦巻の影響が緩和される。

それぞれが横方向に並んで配置された複数の波形がある複数の第１の領域があり、波形の縦方向の広がりが、１次方向に対して＋１０°と＋８０°の間で、さらにそれぞれが横方向に並んで配置された複数の波形がある複数の第２の領域があり、波形の縦方向の広がりが、１次方向に対して−１０°と−８０°の間であることが好ましい。第２の領域は、それぞれ少なくとも１つの第１の領域に隣接し、第１および第２の領域は、全体的にヘリングボーン構造を生成するように交互することが好ましい。

１次方向に沿って延びる複数のくぼみがあり、くぼみの少なくとも１つは、これとは真向かいの加熱表面要素の第１の領域と第２の領域との境界に対して真向かいにならないように配置することが好ましい。実際、複数のくぼみが、真向かいの加熱表面要素の第１の領域と第２の領域との境界に対して真向かいではないことが好ましい。ヘリングボーン構造に沿ったガス流と真向かいの加熱表面要素の第１の領域と第２の領域との境界には、真向かいのくぼみがないことが理想的である。そのために、第２の加熱表面要素は、一定の周期を有する等間隔でくぼみを配置し、ヘリングボーン構造も一定の周期を有するように製造することができる。くぼみの少なくとも一部が第１の領域と第２の領域との境界に対して真向かいにならないことを確保するために、縦方向のくぼみ間の周期、すなわち距離は、第１の領域と第２の領域との境界間の周期または距離よりわずかに大きい。

本発明による加熱表面要素のスタックまたはパックは、交互に配置された複数の第１および第２の加熱表面要素を備えることが好ましい。したがって、第１の加熱表面要素は、第２の加熱表面要素の真向かいであり、第２の加熱表面要素は、第１の加熱表面要素の真向かいである。

第１の加熱表面要素の第１および第２の領域は、相互に直接境界を接し、したがって第１の領域の波形の各ピークの最高点が、第２の領域の波形のピークの最高点とほぼ一致することが好ましい。

波形の角度は、好ましくは第１の領域では＋１５°と３５°の間、第２の領域では、１次方向に対して−１５°〜−３５°である。

第２の加熱表面要素は、更に、くぼみ間で横方向に並んで配置された波形を備えることができる。波形の縦方向の広がりは、１次方向に対して＋１０°と＋８０°の間、または１次方向に対して−１０°〜−８０°の間である。このことも、効率的な熱伝達を達成できるように、ガスを案内するのに役立つ。

次に、添付された非制限的な図面を参照しながら、本発明について説明する。

従来技術について説明してきたが、本発明の主題は、図１１から図１４に図示されている。本発明は、図７、図９および図１０に示すような比較的複雑な二重くぼみの輪郭よりも、図１から図６に示した「二重波形」および「コルゲート波形」要素の輪郭の方に密接に関連する。さらに、本発明は、要素対の一方のシート、すなわち、波形シートのみの幾何学的形状を変更するという簡単な手段によって、これらの輪郭の流れの散逸およびスキュー流れの特性を劇的に低減する方法を提供する。

図１１は、本発明で提案するような変更された波形シートの部分図であり、図１２は、標準的な二重波形要素に使用するくぼみ付き波形板と組み合わせたこのシートの部分図である。図１１で見られるように、波形シートは、第１の方向の波形の第１の領域、および第２の方向の波形の第２の領域を備え、第１の領域の波形のピークが境界にて第２の領域の波形のピークと合う。図１２で見られるように、第２の板のくぼみは、第１のシートの第１の領域と第２の領域との境界の真向かいではない。図１３は、図１２に示したシート２枚の配置の拡大図を示し、くぼみは一点鎖線６で示され、ヘリングボーン形の波形５がその下に図示されている。図を見れば分かるように、くぼみの大部分は、ヘリングボーン構造の頂点に重ね合わされていない。この実施形態では、これは、波形の周期よりわずかに大きい周期をその間に有するくぼみによって達成される。しかし、これは任意の数の異なる方法により達成することができる。

