JP7514866B2 - 回転式熱交換器用熱伝達エレメント - Google Patents
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- General Engineering & Computer Science (AREA)
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Description
（関連出願の相互参照）
本特許出願は、２０１７年６月２９日に出願された通常の米国特許出願第１５／６３６
，６７３号、及び２０１７年９月１３日に出願された通常の米国特許出願第１５／７０３
，０９２号の両方に基づく優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書
に組み込まれるものとする。
本特許出願は、２０１７年６月２９日に出願された通常の米国特許出願第１５／６３６
，６７３号、及び２０１７年９月１３日に出願された通常の米国特許出願第１５／７０３
，０９２号の両方に基づく優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書
に組み込まれるものとする。
本発明の実施形態は、回転式熱交換器用の熱伝達エレメントに関する。
従来の石炭火力発電プラントでは、蒸気駆動タービンを使用して発電している。ボイラ
ーで水を加熱し蒸気を発生させるために石炭を燃焼させる。石炭火力発電プラントの効率
は長年にわたって改善されてきたが、石炭を燃焼させるプロセスにおいて、回転式空気予
熱器及び回転式ガス／ガスヒーター中の熱伝達エレメントのコールドエンド層のようなコ
ンポーネントのファウリングやバックエンド腐食を引き起こす可能性のある粒子状物質が
生じ、これに対するメンテナンス費用が必要となる。これまで、このような熱交換器の研
究は、主に石炭焚きボイラーに適合する熱伝達エレメントプロファイルを開発すること、
特にコールドエンドファウリングに関する問題を緩和することに集中していた。
ーで水を加熱し蒸気を発生させるために石炭を燃焼させる。石炭火力発電プラントの効率
は長年にわたって改善されてきたが、石炭を燃焼させるプロセスにおいて、回転式空気予
熱器及び回転式ガス／ガスヒーター中の熱伝達エレメントのコールドエンド層のようなコ
ンポーネントのファウリングやバックエンド腐食を引き起こす可能性のある粒子状物質が
生じ、これに対するメンテナンス費用が必要となる。これまで、このような熱交換器の研
究は、主に石炭焚きボイラーに適合する熱伝達エレメントプロファイルを開発すること、
特にコールドエンドファウリングに関する問題を緩和することに集中していた。
天然ガスは、熱効率と排出削減の点で石炭に対する魅力的な代替品であるが、最近まで
石炭よりも高価であり、石炭ほど容易に入手できなかった。最近の水圧破砕の開発により
、利用可能性が向上し、天然ガスのコストが削減された。その結果、多くの石炭焚きボイ
ラーが現在、天然ガス燃焼に変換されつつある。しかし、もともと石炭焚きボイラー用に
設計された回転式熱交換器などのコンポーネントは、天然ガス又は「フラッキング」ガス
に備わる、クリーンで少量のガス排出となり高い熱ポテンシャルを有するという利益が十
分には得られない。したがって、クリーンな燃料のために使用される回転式熱交換器及び
熱伝達エレメントの改善が必要となる。
石炭よりも高価であり、石炭ほど容易に入手できなかった。最近の水圧破砕の開発により
、利用可能性が向上し、天然ガスのコストが削減された。その結果、多くの石炭焚きボイ
ラーが現在、天然ガス燃焼に変換されつつある。しかし、もともと石炭焚きボイラー用に
設計された回転式熱交換器などのコンポーネントは、天然ガス又は「フラッキング」ガス
に備わる、クリーンで少量のガス排出となり高い熱ポテンシャルを有するという利益が十
分には得られない。したがって、クリーンな燃料のために使用される回転式熱交換器及び
熱伝達エレメントの改善が必要となる。
本発明の１つの態様では、第１のガス流と流体連通する第１の開口部と、第２のガス流
と流体連通する第２の開口部とを備えたハウジングを有する回転熱交換器用の熱伝達エレ
メント容器を具備し、第１のガス流及び第２のガス流は流れ方向を有する。熱伝達エレメ
ント容器は、それらの間に空間を画定する一対の支持部材と、一対の支持部材の間の空間
に積み重ねられた複数の熱伝達エレメントとを具備する。複数の熱伝達エレメントの少な
くとも１つは、間隔を空けて形成され、流れ方向に対して第１の角度に向けられた複数の
細長いノッチを有する第１のプレートを具備する。このプレートは、ノッチとノッチの間
に形成されて流れ方向に対して第２の角度方向に向けられた、複数の細長い起伏部をさら
に具備し、第１の角度は第２の角度とは異なっている。複数の細長いノッチのそれぞれの
第１の高さは、複数の細長い起伏部のそれぞれの第２の高さよりも高い。
と流体連通する第２の開口部とを備えたハウジングを有する回転熱交換器用の熱伝達エレ
メント容器を具備し、第１のガス流及び第２のガス流は流れ方向を有する。熱伝達エレメ
ント容器は、それらの間に空間を画定する一対の支持部材と、一対の支持部材の間の空間
に積み重ねられた複数の熱伝達エレメントとを具備する。複数の熱伝達エレメントの少な
くとも１つは、間隔を空けて形成され、流れ方向に対して第１の角度に向けられた複数の
細長いノッチを有する第１のプレートを具備する。このプレートは、ノッチとノッチの間
に形成されて流れ方向に対して第２の角度方向に向けられた、複数の細長い起伏部をさら
に具備し、第１の角度は第２の角度とは異なっている。複数の細長いノッチのそれぞれの
第１の高さは、複数の細長い起伏部のそれぞれの第２の高さよりも高い。
本発明の実施形態では、上記と実質的に同じで支持部材と支持部材との間に交互に積み
重ねられた複数の熱伝達エレメントを含むことができ、隣接する熱伝達エレメントはエレ
