(57)【要約】  回転再生式熱交換器（１０）のための熱伝達シート（７０）は、交互になっている第１および第２の波状表面（７１，８１）を有している。第１および第２の波状表面（７１，８１）は、交互方向に角度がついた平行な山部（７５，８５）から構成されている。熱伝達シート（７０）が積み重ねられると、熱伝達シート（７０）は、それらの間に通路（７９）を形成し、それを通じて空気／ガスが方向付けられる。山部（７５，８５）は、熱伝達シート（７０）の表面付近の空気流の方向を変えて、乱流を起こし、層流を減らして熱伝達を向上させる。熱伝達シート（８０）は、湾曲した山部（９５）を採用し、それらの間に谷部（９７）を有している。山部（９５）および谷部（９７）は、乱流を最小限にしている空気／ガス流の方向を常に変えて、効率的な熱伝達を発生させる通路（９９）を画定している。
2014519007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温煙道ガス流および空気流を受け取り、かつ高温煙道ガス流からの熱を空気流に伝達する、回転再生式熱交換器のための熱伝達シートであって、該熱伝達シートは、
前記高温煙道ガス流の方向に実質的に平行に、前記熱伝達シートに沿って延びている複数のシート離間部分であって、隣接する熱伝達シートとの間に流路の一部を画定している前記シート離間部分と、
隣接し合うシート離間部分の各対の間に配置されている複数の波状表面とを含み、該複数の波状表面は、
前記シート離間部分に対して第１の角度Ａ1で互いに平行に、前記熱伝達シートに沿って延びている複数の伸長した山部によって形成されている第１の波状表面と、
前記シート離間部分に対して第２の角度Ａ2で互いに平行に、前記熱伝達シートに沿って延びている複数の伸長した山部によって形成されている第２の波状表面とを含み、
前記第１の角度Ａ1は、前記第２の角度Ａ2とは異なっていることを特徴とする、熱伝達シート。
【請求項２】
第１の波状表面は、前記第２の波状表面に接続されており、かつ該波状表面によって形成されている流路が、流体接続的に連続している、請求項１記載の熱伝達シート。
【請求項３】
前記第１の角度Ａ1は鋭角であり、かつ前記第２の角度Ａ2は鈍角である、請求項１記載の熱伝達シート。
【請求項４】
熱伝達シートであって、
第１の端部から第２の端部を通る流体が、第１の方向と第２の方向との間で少なくとも部分的に交互に方向が変えられるように方向付けられた、前記第１の端部から前記第２の端部に延びている少なくとも１つの部分的な正弦波パターンとして形成されている複数の山部および谷部を備えていることを特徴とする、熱伝達シート。
【請求項５】
前記正弦波パターンは、いくつかの周期Ｔを有するものから構成されている、請求項４記載の熱伝達シート。
【請求項６】
山部の少なくとも一部が描く周期は、正弦波の完全な１周期Ｔに満たない、請求項４記載の熱伝達シート。
【請求項７】
位相が互いにずれている少なくとも２つの正弦波パターンを備えている、請求項４記載の熱伝達シート。
【請求項８】
前記少なくとも２つの正弦波パターンは、全周期Ｔにおいて位相がずれている、請求項７記載の熱伝達シート。
【請求項９】
少なくとも１つの正弦波パターンは、少なくとも１つの他の正弦波パターンの周期Ｔとは異なる周期Ｔを有している、請求項７記載の熱伝達シート。
【請求項１０】
前記熱伝達シートが別の熱伝達シートの別の波状表面に対して配置されると、前記波状表面の前記山部の下方に通路が形成される、請求項４記載の熱伝達シート。
【請求項１１】
回転再生式熱交換器のためのバスケットであって、該バスケットは、
フレームと、
少なくとも１つの熱伝達シートとを備え、該熱伝達シートは、第１の端部から第２の端部を通る流体が少なくとも部分的に左右交互に方向が変えられるように方向付けられた、前記第１の端部から前記第２の端部に延びている少なくとも１つの部分的な正弦波パターンを有する複数の山部および谷部を含むことを特徴とする、バスケット。
