TWI443263B - 一種流體控制方法及裝置 - Google Patents

Description

一種流體控制方法及裝置

本發明係關於空氣污染控制，且具體而言係關於一種用於對一氣室中之液體流進行重定向的裝置，且藉此改良空氣污染控制，尤其是在選擇性觸媒NO_x 還原中。

由於在管道作業中(尤其在轉彎處)之不穩定流，先前技術系統無法達到完全效率。

一種用於對一氣室中之液體流進行重定向的裝置，其藉由使用相對於該進口(上游)液體流成角度而安裝之一平面葉片陣列，使得該等葉片相對於該流傾斜且相應地將該流重定向於一期望之方向。亦被稱為「GSG」或「漸進矯直網格」的裝置其應用廣泛，且在大規模應用中在性能、結構及經濟上表現出諸多優勢。作爲一特別而非限制性實例，本文所教示之流體重定向裝置的一或數個實施例經配置以用於選擇性觸媒反應器(SCR)中，諸如用於洗滌工業廢氣。

在至少一個實施例中，一種用於將一氣室中之液體流自一第一流向重定向至一第二流向之裝置，其包括一平面葉片之橫向陣列，該等葉片係以一傾斜於該第一流向之角度定位，以將該液體流自該第一流向重定向至該第二流向。在此意義上，「橫向」表示該等葉片係縱向橫向於該待重定向之流體的方向。該斜角因而對於該進口/上游流呈現一傾斜、漸進的表面，使得在該陣列中之每個葉片的迎風面將一部分的該流重定向於一期望之方向。

在另一實施例中，一種用於將一氣室中之液體流自一第一流向重定向至一第二流向之一平面葉片的橫向陣列之設計方法，其包括將一橫向葉片長度定義為在該氣室內待安裝該橫向陣列位置處之一內部截面積的一函數，並如所需而調整葉片高度、葉片間距及葉片角度中之至少一者，以使該液體流達到一期望的流體品質。該方法可包含藉由調整該氣室內之該橫向陣列之一計劃的安裝角度而調整該葉片角度。

在一或多個此類實施例中，如所需而調整一葉片高度、葉片間距及葉片角度中的至少一者以使液體流達到期望的流體品質包括：在該橫向陣列之一模擬模型中模擬液體流，對照一或數個品質要求評估一模型化流體品質，且調整一模型化葉片高度、模型化葉片間距及模型化葉片角度中之一或數項直到該模型化流體品質符合流體品質要求中之一或數項。此類製程可爲部分自動化或全自動化，諸如按照設計要求設定一模擬模型並指定較佳的設計異動(例如葉片高度對間距調整範圍)，且設定該模擬，以按照流體品質要求調整該陣列設計。該等設計要求可包括結構細節，包括尺寸、可允許的陣列重量、結構扣件/支撐零件、剛度等等。

當然，熟悉該項技藝者閱讀下列詳盡描述及參閱該等附加圖示將認識到其他的特徵及優勢。

圖1說明一橫向陣列10，其亦稱為「漸進矯直網格」或簡稱為「陣列10」。從此圖解中，吾人可看出該陣列10包括複數個間隔的平面葉片12。該陣列10經構形以固定地安裝於一氣室14內，以將一液體流自一第一流向重定向於一第二流向。特別地，應瞭解的是用於重定向液體流之所說明的新穎的配置可在該陣列10之下游無需補充之矯直葉片的狀況下在該第二流向上提供高度的下游流場品質。

此圖解描繪了該陣列10之一側視圖，且應瞭解的是觀測者看到該等葉片12之「端視圖」，且該等葉片12係垂直於該第一流向而縱向定位。此外，如圖解中所示，該陣列10之一示例性安裝是位於該氣室14之一轉角位置或接合處，即一第一氣室區段16係定位於該第一流向且一第二氣室區段18係定位於該第二流向之處。因而，在此實例中之該陣列10係經構形以在第一及第二氣室區段16與18之間的轉角接合處重定向該液體流。

吾人可見，用於將該陣列10相對於該第一流向安裝之一示例性斜角即為在氣室區段16與18之間的該轉角接合處之該「棱角」。吾人可看出，該等葉片12之上游葉片邊緣定義一平面，且在至少一些設計應用中，較佳是沿著從該內側氣室轉角22延伸至該外側氣室轉角24之角對角線20對齊該平面。