メントとエレメントとを好ましい間隔に維持し、ガス流とエレメントとの間の熱交換を増
大させるために、乱流を生じさせるよう互いに逆方向に向けられる。例えば、熱伝達エレ
メント容器は、間隔を空けて形成された複数の細長いノッチと、これらの複数の細長いノ
ッチとノッチとの間に形成された複数の細長い起伏部とを有する第２のプレートであって
、第１のプレートに平行であって隣接することを特徴とする第２のプレートを有する、第
２の熱伝達エレメントを具備することができる。第２のプレートの複数の細長いノッチは
、プレートとプレートとの間に間隔を画定するために、第１のプレートの複数の細長いノ
ッチと交差する方向に向けることができ、第２のプレートの複数の起伏部は、ガスの流れ
に乱流を生じさせて熱伝達を改善するために、第１のプレートの複数の起伏部と交差する
方向に向けることができる。
重ねられた複数の熱伝達エレメントを含むことができ、隣接する熱伝達エレメントはエレ
メントとエレメントとを好ましい間隔に維持し、ガス流とエレメントとの間の熱交換を増
大させるために、乱流を生じさせるよう互いに逆方向に向けられる。例えば、熱伝達エレ
メント容器は、間隔を空けて形成された複数の細長いノッチと、これらの複数の細長いノ
ッチとノッチとの間に形成された複数の細長い起伏部とを有する第２のプレートであって
、第１のプレートに平行であって隣接することを特徴とする第２のプレートを有する、第
２の熱伝達エレメントを具備することができる。第２のプレートの複数の細長いノッチは
、プレートとプレートとの間に間隔を画定するために、第１のプレートの複数の細長いノ
ッチと交差する方向に向けることができ、第２のプレートの複数の起伏部は、ガスの流れ
に乱流を生じさせて熱伝達を改善するために、第１のプレートの複数の起伏部と交差する
方向に向けることができる。
本発明の別の態様では、流れ方向を有する回転式熱交換器用の熱伝達エレメントを具備
する。１つの実施形態では、熱伝達エレメントは、間隔を空けて形成された複数の細長い
ノッチを有するプレートを具備する。細長いノッチはそれぞれ、流れ方向に対して第１の
角度方向に向けられ、プレートの表面から第１の高さを有する。プレートはさらに、間隔
を空けて形成された複数の細長い起伏部を有する。細長い起伏部はそれぞれ、流れの方向
に対して第２の角度方向に向けられ、プレートの表面から第２の高さを有する。複数の細
長いノッチのそれぞれの、第１の高さは、複数の細長い起伏部のそれぞれの、第２の高さ
よりも高く、第１の角度は第２の角度とは異なる。
する。１つの実施形態では、熱伝達エレメントは、間隔を空けて形成された複数の細長い
ノッチを有するプレートを具備する。細長いノッチはそれぞれ、流れ方向に対して第１の
角度方向に向けられ、プレートの表面から第１の高さを有する。プレートはさらに、間隔
を空けて形成された複数の細長い起伏部を有する。細長い起伏部はそれぞれ、流れの方向
に対して第２の角度方向に向けられ、プレートの表面から第２の高さを有する。複数の細
長いノッチのそれぞれの、第１の高さは、複数の細長い起伏部のそれぞれの、第２の高さ
よりも高く、第１の角度は第２の角度とは異なる。
ノッチを構成することは、熱伝達エレメント容器に積み重ねられたときに、エレメント
とそれに隣接するエレメントとの間で望ましい間隔を維持するのに役立ち、起伏部を構成
することは、乱流を生じさせ空気又はガスとエレメントとの間での熱交換を増加させるの
に役立つ。
とそれに隣接するエレメントとの間で望ましい間隔を維持するのに役立ち、起伏部を構成
することは、乱流を生じさせ空気又はガスとエレメントとの間での熱交換を増加させるの
に役立つ。
本発明の熱伝達エレメント及び容器により、回転式熱交換器からの排ガス出口温度を大
幅に低下させることができ、結果として発熱率を低下させることができ、その利点により
、乱流を増大させることによる圧力低下に対処するために必要となるファン出力のわずか
な増加を相殺することができる。クリーンな排ガスを放出する発電プラントで使用する場
合、ファウリングは最小となるため、圧力降下ドリフトの傾向はみられない。
幅に低下させることができ、結果として発熱率を低下させることができ、その利点により
、乱流を増大させることによる圧力低下に対処するために必要となるファン出力のわずか
な増加を相殺することができる。クリーンな排ガスを放出する発電プラントで使用する場
合、ファウリングは最小となるため、圧力降下ドリフトの傾向はみられない。
本発明の概念は、添付図面を参照しながら本明細書に詳細説明された特定の実施形態を
通じて最もよく説明されており、類似の参照番号は全体を通して類似の要素を示す。本明
細書で使用されている発明という用語は、単に実施形態自体を示すものではなく、以下に
説明する実施形態の根底にある発明概念をも示すことを意図していることを理解すべきで
ある。さらに、ここに示す一般的な発明概念は以下に記載する説明のための実施形態に限
定されるものではないのであって、以下の説明はそのような観点から読まれるべきである
ことを理解すべきである。
通じて最もよく説明されており、類似の参照番号は全体を通して類似の要素を示す。本明
細書で使用されている発明という用語は、単に実施形態自体を示すものではなく、以下に
説明する実施形態の根底にある発明概念をも示すことを意図していることを理解すべきで
ある。さらに、ここに示す一般的な発明概念は以下に記載する説明のための実施形態に限
定されるものではないのであって、以下の説明はそのような観点から読まれるべきである
ことを理解すべきである。
本発明による熱伝達エレメントを備えた回転式熱交換器１２を組み込むことができるタ
イプの例示的な発電プラント１０を図１に示す。発電プラント１０は、電気を発生させる
ために、蒸気タービン１６に結合された発電機１４を含む。タービン１６は、ボイラー１