【請求項１２】
前記熱伝達シートの正弦波パターンは、いくつかの周期Ｔを備えている、請求項１１記載のバスケット。
【請求項１３】
前記熱伝達シートの正弦波パターンが備えている周期は、正弦波の完全な１周期Ｔ未満である、請求項１１記載のバスケット。
【請求項１４】
前記熱伝達シートは、互いに位相がずれているいくつかの正弦波パターンを備えている、請求項１１記載のバスケット。
【請求項１５】
前記熱伝達シートは、異なる正弦波周期Ｔを有する少なくとも２つの正弦波パターンを備えている、請求項１１記載のバスケット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載される装置は、回転再生式熱交換器に見られるタイプの加熱エレメントまたは熱伝達シートに関する。
【０００２】
背景
再生式空気予熱器は、排出される高温排ガスからの流入燃焼空気を予熱するために大型の化石燃料ボイラに使用される。再生式空気予熱器は、エネルギをリサイクルし、かつ燃料を節約する。普通なら大気に失われる有用な熱エネルギを回収することは、大幅なコストの削減、化石燃料の節約、および排出量の削減のための効果的な手法である。
【０００３】
再生式熱交換器の１つのタイプである回転再生式熱交換器は、化石燃料ボイラおよび蒸気発生器によく使用されている。回転再生式熱交換器は、加熱された煙道ガスが熱交換器を通って流れるための煙道ガス入口ダクトと煙道ガス排出ダクトとを画定しているハウジングに取り付けられたロータを有している。ハウジングは、回収された熱エネルギを受け取るガス流が流れるための別のセットの入口ダクトおよび排出ダクトをさらに画定している。ロータは、半径方向の仕切りまたはダイアフラムを有しており、その仕切りの間に、一般的には熱伝達シートである加熱エレメントを保持するためにバスケットまたはフレームを支持するための区画が画定されている。図１を参照すると、全体として参照番号１０が付されている回転再生式熱交換器は、ハウジング１４内に取り付けられたロータ１２を有している。
【０００４】
熱伝達シートは、バスケットまたはフレーム内に積み重ねられている。一般的には、複数のシートが、各バスケットまたはフレーム内に積み重ねられている。シートは、バスケットまたはフレーム内において隔置された関係で近接して積み重ねられており、ガスが流れるための通路をシート間に画定している。熱伝達エレメントシートの例は、米国特許第２５９６６４２号明細書、米国特許第２９４０７３６号明細書、米国特許第４３６３２２２号明細書、米国特許第４３９６０５８号明細書、米国特許第４７４４４１０号明細書、米国特許第４５５３４５８号明細書、米国特許第６０１９１６０号明細書および米国特許第５８３６３７９号明細書に提供されている。
【０００５】
２００９年５月８日に出願され、２０１０年１１月１１日に公開された、名称を「回転再生式熱交換器のための熱伝達シート」とする係属中の米国特許出願第（Ｗ０５／００６−０）１２／４３７９１４号明細書は、異なる設計の熱交換シートを記載しており、全体を引用例として本明細書に取り込む。
【０００６】
高温ガスは、回転式熱交換器を通じて方向付けられ、シートに熱を伝達する。ロータが回転すると、回収ガス流（空気側の流れ）は、加熱されたシート上に方向付けられ、それによって吸入空気が加熱される。多くの場合、吸入空気は、化石燃料の燃焼のためにボイラに提供される。以下では、回収ガス流を、燃焼空気または入力空気という。他の形式の回転再生式熱交換器では、シートは固定式であり、かつ煙道ガスダクトおよび回収ガスダクトが回転する。
【０００７】
現在の設計の熱伝達シートは、煙道排ガスの熱の一部しか回収せず、回収されない熱は、廃エネルギとして排気管から排出される。これらの熱伝達シートが効率的に作用すると、廃熱は少なくなる。
【０００８】
現在、より効率的な熱交換シートの設計が求められている。
【０００９】
発明の要約