當然，應瞭解的是亦可採用其他對齊，且可相對於該轉角中心線而升高或降低該陣列10，以作為一「調整」參數，以期達到期望的流場品質、安裝便利性等。此外，該陣列10相對於該第一流向之角度可增加或減小如同一性能調整參數，且該斜角因而不需遵循內側對外側棱角。此外，應瞭解的是該陣列10可經構形以用於除了90度以外之方向改變，例如在小於90度之轉角處，且如流場品質及機械考量所需可改變該等安裝角度及轉角定位。

參見圖2，吾人可見若干包括該陣列10之一給定實施例的葉片12之一放大側視圖。特定而言，為便於參考而非限制，吾人可見每個葉片12之橫向面可視爲一面對在該第一流向流動之液體的迎風面30及一相對的背風面32。為進一步參考，每個葉片12係視為具有一與該進口/上游第一流向相關之上游(橫向)邊緣34及一與該出口/下游第二流向相關連之下游(橫向)邊緣36。此等上游及下游葉片邊緣34及36可/不可予以加工或形成一空氣動力輪廓。實際上，未加工之直角邊緣，諸如那些與板鋼相關之邊緣大體上提供可接受的性能。然而，一些具有較高流率、較厚葉片等之安裝可得益於成形的葉片邊緣。

陣列配置總體而言，該陣列10之一或多個實施例是基於如從該上游葉片邊緣34至該下游葉片邊緣36所量測之一葉片高度「h」，其在約6英吋至約18英吋之範圍內，及在該陣列10中之鄰接葉片12之間的間距「c」，其在約3英吋至約24英吋之範圍內。此外，該斜角(即陣列10相對於該第一流向之安裝角度)可經選定以將該等葉片12以一葉片角度θ置於該陣列10中，θ是在從約負25°至約正25°之範圍內。

當然，無論該等參數是否設定於上述範圍內，應瞭解的是可藉由調整一或多個此類參數以如給定之安裝條件所需而「調整」該陣列10。這種調整可固定一或多個此類參數，且以一重覆方式改變一或多個其他參數以達到一產生可接受之流場品質的設計方案，同時亦可滿足所有實際成本及機械考量。

在至少一實施例中，一較佳葉片高度「h」為12英吋或約12英吋，且一較佳葉片間距「c」為6英吋或約6英吋，且一較佳葉片角度θ為19度或約19度。(吾人在圖2中可看到所測量之葉片角度是介於從上游葉片邊緣34延伸至一下游葉片邊緣36的線與平行於該第二流向之線之間的角度)。因此，若該第二流向是垂直的，則該較佳葉片角度是偏離此垂直線為19度或約19度。更廣義地說，該陣列10之斜角係經選定以將每個葉片12以相對於該第二流向成-25度至+25度(包括)之角度θ放置於該陣列10中，其中如所解釋的，該葉片角度θ是使用一連接該上游及下游葉片邊緣34及36之線相對於該第二流向而測得的。

進一步關於陣列設計考量，在一實施例中，如從該上游葉片邊緣34至該下游葉片邊緣36所測量之該葉片高度經配置為約該陣列10之鄰接葉片12之間所測量之葉片間距的兩倍。以數學表示，h =2c 。在另一實施例中，此比例係設定為2.5倍，即h =2.5c 。對於至少某些安裝，2x之比例較佳，但應瞭解的是該高度對間距之比例是一候選的調整參數且可經處理為該陣列設計過程之一部分。例如，重量及/或成本限制可能需要減少的葉片數量，這意味著，在給定的陣列尺寸下葉片間隔需增大。在這些情形下，舉例而言可改變所有陣列安裝角度及/或該葉片高度，以補償減少的葉片數量。

參見圖3，吾人可見在一給定陣列10中之該等葉片12的一簡化透視圖，其強調該等葉片12之長度方向上的橫向定位，且進一步說明藉由從該第一流向至該第二流向之液體流動的迎風葉面30之偏斜。雖然在圖3中該背風面32不可見，在此所預期之一或多個實施例包含一結構加強件，其整合或安裝於該葉片12之該等背風面32上。(該結構加強件係顯示於下文，用於大尺度SCR應用)。