８からの蒸気によって駆動され、ボイラー１８は、吸気口２０を介して燃焼用の空気を吸
引し、排気口２２を介して燃焼ガスを排出する。 ファン２４ａ及び２４ｂは、空気をボ
イラー吸気口２０に供給し、ダスト除去システム２６を介して排気口２２から燃焼ガスを
引き出し、その後大気に放出するために使用することができる。ボイラーから排出される
燃焼ガスからの熱を使用してボイラー１８に入る空気を予熱するために、回転再生式熱交
換器１２を吸気口２０及び排気口２２に隣接して配置することができる。回転再生式熱交
換器は、ガスガスヒーターに使用して、プラントからの排気を抑制することもできる。
イプの例示的な発電プラント１０を図１に示す。発電プラント１０は、電気を発生させる
ために、蒸気タービン１６に結合された発電機１４を含む。タービン１６は、ボイラー１
８からの蒸気によって駆動され、ボイラー１８は、吸気口２０を介して燃焼用の空気を吸
引し、排気口２２を介して燃焼ガスを排出する。 ファン２４ａ及び２４ｂは、空気をボ
イラー吸気口２０に供給し、ダスト除去システム２６を介して排気口２２から燃焼ガスを
引き出し、その後大気に放出するために使用することができる。ボイラーから排出される
燃焼ガスからの熱を使用してボイラー１８に入る空気を予熱するために、回転再生式熱交
換器１２を吸気口２０及び排気口２２に隣接して配置することができる。回転再生式熱交
換器は、ガスガスヒーターに使用して、プラントからの排気を抑制することもできる。
ここで図２を参照すると、本発明の例示的な実施形態による熱伝達エレメント及び容器
を利用する回転式熱交換器１２の部分断面斜視図が示されている。回転式熱交換器１２は
、第１のダクト又は開口部３０及び第２のダクト又は開口部３２を備えたハウジング２８
を含む。第１の開口部３０はボイラー吸気口２０と連通し、第２の開口部３２はボイラー
排気口２２と連通している。複数の熱伝達エレメント容器３６を含むローター３４は、ロ
ーター内の熱伝達エレメント容器３６が開口部３０及び３２を通過するように、ハウジン
グ２８内で回転するように取り付けられ、したがって、容器内の熱伝達エレメントは第２
の開口部の位置にあるときは排気ガスにより加熱され、第１の開口部３０の位置にあると
きは空気を予熱する。
を利用する回転式熱交換器１２の部分断面斜視図が示されている。回転式熱交換器１２は
、第１のダクト又は開口部３０及び第２のダクト又は開口部３２を備えたハウジング２８
を含む。第１の開口部３０はボイラー吸気口２０と連通し、第２の開口部３２はボイラー
排気口２２と連通している。複数の熱伝達エレメント容器３６を含むローター３４は、ロ
ーター内の熱伝達エレメント容器３６が開口部３０及び３２を通過するように、ハウジン
グ２８内で回転するように取り付けられ、したがって、容器内の熱伝達エレメントは第２
の開口部の位置にあるときは排気ガスにより加熱され、第１の開口部３０の位置にあると
きは空気を予熱する。
図３は、本発明の例示的な実施形態による回転式熱交換器用の熱伝達エレメント容器又
はパック３６の斜視図である。熱伝達エレメント容器３６は、一対の支持部材４０の間に
積み重ねて配置されたシート又はプレートの形態で、複数の熱伝達エレメント３８を含む
。例示的な実施形態では、支持部材はエンドプレートとすることができる。図示の例では
、シートは、水平方向に間隔を置いて配置されたエンドプレートの間に、垂直方向に向け
られた長方形のシートである。シートは同じ高さで、水平方向に幅が広くなり、上から見
たときに台形の断面形状となる。この例のように容器３６を台形形状とすることで、この
タイプの複数の容器を回転式熱交換器のローター内に円形パターン又はリング状に配置す
ることが可能になる。例示した熱伝達エレメント容器３６はまた、アセンブリを構造的な
支えを補強するために支持部材４０の間で熱伝達エレメント３８の上下に延びる１つ以上
の支持バー４２、及び／又は付加的なサポートのためにこの１つ以上の支持バー４２を横
切って延びる１つ以上の補強バー４４を含むことができる。１つ以上のスチールバンド４
６をアセンブリの周りに巻き付けて、輸送中のエレメント３８の保持を補助することがで
きる。ここに記載した熱伝達エレメントのいずれも、このような容器で使用することがで
きる。
はパック３６の斜視図である。熱伝達エレメント容器３６は、一対の支持部材４０の間に
積み重ねて配置されたシート又はプレートの形態で、複数の熱伝達エレメント３８を含む
。例示的な実施形態では、支持部材はエンドプレートとすることができる。図示の例では
、シートは、水平方向に間隔を置いて配置されたエンドプレートの間に、垂直方向に向け
られた長方形のシートである。シートは同じ高さで、水平方向に幅が広くなり、上から見
たときに台形の断面形状となる。この例のように容器３６を台形形状とすることで、この
タイプの複数の容器を回転式熱交換器のローター内に円形パターン又はリング状に配置す
ることが可能になる。例示した熱伝達エレメント容器３６はまた、アセンブリを構造的な
支えを補強するために支持部材４０の間で熱伝達エレメント３８の上下に延びる１つ以上
の支持バー４２、及び／又は付加的なサポートのためにこの１つ以上の支持バー４２を横
切って延びる１つ以上の補強バー４４を含むことができる。１つ以上のスチールバンド４
６をアセンブリの周りに巻き付けて、輸送中のエレメント３８の保持を補助することがで
きる。ここに記載した熱伝達エレメントのいずれも、このような容器で使用することがで
きる。
図４は、本発明の例示的な実施形態による熱伝達エレメント３８の平面図である。熱伝
達エレメント３８は、排気ガスにさらされると高温にまで加熱され、周囲温度で流入する
空気にさらされると冷却されることの繰り返しに耐える、スチールのような、熱伝導性材
料で形成された長方形のシート又はプレートを具備する。複数のリブ又はノッチ４８が、
（例えば、ノッチの付いた外形を備えた１対のローラーを通してシートストックを供給す
