用于均衡熱交換器中熱流體引出平面板溫度的設備和方法技術

本發明專利技術涉及用于均衡熱交換器中的熱流體引出平面板溫度的設備和方法。具體而言，一種用于最大限度地減少板式流體－流體熱交換器的板上的冷點的設備和方法使熱交換器的熱流體引出平面處的板溫度平均。熱交換器基體構造成用以從內部改變相對的熱流體流和冷流體流的流動模式，以便優化表示為ｈ的一股或兩股流體流的傳熱系數值，故熱流體值是比冷流體值更大的值。板的可變流動結構按一定方式布置，該方式容許在板溫度最低的區域有速度較高的熱流體流和速度可能較低的冷流體流，而在板溫度最高的區域則構造相反。

【技術實現步驟摘要】

用于均衡熱流體引出平面板溫度的設備和方法的示例性實施例涉及板式流 體-流體(fluid-to-fluid)熱交換器。更具體而言，這些實施例涉及構造成用以最大限度 地減小可歸因于形成熱交換器基體(matrix)的板上的冷點(cold spot)的有害效應的熱 交換器。
技術介紹
流體-流體熱交換器基體設計成用以例如從熱排氣氣體中獲取能量。當熱氣流行 進經過該基體時，較冷的相反的氣流從穿過居間板的熱氣流中吸收熱能并冷卻熱氣流。因 此，朝向熱氣體流動路徑的末端(即熱氣體弓丨出平面)，熱氣體隨著其與板的金屬表面相接 觸而溫度變低，其中，該板將進入的較冷氣體與流出的被冷卻的熱氣體分隔開。在熱氣體引 出平面處，板溫度可由于緊鄰冷卻氣體進入平面而較低。當熱氣體接觸分隔兩股氣流的金 屬板的冷卻部分或低溫部分時，可達到熱氣體成分的露點溫度，且可發生冷凝。因此，當氣 流中存在腐蝕成分時，由于顆粒累積造成的腐蝕性冷凝或結垢可導致熱交換器基體的過早 損壞。理想的流體_流體熱交換器(僅以舉例的方式，下文稱為氣體_氣體熱交換器) 應當將熱過程氣體的溫度冷卻至僅接近腐蝕成分的露點溫度，以便熱氣體流出熱交換器基 體而不會首先冷凝熱氣體引出平面附近的冷點或熱交換器基體板的任何部分上的成分。熱 交換器通常不容許熱氣流和冷卻氣流的真正逆流，且因此在垂直于氣體流動的平面處，熱 過程氣體在其行進經過和流出熱交換器基體時不會均勻地冷卻。因此，可能在熱交換器基 體的板上形成冷點。
技術實現思路
用于最大限度地減少熱交換器板上的冷點的潛在可能的方式是公知的。一種方式 是采用并流型熱交換器。然而，這種方式不會優化對于熱交換器基體表面區域所傳遞的熱 量。例如，對于并流型熱交換器中質量流相等且熱容量相等的兩股氣流而言，最大理論回收 效率為50%。另一方式是設計出具有100%理論回收效率的"真正"逆流型熱交換器。然而，這 是不現實的，因為與將會容許兩股氣流以逆流方式進入和流出各板之間的通路的歧管構成 相關的復雜性和成本而受到抑制。由于制造的經濟性，當前使用的氣體_氣體熱交換器為交叉流或準逆流設計。除 非使用特殊設計程序，否則熱氣體引出平面(和冷氣體引出平面)附近的熱交換器基體板 溫度會呈現低于板上的其它點(部位，point)的溫度。為了實現最佳的熱傳遞，且同時避 免板的熱流體引出平面附近的局部冷區域處的冷凝，用于降低進入的冷氣體對板溫度的影 響的又一方式是熱隔離熱交換器板的部分。隔離技術可用于提高熱氣體引出平面處的板冷 轉角(cold corner)中的金屬板溫度，從而產生無冷凝操作。然而，該技術可導致增加成本和浪費熱交換器表面區域。圖1中示出了典型的板式氣體-氣體熱交換器基體。熱氣體(由箭頭140表示) 在溫度T3(例如，1000° F)下在基體的頂部進入，且在基體的底部流出。冷卻氣體在基體 的鄰近其底部的側面上的冷卻氣體進入平面175處進入基體(由箭頭Tl表示)，且在基體 的鄰近其頂部的側面上流出基體(由箭頭Τ2表示)。在熱氣體引出平面100處，由于熱氣 體150 (被冷卻的熱氣體)離開而存在變化的溫度分布。在板點(板部位)150a處，離開熱 氣體的溫度最低，為450° F。由于各板點150b、150c和150d之間的距離，離開熱氣體150 的溫度分別提高大約100° F。在板點100處，離開熱氣體150的溫度為800° F。盡管離 開熱氣體150的平均溫度為650° F，但板點150a至150d處的離開熱氣體150的溫度間的 差別很明顯。板點150a(離開熱氣體150的溫度最低的點)也處在熱交換器基體的冷卻氣 體進入平面175附近。申請人已發現的是，在板點150a-150d處期望具有大致相等的金屬 板溫度。這容許最大的熱傳遞而不會在板上有冷凝以及因顆粒累積造成的隨之而來的腐蝕 和/或結垢。