異なる方向の波形間の境界と真向かいではないように、くぼみを配置することの効果を、図１４および図１５で見ることができる。ガスがヘリングボーン構造に沿って流れ、ガス流がヘリングボーン構造の頂点に到達すると、反対方向に流れるガスと遭遇し、したがって特に図１４で示すようにヘリングボーン構造をわたって逆方向になる。図を見れば分かるように、ガス流はくぼみの下を通過し、したがってくぼみは、流れのパターンおよびガスに有意の干渉を呈さず、ガスの流れはくぼみによって区分されない。その結果、出口では一様な流れになる。対照的に、くぼみをヘリングボーン構造の頂点に対向するように配置すると、くぼみとヘリングボーン構造の頂点とを組み合わせた効果は、反対方向で隣接する波形の部分間で渦巻の発生を補助する。

本発明は、図１１に示した波形シートと図１２に示したくぼみ付き波形板の使用に制限されず、図５および図６に示すような他のコルゲート状形態のシートと組み合わせて使用することもできる。しかし、極めて重大であるが、少なくとも１つ、および好ましくはそれより多いくぼみが、異なる方向の波形の間の境界と真向かいであってはならない。

図１３は、要素シート全体の比較的大きい面積にまたがるこれらのジグザグ波形の典型的な配置の典型的な広めの図を示す。このシートのジグザグ波形５は、シートをまたがって横方向に配置されていることに留意されたい。さらに、これらの波形の角度（Ａ）は、通常、流れの方向に対して１５°〜３５°の範囲である。

図１３では、対になった隣接するシートの対向するくぼみの典型的な位置が、垂直の一点鎖線６で図示されていることにも留意されたい。さらに、図を詳細に検討すると、一方向に流れる各波形が、波形の方向転換の前に、２つ以上の対向するくぼみとは交差しないことを確保するように、ジグザグのサイズおよび角度が選択されていることが分かる。これは最適な配置であるが、本発明の本質的な部分ではなく、ジグザグは、隣接するシートの２つ以上のくぼみまたはコルゲーションと交差するように寸法を大きくしてもよい。

図１４および図１５は、要素パック内で発生する簡略化した２次元の内部流パターンを示す。この図は、波形シートにある横方向のジグザグの目的を明白に示す。入り煙道ガスまたは空気が要素パックの入口に入ってくる際に、波形の局所的方向に応じて、板全体で１つの方向または他の方向にある波形のＶの先端によって偏向する傾向があることに留意されたい。その結果、スキュー流れが要素を通過する際に１つの一定方向のみに発生することができなくなる。

さらに、要素のさらに下に示した流れのパターンから分かるように、わずかな斜行した隣接する流れは、流れがＶの谷に近づくにつれて相互に収束する傾向がある。しかし、この収束傾向は、流れのモーメントの対向する成分から抵抗を受け、したがって局所的な流れの方向は、直線になるか、または要素の下部分で示すように逆転する傾向さえある。板全体に横方向のジグザグがあることの正味の効果は、通常の波形シートで生じるようなスキュー流れをなくすことであり、それによって要素パックへの出口を通る一様な流れが生成される。

したがって、このようにスキュー流れの影響をなくし、流れの横方向の散逸を抑制すると、上記スキュー流れの４つすべての潜在的な問題を克服するのに役に立つ。

従来技術による波形加熱表面要素を示す。 従来技術による波形加熱表面要素のパックを示す。 従来技術による波形加熱表面要素を示す。 従来技術による波形加熱表面要素を示す。 従来技術によるコルゲート波形タイプの加熱表面要素のパックの断面である。 図５に示した加熱表面要素のパックの代替図である。 米国特許第６，０１９，１６０号に開示された加熱表面要素のパックを示す。 従来技術による波形加熱表面要素のパックを示す。 米国特許第５，８３６，３７９号に開示された加熱表面要素のパックを示す。 米国特許第６，１７９，２７６号に開示された加熱表面要素のパックを示す。 本発明による加熱表面要素を示す。 本発明の実施形態による加熱表面要素のパックを示す。 本発明による概略的加熱表面要素を示す。 本発明による加熱表面要素に沿った流れのパターンを示す。 本発明による加熱表面要素に沿った流れのパターンを示す。 従来技術による加熱表面要素のパックを示す。