ることにより）熱伝達エレメント容器を流れる空気又はガスの方向に対して第１の角度θ
１でシートに形成される。ノッチ４８は、図示のように平行であり、ノッチ同士は第１の
ピッチＰ１の間隔で隔てられている。例示的に２つのノッチ４８が示されているが、熱伝
達エレメントを３つ以上のノッチで形成することもできることがわかる。図４Ａに示され
た熱伝達エレメント３８の断面図でよく分かるように、各ノッチ４８は、積み重ねたエレ
メント同士を好ましい間隔に保持させるよう選定された、第１の高さＨ１を有するピーク
と、第１の深さＤ１を有するトラフとを有する。積み重ねたエレメント同士の間隔は、空
気及び／又は排気ガスが流れることができるチャネルを画定するために選択される。
達エレメント３８は、排気ガスにさらされると高温にまで加熱され、周囲温度で流入する
空気にさらされると冷却されることの繰り返しに耐える、スチールのような、熱伝導性材
料で形成された長方形のシート又はプレートを具備する。複数のリブ又はノッチ４８が、
（例えば、ノッチの付いた外形を備えた１対のローラーを通してシートストックを供給す
ることにより）熱伝達エレメント容器を流れる空気又はガスの方向に対して第１の角度θ
１でシートに形成される。ノッチ４８は、図示のように平行であり、ノッチ同士は第１の
ピッチＰ１の間隔で隔てられている。例示的に２つのノッチ４８が示されているが、熱伝
達エレメントを３つ以上のノッチで形成することもできることがわかる。図４Ａに示され
た熱伝達エレメント３８の断面図でよく分かるように、各ノッチ４８は、積み重ねたエレ
メント同士を好ましい間隔に保持させるよう選定された、第１の高さＨ１を有するピーク
と、第１の深さＤ１を有するトラフとを有する。積み重ねたエレメント同士の間隔は、空
気及び／又は排気ガスが流れることができるチャネルを画定するために選択される。
また、（例えば、ノッチが形成される前又は同時に、波形プロファイルを備えた一対の
ローラーを通してシートストックを供給することにより）ノッチ４８とノッチ４８との間
に複数の起伏部５０がシートに形成される。起伏部５０は、隣接する熱伝達エレメント３
８間に画定されたチャネルを通って流れる空気及び／又はガスに乱流を生じさせるように
構成される。起伏部５０は、熱伝達エレメント容器を通って流れる空気又は気体の方向に
対して第２の角度θ２方向に向いている。図４に示す熱伝達エレメントの例では、第２の
角度θ２方向は、起伏部５０がノッチ４８を横切るように、流れ方向に対して第１の角度
θ１方向とは（例えば、時計回り対反時計回りに）反対の方向になるように選択される。
例えば、第１の角度が空気／ガスの流れの方向から反時計回りに測定される場合、第２の
角度は空気／ガスの流れの方向から時計回りに測定される。図示のように、第１のピッチ
Ｐ１よりも小さい第２のピッチＰ２で起伏部５０は互いに平行とすることができる。図４
Ａに示される熱伝達エレメント３８の断面図でよく分かるように、起伏部５０はそれぞれ
、第１の高さＨ１よりも小さい第２の高さＨ２と、第１の深さＤ１よりも小さい第２の深
さＤ２とを有することができる。
ローラーを通してシートストックを供給することにより）ノッチ４８とノッチ４８との間
に複数の起伏部５０がシートに形成される。起伏部５０は、隣接する熱伝達エレメント３
８間に画定されたチャネルを通って流れる空気及び／又はガスに乱流を生じさせるように
構成される。起伏部５０は、熱伝達エレメント容器を通って流れる空気又は気体の方向に
対して第２の角度θ２方向に向いている。図４に示す熱伝達エレメントの例では、第２の
角度θ２方向は、起伏部５０がノッチ４８を横切るように、流れ方向に対して第１の角度
θ１方向とは（例えば、時計回り対反時計回りに）反対の方向になるように選択される。
例えば、第１の角度が空気／ガスの流れの方向から反時計回りに測定される場合、第２の
角度は空気／ガスの流れの方向から時計回りに測定される。図示のように、第１のピッチ
Ｐ１よりも小さい第２のピッチＰ２で起伏部５０は互いに平行とすることができる。図４
Ａに示される熱伝達エレメント３８の断面図でよく分かるように、起伏部５０はそれぞれ
、第１の高さＨ１よりも小さい第２の高さＨ２と、第１の深さＤ１よりも小さい第２の深
さＤ２とを有することができる。
例示的な実施形態では、第１の角度θ１は５°から４５°の範囲とすることができ、第
２の角度θ２は０°から－９０°の範囲とすることができる。別の例では、第１の角度θ
１は２０°とすることができ、第２の角度θ２は－３０°とすることができる。例示的な
実施形態では、第１の高さＨ１及び第１の深さＤ１はそれぞれ５～９ｍｍとすることがで
き、第２の高さ及び第２の深さＨ２及びＤ２はそれぞれ３ｍｍとすることができ、第１の
ピッチＰ１は３５ｍｍとすることができ、第２のピッチＰ２は１５ｍｍとすることができ
る。
２の角度θ２は０°から－９０°の範囲とすることができる。別の例では、第１の角度θ
１は２０°とすることができ、第２の角度θ２は－３０°とすることができる。例示的な
実施形態では、第１の高さＨ１及び第１の深さＤ１はそれぞれ５～９ｍｍとすることがで
き、第２の高さ及び第２の深さＨ２及びＤ２はそれぞれ３ｍｍとすることができ、第１の
ピッチＰ１は３５ｍｍとすることができ、第２のピッチＰ２は１５ｍｍとすることができ
る。
図５は、本発明の例示的な実施形態に従って積み重ねられた一対の熱伝達エレメント３
８及び３８’の斜視図である。第１の熱伝達エレメント３８は、第２の熱伝達エレメント
３８’の詳細を見ることができるように部分的に切り取られて示されている。両方の熱伝
達エレメント３８及び３８’は、図４に示すような構成を有する。しかし、空気の流れの
方向に対するそれぞれの向きは、互いに逆になっている。すなわち、積み重ねた熱伝達エ
レメント全体を通して１つの熱伝達エレメント上で対角線上に間隔を隔てたノッチが隣接
