[发明专利]用于均衡热交换器中热流体引出平面板温度的设备和方法

说明书

技术领域

用于均衡热流体引出平面板温度的设备和方法的示例性实施例涉及板式流体-流体(fluid-to-fluid)热交换器。更具体而言，这些实施例涉及构造成用以最大限度地减小可归因于形成热交换器基体(matrix)的板上的冷点(cold spot)的有害效应的热交换器。

背景技术

流体-流体热交换器基体设计成用以例如从热排气气体中获取能量。当热气流行进经过该基体时，较冷的相反的气流从穿过居间板的热气流中吸收热能并冷却热气流。因此，朝向热气体流动路径的末端(即热气体引出平面)，热气体随着其与板的金属表面相接触而温度变低，其中，该板将进入的较冷气体与流出的被冷却的热气体分隔开。在热气体引出平面处，板温度可由于紧邻冷却气体进入平面而较低。当热气体接触分隔两股气流的金属板的冷却部分或低温部分时，可达到热气体成分的露点温度，且可发生冷凝。因此，当气流中存在腐蚀成分时，由于颗粒累积造成的腐蚀性冷凝或结垢可导致热交换器基体的过早损坏。

理想的流体-流体热交换器(仅以举例的方式，下文称为气体-气体热交换器)应当将热过程气体的温度冷却至仅接近腐蚀成分的露点温度，以便热气体流出热交换器基体而不会首先冷凝热气体引出平面附近的冷点或热交换器基体板的任何部分上的成分。热交换器通常不容许热气流和冷却气流的真正逆流，且因此在垂直于气体流动的平面处，热过程气体在其行进经过和流出热交换器基体时不会均匀地冷却。因此，可能在热交换器基体的板上形成冷点。

发明内容

用于最大限度地减少热交换器板上的冷点的潜在可能的方式是公知的。一种方式是采用并流型热交换器。然而，这种方式不会优化对于热交换器基体表面区域所传递的热量。例如，对于并流型热交换器中质量流相等且热容量相等的两股气流而言，最大理论回收效率为50％。

另一方式是设计出具有100％理论回收效率的″真正″逆流型热交换器。然而，这是不现实的，因为与将会容许两股气流以逆流方式进入和流出各板之间的通路的歧管构成相关的复杂性和成本而受到抑制。

由于制造的经济性，当前使用的气体-气体热交换器为交叉流或准逆流设计。除非使用特殊设计程序，否则热气体引出平面(和冷气体引出平面)附近的热交换器基体板温度会呈现低于板上的其它点(部位，point)的温度。为了实现最佳的热传递，且同时避免板的热流体引出平面附近的局部冷区域处的冷凝，用于降低进入的冷气体对板温度的影响的又一方式是热隔离热交换器板的部分。隔离技术可用于提高热气体引出平面处的板冷转角(cold corner)中的金属板温度，从而产生无冷凝操作。然而，该技术可导致增加成本和浪费热交换器表面区域。

图1中示出了典型的板式气体-气体热交换器基体。热气体(由箭头140表示)在温度T3(例如，1000°F)下在基体的顶部进入，且在基体的底部流出。冷却气体在基体的邻近其底部的侧面上的冷却气体进入平面175处进入基体(由箭头T1表示)，且在基体的邻近其顶部的侧面上流出基体(由箭头T2表示)。在热气体引出平面100处，由于热气体150(被冷却的热气体)离开而存在变化的温度分布。在板点(板部位)150a处，离开热气体的温度最低，为450°F。由于各板点150b、150c和150d之间的距离，离开热气体150的温度分别提高大约100°F。在板点100处，离开热气体150的温度为800°F。尽管离开热气体150的平均温度为650°F，但板点150a至150d处的离开热气体150的温度间的差别很明显。板点150a(离开热气体150的温度最低的点)也处在热交换器基体的冷却气体进入平面175附近。申请人已发现的是，在板点150a-150d处期望具有大致相等的金属板温度。这容许最大的热传递而不会在板上有冷凝以及因颗粒累积造成的随之而来的腐蚀和/或结垢。

板温度由邻近居间板的热气流和冷却气流的温度以及在板的相反表面上的相同x、y坐标处的各个气流的传热系数所影响。这种关系源于热传递的通用方程：

U＝1/(1/h₁+f₁+t/k+f₄+1/h₄)