板溫度由鄰近居間板的熱氣流和冷卻氣流的溫度以及在板的相反表面上的相同 x、y坐標處的各個氣流的傳熱系數所影響。這種關系源于熱傳遞的通用方程U = l/d/hi+fi+t/k+^+l/h^hsRe°-8=(p VDh/μ)0·8h = f Re = P VDh/μQ=傳遞的熱量A =面積Δ T =傳遞板上的點處的熱氣體與冷氣體之間的溫度差U=總體傳導率Ii1 =冷氣體傳熱系數，btu/(hr ft2。F)=冷氣體結垢因數t/k =金屬厚度除以金屬熱傳導率f4 =熱氣體結垢因數h4 =熱氣體傳熱系數，btu/(hr ft2。F)Re =雷諾數ρ =氣體密度，lb/ft3V =氣體速度，ft/hrDh =流動通路的液壓直徑，ftμ =氣體粘度，btu/(hr ft° F)Cp =氣體比熱，btu/(lb° F)k=氣體的熱傳導率，btu/(hr ft° F)因此，速度V是在給定入口流動狀態的情況下可按任何程度變化的唯一參數。換 言之，鑒于上文，可確定傳熱系數h隨速度變化，例如，h V°_8。熱交換器基體中的板上的 點的溫度可通過操縱整個基體的各位置處的過程氣體的速度V來實現。本文所述的熱交換 器的實施例通過改變基體內的板上的凸起(或可變流動結構)之間的間距來使其實現?？勺兞鲃咏Y構可在制造過程期間形成以通過熱傳遞板之間的間距來保持期望的氣流?？勺兞?動結構可以是凸起，該凸起在基體設計中通過凸起高度和凸起間距(即，當沖壓金屬板時 的凸起之間的距離)來限定。給定板點處的熱氣體速度增大，所有其它參數保持恒定，則導致熱氣體的傳熱系 數比增大，且因此提高了該點處的板溫度。因此，板的可變流動結構可布置或設計圖案以 影響不同板點處的氣體速度，且從而優化h4 (和可能的話Ii1)的值，且使熱氣體引出平面處 或附近以及基體板上的其它位置的點處的板溫度在一定程度上均衡。具體而言，可變流動結構可布置在基體內的板上，以便增大熱氣流的速度，且可能 的話降低通常較冷的板點處的冷氣流的速度。相反的構造可用于板通常較熱的板點處。當 熱氣流速度增大，且因此熱氣體的傳熱系數增大時，熱氣體溫度可比相對的冷氣流的溫度 對金屬板溫度影響更大。相反，速度減小的冷氣流可導致金屬板溫度較少受到冷氣體溫度 的影響。因此，在板上溫度最低的點處，可能有利的是增大熱氣流速度以優化h4，且可能的 話減小冷氣流速度以優化Ii1，從而導致金屬溫度升高。面向熱氣流的板表面上的可變流動結構還可布置成以便人造流動阻力迫使熱氣 體通向冷氣體進入熱交換器的區域。相反，面向冷氣流的板表面上的可變流動結構可布置 成以便人造流動阻力迫使冷氣體遠離呈現冷點的板部分。本文描述了示例性實施例。然而，設想到的是，可結合本文所述的用于最大限度地 減少板式氣體-氣體熱交換器的板中的冷點的方法和設備的特征的任何熱交換器布置均 由示例性實施例的范圍和精神所包含。附圖說明圖1示出了根據相關技術的熱交換器基體板和熱氣體引出平面氣體溫度的截面 簡圖；圖2示出了圖1中所示的熱交換器板和氣體速度的截面簡圖；圖3示出了在示例性實施例中使用的逆流型熱交換器構造；圖4示出了根據示例性實施例的具有可變流動結構模式(pattern)的冷氣體流動 通路板表面；圖5示出了根據示例性實施例的具有可變流動結構模式的熱氣體流動通路板表圖6示出了根據示例性實施例的具有可變流動結構模式的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種流體－流體熱交換器基體，包括：具有第一表面和第二表面的第一板；具有第一表面和第二表面的第二板，所述第一板的第二表面與所述第二板的第一表面相對以限定第一流動通路；第三板，其具有與所述第二板的第二表面相對的第一表面以限定第二流動通路；所述第一板、所述第二板和所述第三板構成板式基體的一部分，其中，所述基體具有與所述第一流動通路和所述第二流動通路中的至少一個連通的第一流動入口和第一流動出口，以及與所述第一流動通路和所述第二流動通路中的另一個連通的第二流動入口和第二流動出口；以及所述第一板的第二表面具有布置在第一區域和第二區域中的多個可變流動結構，所述第一區域具有的可變流動結構密度大于所述第二區域的可變流動結構密度，以便控制經過所述第一流動通路的流體的速度。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：NH德斯錢普斯，
申請(專利權)人：芒特斯公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]