する熱伝達エレメント上で対角線上に間隔を隔てたノッチを横切るように、第１の熱伝達
エレメント３８は第１の向きを有し、第２の熱伝達エレメント３８’は第１の向きに対し
て１８０°回転した第２の向きを有する。
８及び３８’の斜視図である。第１の熱伝達エレメント３８は、第２の熱伝達エレメント
３８’の詳細を見ることができるように部分的に切り取られて示されている。両方の熱伝
達エレメント３８及び３８’は、図４に示すような構成を有する。しかし、空気の流れの
方向に対するそれぞれの向きは、互いに逆になっている。すなわち、積み重ねた熱伝達エ
レメント全体を通して１つの熱伝達エレメント上で対角線上に間隔を隔てたノッチが隣接
する熱伝達エレメント上で対角線上に間隔を隔てたノッチを横切るように、第１の熱伝達
エレメント３８は第１の向きを有し、第２の熱伝達エレメント３８’は第１の向きに対し
て１８０°回転した第２の向きを有する。
対角線上に間隔を空けて交差するノッチ４８及び４８’は、隣接する熱伝達エレメント
間の好ましいギャップ又は間隔を維持する機能を果たす。ノッチの数、角度、及びピッチ
は、圧縮されたときにしっかりとした堅固な集合体を形成させるために十分な数の接触点
を持つことに寄与する。ノッチ４８及び４８’の対角線が交差することにより、スキュー
フローを回避するのに役立ち、エレメントの集合体の全断面での流れ領域全般にわたって
均一な流れを維持する。
間の好ましいギャップ又は間隔を維持する機能を果たす。ノッチの数、角度、及びピッチ
は、圧縮されたときにしっかりとした堅固な集合体を形成させるために十分な数の接触点
を持つことに寄与する。ノッチ４８及び４８’の対角線が交差することにより、スキュー
フローを回避するのに役立ち、エレメントの集合体の全断面での流れ領域全般にわたって
均一な流れを維持する。
それぞれの熱伝達エレメント３８及び３８’のノッチ間の傾斜した起伏部５０及び５０
’は、乱流を生じさせるタービュレータとして作用する。特に低いガス速度とレイノルズ
数において熱伝達を改善するために、乱流を生じさせる傾斜した起伏部５０及び５０’が
組み込まれる。したがって、ここで説明するタイプの高効率熱伝達エレメントは、従来の
石炭焚きボイラーと比較して煙道ガス出口温度が大幅に低下する可能性のあるフラッキン
グガス焚きに適している。強い乱流により生じる圧力低下の増加は最小限であり、熱効率
が良くなることによる利益は、必要とされるわずかなファン出力の増加による不利益をは
るかに上回る。また、クリーンな煙道ガスはファウリングを引き起こさないため、圧力降
下ドリフトの傾向はみられない。例示の目的で２つの熱伝達エレメントが示されているが
、図示のように積み重ね構成には交互の向きが変わる３つ以上の熱伝達エレメントが含ま
れることがわかる。図５に示される熱伝達エレメントは、互いに交互に積み重ねることが
でき、又はここに記載の他の熱伝達エレメントのいずれかと交互に積み重ねることができ
る。
’は、乱流を生じさせるタービュレータとして作用する。特に低いガス速度とレイノルズ
数において熱伝達を改善するために、乱流を生じさせる傾斜した起伏部５０及び５０’が
組み込まれる。したがって、ここで説明するタイプの高効率熱伝達エレメントは、従来の
石炭焚きボイラーと比較して煙道ガス出口温度が大幅に低下する可能性のあるフラッキン
グガス焚きに適している。強い乱流により生じる圧力低下の増加は最小限であり、熱効率
が良くなることによる利益は、必要とされるわずかなファン出力の増加による不利益をは
るかに上回る。また、クリーンな煙道ガスはファウリングを引き起こさないため、圧力降
下ドリフトの傾向はみられない。例示の目的で２つの熱伝達エレメントが示されているが
、図示のように積み重ね構成には交互の向きが変わる３つ以上の熱伝達エレメントが含ま
れることがわかる。図５に示される熱伝達エレメントは、互いに交互に積み重ねることが
でき、又はここに記載の他の熱伝達エレメントのいずれかと交互に積み重ねることができ
る。
図６は、本発明の別の例示的な実施形態による、一対の積み重ねられた熱伝達エレメント５２及び５２’の斜視図である。熱伝達エレメント５２及び５２’は同じように構成されているが、向きが逆になっている。熱伝達エレメント５２及び５２’の各々は、それぞれ複数のディンプル５４又は５４’によって分離された複数の傾斜したノッチ４８又は４８’をそれぞれ含む。傾斜したノッチ４８及び４８’は、上述のものと同じである。しかし、起伏部の代わりに、ノッチ４８と４８’間にディンプル５４及び５４’が（例えば、ノッチが形成される前又は形成されると同時に、シートストックを一対のディンプルのあるローラーに通すことにより）形成される。例示的な実施形態では、ディンプル５４及び５４’は半球状であり、凹面又は凸面のいずれかとすることができる。例示的な実施形態では、傾斜したノッチの各対の間に２行又は３行のディンプルが形成される。行は、示されるようにノッチに平行であっても、ノッチに対して傾斜していてもよい。隣接する行のディンプルは、互いに整列させることも、互い違いにすることもできる。例示的な実施形態では、ディンプルの深さはノッチの高さ／深さよりも小さく、隣接するディンプル間の間隔はノッチ間の間隔よりも小さい。起伏部と同様に、ノッチ間のディンプルは乱流を引き起こすタービュレータとして機能する。乱流を引き起こすディンプルは熱伝達を改善し、フラッキングガス燃焼やその他の用途での使用を手助けする。さらに、例示の目的で２つの熱伝達エレメントが示されているが、積み重ねには、示されるように交互に向きが変わる３つ以上の熱伝達エレメントを有することができることが理解できる。図６の熱伝達エレメントは、ここに記載の他の熱伝達エレメントのいずれかと交互に積み重ねることができる。