因著對於其他機械及機構方面考量，吾人應注意的是，此名詞「氣室」在本文中係被給予廣泛的解釋。例如，本文預期之定義包含但不限於在一結構中之一充液空間(例如氣體、空氣等等)，且尤其是一承載流動液體之導管或其他通道。此外，除非另有說明，此名詞不需意味一連續的導管。例如，一第一閉合結構(例如，導管)可通往至一第二閉合結構(例如一SCR堆疊體上方之空間)中，且該第一及第二結構之全部或部分可視為該氣室14，而該陣列10係安裝於其中。

此外，應瞭解的是，該陣列10之安裝特徵可如其所安裝在之該氣室14的特點之所需而修改。例如，圖4描繪了一給定陣列10之一平面圖，其不僅說明該等葉片12之橫向定位，亦顯示一周邊框架40，其作為該等葉片12之載體且可用於將該陣列10固定於該氣室14中。因此，在一或多個實施例中，該陣列10包含至少一部分周邊框架40，其用於在結構上將該陣列10固定於該氣室14中。同樣地，應瞭解的是，該陣列10可包括二或多個次陣列。例如，對於很大的氣室內截面積，可使用若干較小的陣列10以形成一橫跨所需內部空間之一較大陣列。此處理可提供(例如)更佳的結構完整性，且限制各個葉片長度為更大的實際值。

此外，應瞭解的是，在一或多個實施例中，該等葉片12係均勻地間隔在該陣列10中。然而，在一或多個實施例中，該等葉片12係不均勻地間隔在該陣列10中。在其他實施例中，一部分的該等葉片12可為均勻地間隔，而其他部分可為不均勻地間隔。可採取這些改變以考慮到結構安裝，以容納障礙物等等。

當然，所有設計參數可針對一給定安裝而如所需地經設定及調整。實際上，本文之該等教示之一個態樣包括一設計方法，藉此電腦模擬(及/或實驗比例模擬)及參數調整可產生一陣列10，其經構形給定特別的安裝要求。這種模擬可基於計算流體力學(CFD)模擬及實驗比例模擬，且可在一具有體現程式指令之一電腦可讀媒體之一電腦系統(例如一PC)整體或其一部分中實施，以在一流體模擬環境中實行該陣列調整方法。

圖5說明此方法之一實施例，其中方法是從輸入設計要求(方塊100)「開始」的。此等要求可為在該第二方向上期望之流場品質，其可由層流品質、紊流值等方面表示。此等要求一般將包含基本氣室尺寸、流體體積、速率等等。以適當之基本設計要求，一設計該陣列10之方法包含：定義一橫向葉片長度「L」為該氣室14中待安裝該陣列10之位置處的一內部截面積的函數(方塊102)。方法繼續為如所需而調整葉片高度、葉片間距及葉片角度中之至少一者，以達到液體流之一期望的流場品質(方塊104)。

此方法可為重複的且可使用或藉由指令碼或其他程式控制器而驅動，其等對於陣列調整參數(例如葉片高度、間距、角度、整體葉片數量等等)之任一者或多者單步調試一設計參數選擇之範圍，直到符合該等設計要求。再次，此方法可在一流體模擬環境或在實驗比例模擬中透過電腦模擬實行。

圖6說明一重複陣列調整之一實施例。此方法可表示圖5中之方塊104的細節。此陣列設計可使用預設或額定陣列參數(諸如預設葉片高度、間距及角度)予以初始化(方塊110)。方法繼續進行到基於已知之替換值(諸如一規定的葉片間距)調整任一或多個參數(方塊112)。方法繼續進行到執行/評估該對應的模擬模型(方塊114)。

評估包括(例如)將該等模擬的流場品質與設計要求進行比較。若符合設計標準(在變化之一些可接收範圍內)(方塊116)，則方法「結束」。若未符合設計標準，且未超過一迭代限制或其他方法限制條件(方塊118)，則方法繼續進行到調整一或多個陣列參數且再執行/再評估此再調整之模擬模型(方塊120)。這種反複調整係如所需而繼續進行，或直到超過一迭代限制。