本発明は、高温煙道ガス流および空気流を受け取り、かつ高温煙道ガス流からの熱を空気流に伝達する回転再生式熱交換器のための熱伝達シートとして具現化してもよい。熱伝達シートは、高温煙道ガス流の方向に実質的に平行に、熱伝達シートに沿って延びている複数のシート離間部分であって、隣接する熱伝達シートとの間に流路の一部を画定しているシート離間部分と、隣接し合うシート離間部分の各対の間に配置されている複数の波状表面であって、シート離間部分に対して第１の角度Ａ1で、互いに平行に、熱伝達シートに沿って延びている複数の伸長した山部によって形成された第１の波状表面と、シート離間部分に対して第２の角度Ａ2で、互いに平行に、熱伝達シートに沿って延びている複数の伸長した山部によって形成された第２の波状表面とを有しており、第１の角度Ａ1は、第２の角度Ａ2とは異なっている複数の波状表面とを備えている。
【００１０】
本発明は、第１の端部から第２の端部を通る流体が、第１の方向と第２の方向との間で少なくとも部分的に交互に方向が変えられるように方向付けられた、第１の端部から第２の端部に延びている少なくとも１つの部分的な正弦波パターンとして形成された複数の山部および谷部を備えている熱伝達シートとして具現化してもよい。
【００１１】
本発明は、回転再生式熱交換器のためのバスケットであって、フレームと、少なくとも一つの熱伝達シートであって、第１の端部から第２の端部を通る流体が、少なくとも部分的に左右に交互に方向が変えられるように方向付けられた、第１の端部から第２の端部に延びている少なくとも１つの部分的な正弦波パターンとして形成された複数の山部および谷部を備えている熱伝達シートとを備えた、回転再生式熱交換器のためのバスケットとして具現化してもよい。
【００１２】
好適な実施の形態の記載で説明される主題は、本明細書の最後で特許請求の範囲において特に指摘かつ明確に主張される。上記および他の特徴および利点は、添付の図面とともに以下の詳細な説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来技術の回転再生式熱交換器の部分的に切り取った斜視図である。
【図２】従来技術の３つの熱伝達シートを備えたバスケットの上面図である。
【図３】積み重ねられた構成で示される、従来技術の３つの熱伝達シートの一部の斜視図である。
【図４】従来技術の熱伝達シートの平面図である。
【図５】本発明の１つの実施の形態による熱伝達シートの一部の斜視図である。
【図６】図５に示される熱伝達シートの一部の断面図である。
【図７】図５のパターンを有する熱伝達シート全体の平面図である。
【図８】本発明による正弦波状の山部パターンを示す、熱伝達シートの別の実施の形態の平面図である。
【図９】図８の熱伝達シートの断面図である。
【００１４】
好適な実施の形態の詳細な説明
「熱伝達シート」としても知られる熱伝達面は、空気予熱器の重要な部分である。例えばユングストローム(R)空気予熱器などの回転再生式熱交換器の熱伝達面は、フレームバスケットに詰め込まれまたは束に組み立てられ、かつ空気予熱器のロータに取り付けられた薄い異形鋼板から構成されている。ロータの各回転の間、熱伝達シートは、交互に、高温ガス流の通過によりエネルギを吸収し、次いで、燃焼空気の通過により、吸収したエネルギを燃焼空気に伝達し、燃焼空気を予熱する。
【００１５】
ハウジング１４は、加熱煙道ガス流３６が熱交換器１０を通って流れることを可能にするための煙道ガス入口ダクト２０と煙道ガス排出ダクト２２とを画定している。ハウジング１４は、燃焼空気３８が熱交換器１０を通って流れることを可能にするための空気入口ダクト２４と空気排出ダクト２６とをさらに画定している。ロータ１２は、複数の半径方向の仕切り１６またはダイアフラムを有しており、複数の半径方向の仕切り１６の間またはダイアフラムの間において、熱伝達シート４２のバスケット（フレーム）４０を支持するための区画１７が画定されている。熱交換器１０は、ハウジング１４を挟んで、ロータ１２の上面および下面に隣接して延びているセクタ板２８によって、空気セクタと煙道ガスセクタとに分けられている。図１は、１つの空気流３８を示しているが、例えば３セクタ構成や４セクタ構成といった複数の空気流を提供してもよい。これらは、異なる用途のために方向付けてもよい複数の予熱空気流を提供する。