図７は、本発明のさらに別の例示的な実施形態による熱伝達エレメント５６の平面図である。図７Ａは、区間７Ａ－７Ａで切り取った図７の熱伝達エレメント５６の断面図である。熱伝達エレメント５６は、空気流の方向に平行な方向に向けられた一対のノッチ４８と、ノッチ間に形成された複数のディンプル５４とを含む。ディンプル５４は、傾斜した行からなる２つの列として配置され、各行は３つのディンプルを具備し、空気及び／又はガスの流れの方向に対してある角度をもたせている。例示的な実施形態では、ディンプル５４の行はそれぞれ、空気及び／又はガスの流れの方向に対して約４５°の角度で配置されている。図６の熱伝達エレメントと同様に、図７の熱伝達エレメントのディンプルの形状は半球形とすることができ、深さはノッチの高さ／深さより小さくすることができ、隣接するディンプル間の間隔をノッチ間の間隔より小さくすることができる。ノッチ間のディンプルは乱流を引き起こすタービュレータとして機能する。乱流を引き起こすディンプルは熱伝達を改善し、フラッキングガス燃焼やその他の用途での使用を容易にする。図７の熱伝達エレメントは、図６の熱伝達エレメント又はここに記載の他の熱伝達エレメントのいずれかと交互に積み重ねることができる。
図８は、本発明のさらに別の例示的な実施形態による熱伝達エレメント５８の平面図である。図８Ａは、区間８Ａ－８Ａで切り取った図８の熱伝達エレメント５８の断面図である。この実施形態では、複数のディンプル５４が、複数の列及び行で熱伝達エレメント５８に形成される。例示的な実施形態では、それぞれ３つのディンプルを含む行から成る少なくとも３つの列が示されている。ただし、行には、示されているよりも少ないか又は多いディンプルが含まれている場合がある。ディンプルの行は、空気の流れ方向に対してある角度をもたせている。例示的な実施形態では、ディンプルの行は、空気の流れの方向に対して約４５°の角度で配置されている。ディンプルは乱流を引き起こすタービュレータとして機能する。乱流を引き起こすディンプルは熱伝達を改善し、フラッキングガス燃焼やその他の用途での使用を容易にする。図８の熱伝達エレメントは、図７の熱伝達エレメント又はここに記載の他の熱伝達エレメントのいずれかと交互に積み重ねることができる。
図９は、本発明のさらなる例示的な実施形態による熱伝達エレメント６０の斜視図であ
る。図９の熱伝達エレメント６０は、乱流を引き起こすタービュレータとして機能する菱
形の隆起又は突起部６２の繰り返しパターンを含む。乱流を引き起こす菱形パターン６２
は、接触する点の数を増やし、熱伝達を改善して、フラッキングガス燃焼及び他の用途で
の使用を容易にする。菱形形状の隆起又は突起部６２は、第１のローラーの起伏部の角度
が第２のローラーの起伏部の角度と反対になるようにシートを二重圧延することによって
形成することができる。例えば、第１のローラーは、空気／ガスの流れの方向に対して＋
３０°の角度方向に向けられた起伏部を作り出すように構成し、第２のローラーは、空気
／ガスの流れの方向に対して－３０°の角度方向に向けられた起伏部を作り出すように構
成することができる。このプロセスにより、菱形のプロファイルが作り出され、起伏部の
角度を変更して菱形形状を変更することができる。図９の熱伝達エレメントは、図７の熱
伝達エレメントと、又は空気／ガスの流れの方向に平行な起伏状又は波形状のプロファイ
ルを有する熱伝達エレメントと、又はここに記載した他の熱伝達エレメントと、交互に積
み重ねることができる。
る。図９の熱伝達エレメント６０は、乱流を引き起こすタービュレータとして機能する菱
形の隆起又は突起部６２の繰り返しパターンを含む。乱流を引き起こす菱形パターン６２
は、接触する点の数を増やし、熱伝達を改善して、フラッキングガス燃焼及び他の用途で
の使用を容易にする。菱形形状の隆起又は突起部６２は、第１のローラーの起伏部の角度
が第２のローラーの起伏部の角度と反対になるようにシートを二重圧延することによって
形成することができる。例えば、第１のローラーは、空気／ガスの流れの方向に対して＋
３０°の角度方向に向けられた起伏部を作り出すように構成し、第２のローラーは、空気
／ガスの流れの方向に対して－３０°の角度方向に向けられた起伏部を作り出すように構
成することができる。このプロセスにより、菱形のプロファイルが作り出され、起伏部の
角度を変更して菱形形状を変更することができる。図９の熱伝達エレメントは、図７の熱
伝達エレメントと、又は空気／ガスの流れの方向に平行な起伏状又は波形状のプロファイ
ルを有する熱伝達エレメントと、又はここに記載した他の熱伝達エレメントと、交互に積
み重ねることができる。
図１０は、本発明の付加的で例示的な実施形態による熱伝達エレメント６４の斜視図で
ある。図１０の熱伝達エレメント６４は、乱流を引き起こすタービュレータとして機能す
る隆起又は突起部６６の複雑なパターンを含む。図１０の乱流を引き起こすパターンは、
接触する点の数を増やし、熱伝達を改善して、フラッキングガス燃焼及び他の用途での使
用を容易にする。図１０に示すパターンは、空気／ガスの流れの方向に対して角度を持た
せた起伏部を作り出すためにシートを波状のローラーに通し、その後、空気／ガスの流れ
の方向に平行な波状部を生成する波形ローラーに通すことによって形成することができる
。このプロセスは、波状部の側面に隆起６６を作り、乱流を引き起こし、熱伝達を改善す
る。図１０の熱伝達エレメントは、傾斜した起伏部（例えば、図１０の熱伝達エレメント
の起伏部と反対の角度方向に向けられている）を有する熱伝達エレメントと、又は図９の
熱伝達エレメントと、又はここで説明した他の熱伝達エレメントのいずれかと交互に積み
重ねることができる。
ある。図１０の熱伝達エレメント６４は、乱流を引き起こすタービュレータとして機能す
る隆起又は突起部６６の複雑なパターンを含む。図１０の乱流を引き起こすパターンは、
接触する点の数を増やし、熱伝達を改善して、フラッキングガス燃焼及び他の用途での使
用を容易にする。図１０に示すパターンは、空気／ガスの流れの方向に対して角度を持た
せた起伏部を作り出すためにシートを波状のローラーに通し、その後、空気／ガスの流れ