在一或多個實施例中，調整該陣列10包括藉由調整該氣室14內之該陣列10之一計畫的安裝角度來調整該葉片角度。該調整可替換地或額外地包括如所需而調節葉片高度、葉片間距及葉片角度中之至少一者，以達到液體流之期望的流場品質。再次，這種調整可包括：在該陣列10之一模擬模型中模擬液體流；對照一或多個品質要求評估一模擬的流場品質；及調整一模擬的葉片高度、模擬的葉片間距及模擬的葉片角度中之一或多者，直到該模擬的流場品質符合一或多個流場品質要求。同樣地，如上所述，如所需而調整葉片高度、葉片間距及葉片角度中之至少一者以達到液體流之一期望的流場品質可包括使用一預設的葉片高度、一預設的葉片間距及一預設的葉片角度初始化一橫向陣列設計，且之後調整該等預設值中之一或多者。

此等預設值可基於根據一葉片高度對葉片間距之比例約為2：1設定此預設葉片高度及此預設葉片間距。此外，一或多個調整變數之調整範圍可限於先前提及之葉片高度、間距及角度。

以此設計靈活性作為前提，圖7、圖8及圖9說明該陣列10經配置以用於各種SCR應用中的應用實例。特別地，圖7凸顯了該等葉片12上之背風側結構加強件，且說明機械安裝特徵。在這些圖解中之該氣室14包括一選擇性觸媒反應器(SCR)50之一上游元件，且該陣列10經構形以將一氣流重定向於該SCR50中。

然而，該陣列10不限於這些所說明之實例。更普遍而言，應瞭解的是上文之描述及該等附加圖示代表本文所教示之方法、系統及個別裝置之非限定性實例。因而，本發明不被前述描述及附加圖示所限制。反之，本發明僅由以下請求項及其合法均等物所限制。

10．．．橫向陣列

12．．．平面葉片

14．．．氣室

16．．．第一氣室區段

18．．．第二氣室區段

20．．．對角線

22．．．內側氣室轉角

24．．．外側氣室轉角

30．．．迎風面

32．．．背風面

34．．．上游(葉片)邊緣

36．．．下游(葉片)邊緣

40．．．周邊框架

50．．．選擇性觸媒反應器(SCR)

c．．．葉片間距

h．．．葉片高度

θ．．．葉片角度

圖1是在一氣室內用於流體重定向之橫向陣列的一實施例之一簡化側視圖。

圖2是圖1中所示之該陣列之一或數個實施例的葉片零件之一簡化側視圖。

圖3是一橫向陣列之一實施例的一簡化透視圖，尤其說明用於流體重定向之該等平面葉片。

圖4是一橫向陣列之一實施例的一簡化平面視圖。

圖5及6為邏輯流程圖，其說明對於一種設計一用於流體重定向之橫向陣列的方法之一或多個實施例中諸如可實施於一電腦系統上之處理邏輯。

圖7至圖9為安裝說明，其等顯示安裝於選擇性觸媒反應器(SCR)中之氣室內的橫向陣列之各種實施例。

10．．．橫向陣列

12．．．平面葉片

14．．．氣室

16．．．第一氣室區段

18．．．第二氣室區段

20．．．對角線

22．．．內側氣室轉角

24．．．外側氣室轉角

Claims (22)