【００１６】
図２に示されるとおり、シートバスケット４０の１つの例として、熱伝達シート５０が積み重ねられているフレーム４１が含まれる。限られた数の熱伝達シート５０しか示されていないが、バスケット４０は、一般的には熱伝達シート５０で満たされているということが理解されよう。また、図２に示されるとおり、熱伝達シート５０は、バスケット４０内において、隔置された関係で近接して積み重ねられており、隣接し合う熱伝達シート５０の間に通路４４を形成している。作動中、空気または煙道ガスは、これらの通路４４を流れる。
【００１７】
図１および図２を参照すると、加熱煙道ガス流３６は、熱交換器１０のガスセクタを通じて方向付けられ、かつ熱を熱伝達シート５０に伝達する。次いで、熱伝達シート５０は、軸１８の周りを回転して熱交換器１０の空気セクタに移動し、そこで燃焼空気３８は熱伝達シート５０上に方向付けられ、それにより加熱される。
【００１８】
図３および図４を参照すると、従来の熱伝達シート５０が積み重ねられた関係で示されている。一般的には、熱伝達シート５０は、１つまたは複数の分離リブ５９と、波状山部５５および谷部５７によって部分的に画定されている波形部５１とを備えるように形成された金属製の平らな部材である。
【００１９】
熱伝達シート５０の形状は、空気予熱器およびボイラシステムの性能にとって重要である。熱伝達シート５０の形状の幾何学的設計は、次の３つの重要な要素に重点を置いている。１つ目は、熱エネルギの回収に直接的に関係する熱伝達、２つ目は、ボイラシステムの機械効率に影響する圧力降下、３つ目は、予熱器がその最適な熱的および機械的性能で作動することを可能にする洗浄性である。最適な性能の熱伝達シートは、高い熱伝達率および低い圧力降下を提供し、かつ洗浄が容易である。
【００２０】
分離リブ５９は、概して等間隔に配置され、隣接し合って積み重ねられたときに隣接し合う熱伝達シート５０の間の間隔を維持するように作用し、かつ図２および図３の通路４４を形成するように協働する。これらの分離リブ５９は、熱伝達シート５０の間における空気または煙道ガスの流れを提供している。
【００２１】
図４に示されるとおり、分離リブ５９は、熱伝達シート５０の第１の端部５２から第２の端部５３まで、空気流の方向に平行に（例えば０度）延び、次いでロータ（図１の１２）を貫通する。
【００２２】
従来技術の波状山部５５は、リブ５９に対して同じ角度Ａ０で、したがって、「空気流」と記された、矢印で示されている空気流に対して同じ角度で配置されている（煙道ガスは、空気流とは反対方向に流れているので、煙道ガス流の角度は１８０度異なる）。波状山部５５は、表面付近の空気を、山部５５および谷部５７に平行な方向に方向付けるように作用し、最初は乱流を引き起こす。少し距離を進むと、空気流は調節され、かつ層流に近似し始める。
【００２３】
層流とは、空気層が層状になり、かつ互いに平行に延びることを意味する。これは、表面付近の空気が、熱伝達シートに沿って進む際に表面の近くにあり続けることを示す。表面付近の空気が表面温度に達すると、それらの間の熱伝達はほとんどない。この場合、他の層のための熱伝達はすべて表面付近の層を通過する必要がある。というのも、他の層は熱伝達シート５０とは直接接触しないからである。層流の空気層から隣接する空気層への熱伝達は、空気から金属表面への熱伝達ほど効率的ではない。
【００２４】
図５〜図７に示されるとおり、波状表面７１は、分離リブ５９に対して鋭角な第１の角度Ａ1を形成している、平行な波状山部７５および谷部７７を有している。波状表面８１も、分離リブ５９に対して鈍角な第２の角度Ａ2を形成している、平行な山部８５および谷部８７を有している。繰り返しパターンは、「Ｒ」と示されている。この実施の形態では、空気が表面に沿って通ると、熱伝達シート７０に沿って反対方向に交互に方向付けられる。