の方向に平行な波状部を生成する波形ローラーに通すことによって形成することができる
。このプロセスは、波状部の側面に隆起６６を作り、乱流を引き起こし、熱伝達を改善す
る。図１０の熱伝達エレメントは、傾斜した起伏部（例えば、図１０の熱伝達エレメント
の起伏部と反対の角度方向に向けられている）を有する熱伝達エレメントと、又は図９の
熱伝達エレメントと、又はここで説明した他の熱伝達エレメントのいずれかと交互に積み
重ねることができる。
上述し、そして図面に示された実施形態は、本発明の実施形態を実施する多くの方法の
うちのいくつかを表しているにすぎないことが理解されよう。例えば、図４に示す実施形
態では、特定の用途に応じて又はクライアント仕様に応じて熱伝達／圧力低下の能力を最
適化するために、ノッチ角度に対する起伏部の角度及びノッチ高さに対する起伏部の高さ
を変えることができる。また、ディンプルは半球状であると記載したが、ディンプルは、
小さな球状のセグメント（例えば、ディンプルの高さ又は深さが半径よりも小さい）を含
むことができ、又はピラミッド形などの他の構成を有することもできる。さらに、台形の
断面を有する熱伝達エレメント容器を図示したが、容器は、長方形の断面、湾曲した断面
、又は回転式熱交換器に設置するのに適した他の形状で構成できることが理解されよう。
うちのいくつかを表しているにすぎないことが理解されよう。例えば、図４に示す実施形
態では、特定の用途に応じて又はクライアント仕様に応じて熱伝達／圧力低下の能力を最
適化するために、ノッチ角度に対する起伏部の角度及びノッチ高さに対する起伏部の高さ
を変えることができる。また、ディンプルは半球状であると記載したが、ディンプルは、
小さな球状のセグメント（例えば、ディンプルの高さ又は深さが半径よりも小さい）を含
むことができ、又はピラミッド形などの他の構成を有することもできる。さらに、台形の
断面を有する熱伝達エレメント容器を図示したが、容器は、長方形の断面、湾曲した断面
、又は回転式熱交換器に設置するのに適した他の形状で構成できることが理解されよう。
Claims (20)
- 流れ方向を有する回転式熱交換器用の熱伝達エレメントであって、前記熱伝達エレメントは、
間隔を空けて形成された複数の細長いノッチを有するプレートであって、前記細長いノッチの各々は、前記流れ方向に対して第１の角度に向けられ、前記第１の角度は前記流れ方向に対して５°から４５°の範囲のゼロではない角度であることを特徴とするプレートと、
前記複数の細長いノッチの間に間隔を空けて形成された複数のタービュレータであって、前記複数のタービュレータは、２次元パターンで構成されていることを特徴とするタービュレータと、
を具備し、
前記複数の細長いノッチの各々は第１の高さを有し、前記複数のタービュレータの各々は前記第１の高さより低い第２の高さを有し、
前記複数のタービュレータの２次元パターンには、タービュレータの行が含まれ、前記タービュレータの行は前記流れ方向に対して－４５°の第２の角度に向けられ、
１つの行におけるタービュレータ同士の隙間が、隣接する行におけるタービュレータ同士の隙間とは横方向にずれるように、隣接する行のタービュレータは互い違いに配置されている、
ことを特徴とする熱伝達エレメント。 - 前記複数のタービュレータには、複数の半球状のディンプルが含まれることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達エレメント。
- 前記複数のタービュレータには、複数の菱形の突起が含まれることを特徴とする請求項１に記載の熱伝達エレメント。
- 隣接するタービュレータ同士の間隔は、隣接する細長いノッチ同士の間隔より小さいことを特徴とする請求項１に記載の熱伝達エレメント。
- 第１のガス流と流体連通する第１の開口部と、第２のガス流と流体連通する第２の開口部とを備えたハウジングを有する回転熱交換器用の熱伝達エレメント容器であって、前記第１のガス流及び前記第２のガス流は流れ方向を有し、前記熱伝達エレメント容器は、
それらの間に空間を画定する一対の支持部材と、
前記一対の支持部材の間の空間に積み重ねられた複数の熱伝達エレメントと、を具備し、
前記複数の熱伝達エレメントは、
第１のプレートであって、
間隔を空けて形成された第１の複数の細長いノッチであって、前記第１の複数の細長いノッチの各々は流れ方向に対して第１の角度に向けられていて、前記第１の角度はゼロではない角度であることを特徴とする、第１の複数の細長いノッチと、
前記第１の複数の細長いノッチの間に間隔を空けて前記第１のプレートに形成された第１の複数のタービュレータであって、前記第１の複数のタービュレータは２次元パターンに配置され、前記複数の細長いノッチの各々は第１の高さを有し、前記複数のタービュレータの各々は前記第１の高さより低い第２の高さを有し、前記第１の複数のタービュレータの前記２次元パターンにはタービュレータの行が含まれ、１つの行におけるタービュレータ同士の隙間が隣接する行におけるタービュレータ同士の隙間とは横方向にずれるように、隣接する行のタービュレータは互い違いに配置されることを特徴とする、第１の複数のタービュレータと、
を有する第１のプレートと、
前記第１のプレートに平行に隣接する第２のプレートであって、前記第２のプレートは、前記第２のプレートに形成された第２の複数のタービュレータを有し、前記第２の複数のタービュレータは、前記第１のプレートに形成された第１の複数のタービュレータの前記２次元パターンとは異なる２次元パターンに配置されていることを特徴とする第２のプレートと、
を具備することを特徴とする、