Claims (10)

1. １次方向の加熱表面要素のスタックであって、前記スタックは、ヘリングボーン構造を有する第１の加熱表面要素を備え、前記ヘリングボーン構造は、複数の領域を有し、前記複数の領域は、領域の境界が前記１次方向に沿うように配置され、前記複数の領域は、横方向に並べて配置された複数の波形を有する第１の領域を備え、前記第１の領域の前記波形の縦方向の広さは、０°より大きく、前記１次方向に対して９０°を超え、前記複数の領域は、前記第１の領域に隣接する第２の領域をさらに備え、前記第２の領域は、横方向に並べて配置された複数の波形を有し、前記第２の領域の前記波形の縦方向の広さは０°未満で、前記１次方向に対して−９０°を超え、前記スタックが、第２の加熱表面要素をさらに備え、前記第２の加熱表面要素は、前記１次方向に沿って延びるくぼみを備え、前記くぼみは、前記第１の領域と第２の領域との境界に対して真向かいではないように配置されるスタック。
2. 前記第１の加熱表面要素は、それぞれが横方向に並べて配置された複数の波形を有する複数の第１の領域を備え、前記波形の縦方向の広がりが、前記１次方向に対して＋１０°と＋８０°の間であり、前記第１の加熱表面は、それぞれが横方向に並べて配置された複数の波形を有する複数の第２の領域をさらに備え、前記波形の縦方向の広がりが、前記１次方向に対して−１０°と−８０°の間であり、前記第２の領域がそれぞれ、前記１次方向に沿って配置された境界に沿って少なくとも１つの第１の領域に隣接する、請求項１に記載のスタック。
3. 前記第２の加熱表面要素は、前記１次方向に沿って延びる複数のくぼみを備え、前記複数のくぼみの少なくとも一部は、前記第１の加熱表面要素に沿って第１の領域と第２の領域との境界に対して真向かいではないように配置される、請求項１または請求項２に記載のスタック。
4. 前記スタックが、複数の第１の加熱表面要素および複数の第２の加熱表面要素を備え、各第１の加熱表面要素が前記第２の加熱要素の少なくとも１つと隣接する、前記請求項のいずれか１項に記載のスタック。
5. 前記第１の領域が前記第２の領域と直接境界を接する、前記請求項のいずれか１項に記載のスタック。
6. 前記第１の領域と第２の領域との境界で、前記第１の領域にある波形の各ピークの最高点が、前記第２の領域にある波形のピークの最高点とほぼ一致する、請求項５に記載のスタック。
7. 前記第１の領域にある波形の縦方向の広がりが、前記１次方向に対して＋１５°〜＋３５°の角度であり、前記第２の領域にある波形の縦方向の広がりが、前記１次方向に対して−１５°〜−３５°の角度である、前記請求項のいずれか１項に記載のスタック。
8. 前記加熱表面要素が、横方向に並べて配置された複数の波形を備え、前記波形の縦方向の広がりが、０°より大きく、前記１次方向に対して９０°を超えるか、０°未満で、前記１次方向に対して−９０°を超える、前記請求項のいずれか１項に記載のスタック。
9. 前記第２の加熱表面要素にある前記くぼみ間の距離が、前記第１の加熱表面要素にある前記第１の領域と前記第２の領域との境界間の距離より大きい、前記請求項のいずれか１項に記載のスタック。
10. 前記請求項のいずれか１項に記載の加熱表面要素のスタックを備える回転式空気加熱器。
    

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