【００２５】
隣接し合う板の山部７５，８５の間の通路７９は、流れる空気を、はじめは右、次いで左、次いで再び右といったように常に方向を変えると考えられる。こうして方向が常に変わることによって、層流が乱れ、図４に示されている実施の形態の場合よりも乱流が発生すると考えられる。そのため、この場合、他の空気層が、シート７０の金属表面に直接接触する。これにより熱伝達が向上すると考えられる。
【００２６】
図に示されている角度は、単に例示を目的としたものである。本発明が、さまざまな角度を含むことが理解されよう。
【００２７】
本明細書においては、２つの波状表面しか示されていないが、異なる角度を有する複数の波状表面を追加してもよく、かつそれらが本発明の範囲内にあることが理解されよう。
【００２８】
図６および図７には、通路が直線である部分が示されている。直線部分を有さず、かつ方向が常に変わることを示している設計を設けることにより効率を上げて、熱伝達をさらに向上させることができる。
【００２９】
図８および図９は、本発明に係る、第１の端部５２および第２の端部５３と、第１の端部５２から第２の端部５３に延びている長手方向軸線６０とを有する熱伝達シート９０の別の実施の形態を示している。熱伝達シート９０は、少なくとも１つの波状表面９１を有している。波状表面９１は、複数の山部９５および谷部９７を有している。上から見た場合、山部９５および谷部９７は、第１の側５１から第２の側に延びている正弦波形状または正弦波パターン９４を有している。いくつかの正弦波パターン９４は、１つまたは複数の周期Ｔを有している。分離リブ５９の両側の正弦波パターン９４は、位相が１８０度ずれている。他の位相および周期を使用してもよく、それらは本発明の範囲内にある。
【００３０】
これらの山部９５および谷部９７は、熱伝達シート９０がバスケット内に重ね合って配置されるときに正弦波通路９９を形成する。空気が正弦波通路９９を通る際に空気の方向が常に変わることにより層流が減り、それによって、乱流が増え、かつ熱伝達効率が上がる。
【００３１】
一部の場所では、部分的な正弦波形状９８しか形成されない。正弦波パターン９４は、すべてのパターン９４に関して一定の周期Ｔを有することと、各部分が次の部分に対して位相が１８０度ずれていることとに限定されない。正弦波パターンのオフセット（位相角）は、互いに異なっていてもよい。
【００３２】
本発明を例示的な実施の形態を参照にして説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行ってよく、かつ均等物をその熱伝達シートに置き換えてよいことが当業者には理解されよう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の機器、状況または部材を本発明の教示に適合するために、多くの改良が当業者には理解されよう。そのため、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示されている特定の実施の形態に限定されず、本発明が、添付の特許請求の範囲内に該当するすべての実施の形態を含むであろうことが意図されている。
【図１】
2014519007.tif 000003
【図２】
2014519007.tif 000004
【図３】
2014519007.tif 000005
【図４】
2014519007.tif 000006
【図５】
2014519007.tif 000007
【図６】
2014519007.tif 000008
【図７】
2014519007.tif 000009
【図８】
2014519007.tif 000010
【図９】
2014519007.tif 000011
【国際調査報告】
2014519007.tif 000012
2014519007.tif 000013
2014519007.tif 000014