熱伝達エレメント容器。 - 前記第１の複数のタービュレータには、複数の半球状のディンプルが含まれることを特徴とする請求項５に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第１の複数のタービュレータには、複数の菱形の突起が含まれることを特徴とする請求項５に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第１のプレートにおける隣接するタービュレータ同士の間隔は、隣接する細長いノッチ同士の間隔より小さいことを特徴とする請求項５に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第１の角度は前記流れ方向に対して５°から４５°の範囲であり、前記第１のプレートにおける前記タービュレータの行は前記流れ方向に対して第２の角度に向けられ、前記第２の角度は、前記第１の角度とは異なることを特徴とする請求項８に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第２の角度は－４５°であることを特徴とする請求項９に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第２の複数のタービュレータの前記２次元パターンにはタービュレータの行が含まれることを特徴とする請求項５に記載の熱伝達エレメント容器。
- １つの行におけるタービュレータ同士の隙間が隣接する行におけるタービュレータ同士の隙間とは横方向にずれるように、隣接する行の前記第２の複数のタービュレータは互い違いに配置されることを特徴とする請求項１１に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第２のプレートはタービュレータのみ有し、ノッチの無いプレートであることを特徴とする請求項１１に記載の熱伝達エレメント容器。
- 第１のガス流と流体連通する第１の開口部と、第２のガス流と流体連通する第２の開口部とを備えたハウジングを有する回転熱交換器用の熱伝達エレメント容器であって、前記第１のガス流及び前記第２のガス流は流れ方向を有し、前記熱伝達エレメント容器は、
それらの間に空間を画定する一対の支持部材と、
前記一対の支持部材の間の空間に積み重ねられた複数の熱伝達エレメントと、を具備し、
前記複数の熱伝達エレメントは、
第１のプレートであって、
間隔を空けて形成された第１の複数の細長いノッチであって、前記第１の複数の細長いノッチの各々は流れ方向に対して第１の角度に向けられていて、前記第１の角度はゼロではない角度であることを特徴とする、第１の複数の細長いノッチと、
前記第１の複数の細長いノッチの間に間隔を空けて前記第１のプレートに形成された第１の複数のタービュレータであって、前記第１の複数のタービュレータは行の２次元パターンに配置され、前記複数の細長いノッチの各々は第１の高さを有し、前記複数のタービュレータの各々は前記第１の高さより低い第２の高さを有し、１つの行におけるタービュレータ同士の隙間が隣接する行におけるタービュレータ同士の隙間とは横方向にずれるように、隣接する行のタービュレータは互い違いに配置されることを特徴とする、第１の複数のタービュレータと、
を有する第１のプレートと、
前記第１のプレートに平行に隣接する第２のプレートであって、前記第２のプレートは、そこに形成された第２の複数のタービュレータを有するノッチの無いプレートであり、前記第２の複数のタービュレータは、２次元パターンに配置されていることを特徴とする第２のプレートと、
を具備することを特徴とする、
熱伝達エレメント容器。 - 前記第１の複数のタービュレータには、複数の半球状のディンプルが含まれることを特徴とする請求項１４に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第１の複数のタービュレータには、複数の菱形の突起が含まれることを特徴とする請求項１４に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第１のプレートにおける隣接するタービュレータ同士の間隔は、隣接する細長いノッチ同士の間隔より小さいことを特徴とする請求項１４に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第１の角度は前記流れ方向に対して５°から４５°の範囲であり、前記第１のプレートにおける前記タービュレータの行は前記流れ方向に対して第２の角度に向けられ、前記第２の角度は、前記第１の角度とは異なることを特徴とする請求項１４に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第２の角度は－４５°であることを特徴とする請求項１８に記載の熱伝達エレメント容器。
- 前記第２の複数のタービュレータの前記２次元パターンにはタービュレータの行が含まれ、１つの行におけるタービュレータ同士の隙間が隣接する行におけるタービュレータ同士の隙間とは横方向にずれるように、隣接する行のタービュレータは互い違いに配置されることを特徴とする請求項１４に記載の熱伝達エレメント容器。
Applications Claiming Priority (6)
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|---|---|---|---|
| US15/636,673 | 2017-06-29 | ||
| US15/636,673 US10837714B2 (en) | 2017-06-29 | 2017-06-29 | Heat transfer elements for rotary heat exchangers |
| US15/703,092 | 2017-09-13 | ||
| US15/703,092 US10837715B2 (en) | 2017-06-29 | 2017-09-13 | Heat transfer elements for rotary heat exchangers |
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