1. 一種用於將一氣室中之液體流自一第一流向重定向至一第二流向的裝置，該裝置包括一平面葉片之橫向陣列，該等葉片之定位與該第一流向成一斜角，以將該液體流從該第一流向重定向於該第二流向，其中該等葉片中之一或多個包含一結構加強件，其經整合於或安裝於該葉片之一背風面上，其中該葉片之該背風面是該葉片遠離該第一流向之側。
2. 如請求項1之裝置，其中該裝置經構形在第一及第二氣室區段之間的轉角接合處重定向該液體流，該第一氣室區段以該第一方向運輸該液體流而該第二氣室區段以該第二方向運輸該液體流，且其中一藉由該橫向陣列定義之平面係對齊沿著該轉角接合處之一對角線。
3. 如請求項2之裝置，其中該平面是藉由該橫向陣列中之該等葉片之上游邊緣所定義，且其中該斜角代表在該第一流向與該平面之間的該角度之一量測值。
4. 如請求項3之裝置，其中該橫向陣列係以該平面對齊於一從該轉角接合處之內側轉角延伸至外側轉角之對角線的方式而定位。
5. 如請求項3之裝置，其中如從一上游葉片邊緣至一下游葉片邊緣所量測之一葉片高度是在約6英吋至約18英吋之一範圍內，且該橫向陣列中之鄰接的葉片之間的一葉片間距是在約3英吋至約24英吋之一範圍內，且其中該斜角係經選定以將該等葉片以從約15度至約25度之一範 圍內之一葉片角度放置於該橫向陣列中。
6. 如請求項5之裝置，其中該葉片高度為12英吋或約12英吋，該葉片間距為6英吋或約6英吋，且該葉片角度為19度或約19度。
7. 如請求項1之裝置，其中如從一上游葉片邊緣至一下游葉片邊緣所測量之一葉片高度經配置約為如從該橫向陣列中之相鄰葉片間所測量之一葉片間距的兩倍。
8. 如請求項7之裝置，其中該斜角係經選定以將每個葉片以一相對於該第二流向成負25度至正25度之一葉片角度放置於該橫向陣列中，其中相對於該第二流向之該葉片角度是利用一連接該等上游及下游葉片邊緣之線而測得。
9. 如請求項1之裝置，其中該橫向陣列包括至少一個部分周界框架，以在結構上將該橫向陣列固定於該氣室中。
10. 如請求項1之裝置，其中該橫向陣列包括二或數個次陣列。
11. 如請求項1之裝置，其中該等葉片係均勻地間隔配置於該橫向陣列內。
12. 如請求項1之裝置，其中該等葉片係不均勻地間隔配置於該橫向陣列內。
13. 如請求項1之裝置，其中該氣室經構形將一氣流重定向入一選擇性觸媒反應器中。
14. 一種設計用於將一氣室中之液體流從一第一流向重定向至一第二流向之平面葉片的一橫向陣列之方法，該方法 包括：將一橫向葉片長度定義為該氣室內待安裝該橫向陣列之一位置處的一內部截面積之函數；及如所需而調整一葉片高度、葉片間距及葉片角度中之至少一者，以達到該液體流之一期望的流場品質。
15. 如請求項14之方法，其進一步包括藉由調整該氣室內之該橫向陣列的一經計劃之安裝角度來調整該葉片角度。
16. 如請求項14之方法，其中如所需而調整一葉片高度、葉片間距及葉片角度中之至少一者以達到該液體流之一期望的流場品質包括：在該橫向陣列之一模擬模型中模擬液體流；對照一或數個品質要求評估一模型化流場品質；及調整一模型化葉片高度、模型化葉片間距及模型化葉片角度中之一或多者，直到該模型化流場品質符合該一或多個流場品質要求。
17. 如請求項16之方法，其中如所需而調整一葉片高度、葉片間距及葉片角度中之至少一項以達到該液體流之一期望的流場品質包括：使用一預設葉片高度、一預設葉片間距及一預設葉片角度以初始化一橫向陣列設計。
18. 如請求項17之方法，其進一步包括依據一約為二比一之葉片高度對葉片間距之比例設定該預設葉片高度及預設葉片間距。
19. 如請求項17之方法，其進一步包括將該預設葉片高度設定為約12英吋，並相應地將該預設葉片間距設定為約6英吋。
20. 如請求項17之方法，其進一步包括將該預設葉片角度設定為相對於該第二流向成約19度。
21. 如請求項16之方法，其中使用一預設葉片高度、一預設葉片間距及一預設葉片角度以初始化該橫向陣列設計包括：將該預設葉片高度設定為在從6英吋至18英吋之一範圍內的一值；將該預設葉片間距設定為在從3英吋至約24英吋之一範圍內；以及將該預設葉片角度設定為從約負25度至約正25度。
22. 如請求項14之方法，其進一步包括調整該實際葉片間距遠離一預設葉片間距，藉此降低該橫向陣列之一合計葉片數量，同時藉由相應地調整該葉片高度及該葉片角度中之一者或二者來補償該增加的葉片間距。