TWI440811B - 熱交換塔氣流設備與方法 - Google Patents

Description

熱交換塔氣流設備與方法

本發明大體上關於包含冷卻塔及加熱塔之熱交換塔領域。本發明進一步關於改善通過這類塔之氣流之設備與方法。

不同類型的熱交換塔在工業上廣泛使用。這類塔包含冷卻塔，其藉由與周圍空氣接觸來冷卻一流體、和加熱塔，其藉由與周圍空氣接觸來加熱一流體。在這類塔之實例中，一風扇典型將空氣吹過塔，偕同空氣吸入位於塔底部或側邊之一入口。在塔內側，空氣典型通過一填充媒介，其可，舉例來說，包含攪棒或一疊波紋板。在某些塔中，欲加熱或冷卻的流體可由填料上方噴灑以便其落下穿過填料，以便空氣及填料的交互作用將隨著流體落下而予其加熱或冷卻。流體接著典型收集在一位於塔底部之盆中。

加熱塔之一應用領域為液化天然氣(LNG)蒸發。液化天然氣塔之一範例是由液化天然氣冷凝器取得冷流體，並在流體返回冷凝器前使用周圍空氣將其加熱。

不同類型的塔之安排為已知，其包含，舉例來說，一逆流塔，其中空氣由塔之相對側進入與離開、或一逆流塔，其中空氣典型經由一或多個位於填料下方之塔下部側之入口進入，並由一風扇出口排空，該風扇出口為向上離開塔頂部，或由側邊離開位於填料上方之塔頂部側中之一出口。

在這類安排中，通常會希望減少必須由風扇給予之能量負載，以汲取所需氣流通過系統。此減少塔之總能量使用並因而使其更具經濟及環保效益。同樣地，通常會希望在填充材料的所有區域各處達到相對均等的氣流速度分布。許多具有所需特性之塔的設計為已知；不過，在此技術中總是存在對改善的氣流管理之需求。

藉由根據本發明之不同實施例之一改善的熱交換塔系統及方法，上述需求至少在某種程度上獲得滿足。

本發明之一實施例包含一熱交換塔，其具有一結構，該結構包含兩相對側阻障壁、一前阻障壁，其具有一低於該結構底部邊緣之一入口開口、及一後阻障壁，其具有一通常位於該結構上部區域之出口、一填充材料，其通常水平橫跨該結構內側的至少一部分，並以一超過該入口開口頂部與低於該出口開口底部之高度配置、及一擋板，其在該塔內側由該後阻障壁向內突出。

另一實施例包含一加熱塔，其具有一結構，該結構包含兩相對側阻障壁、一前阻障壁，其具有一低於該結構底部邊緣之一入口開口、及一後阻障壁，其具有一通常位於該結構上部區域之出口開口、一填充材料，其通常水平橫跨該結構內側的至少一部分，並以一超過該入口開口頂部與低於該出口開口底部之高度配置、及用於阻擋空氣之裝置，其在該塔內側由該後阻障壁向內突出。

尚有另一實施例影響一熱交換塔中之氣流之方法，其包含設置一結構，該結構包含該相對側阻障壁、一前阻障壁，其具有一低於該結構底部邊緣之一入口開口、及一後阻障壁，其具有一通常位於該結構上部區域之出口開口、一風扇，其位於該出口開口、及一填充材料，其通常水平橫跨該結構內側的至少一部分，並以一超過該入口開口頂部與低於該出口開口底部之高度配置，以及使用一擋板引導氣流，該擋板在該塔內側由該後阻障壁向內突出。

因此，為了此處之詳細敘述可獲得更加了解，及為了對此技術之本貢獻可更加領會，此處已相當明白地描述本發明之某些實施例之要點。當然，本發明仍有額外的實施例將於下文敘述，且其將形成附加於此之申請專利範圍之主題。

在此方面，在詳細解釋本發明之至少一個實施例前，需了解本發明在其應用上並未受限於結構細節及在下列敘述中提出或於圖式中說明之部件安排。本發明容許除了所述那些實施例外的實施例並容許以不同方式實行或實現。同樣地，須了解此處所用之措辭及術語和摘要係用於敘述之目的而不應視為限制。

同樣地，那些熟悉此技術者將了解此揭示之基礎概念可輕易用作其他用於實行本發明之數種目的之結構、方法、及系統的基礎。因此，重要的是在這類同等結構不偏離本發明之精神及範圍的情況下，申請專利範圍係視為包含這類同等結構。

經由範例之本發明的較佳實施例現將參照圖式及下文提及之伴隨的元件符號敘述。在一實施例中，一熱交換塔具有一外部結構，其包含相對的前及後阻障壁、一入口側阻障壁，其通常在該結構之下部區域具有一入口開口、一後阻障壁，其通常在該結構之上部區域具有一出口、一填充材料，其通常橫跨四壁內側(且通常配置超過入口頂部並低於出口底部)、及一擋板，其由塔之後阻障壁內側向內突出。亦設置一輔助漂流物消除器、空氣導流翼、及一空氣入口導件。

第1圖為根據本發明之一較佳實施例之一熱交換塔之橫剖面示意圖。此範例中之塔係用作一LNG加熱塔，但本發明之原理可應用至不同應用之塔，包含其他加熱塔及/或冷卻塔。

現轉向第1圖，塔10係顯示具有下部盆12，其可收集熱交換流體、空氣入口14、及前阻障壁16，如所示。入口14典型將為一開側壁，但可存在某些框架。後阻障壁18位於相對入口14及前阻障壁16之另一側，且前及後阻障壁16及18兩者皆為不容許氣流通過之固態壁。在此圖式中未顯示但亦作為阻障壁者將為彼此平行但垂直阻障壁16及18之兩側壁。那些側壁典型延伸塔之較高高度。在一平面圖中，壁16、18及側壁共同形成一矩形外殼。

出口風扇護罩20係設置在空氣入口14對面，並包含動力風扇21，其沿箭頭A標記之方向將空氣向外吹出。塔之上部部分包含前阻障壁22、後阻障壁24、及上部阻障頂26。填充材料30如所示般橫跨塔內側。填充材料30可，舉例來說，為橫向波紋板型的填充包裝材料，或可為任何其他適當的填充材料。填料是設計好的，以便空氣可沿箭頭B所示之方向流入入口14，並接著向上通過填充材料30。一些流體噴嘴32係設置在填充材料30上方，並向下噴灑欲加熱或冷卻的流體至填充材料上。熱交換流體可為清潔水、髒水、或甚至鹽水或其他液體。典型的添加物可使用。在一LNG加熱塔之實例中，在某些情況下，加熱過程實際上由空氣冷凝水，如此一來，比以噴嘴32噴灑所得更多的水將實際收集在盆中。因此，需要一配備(未顯示)以移除塔所產生之過量的水。冷凝水典型非常清潔，因此如果系統以清潔水運轉，其可具有不需以額外成本生產相對清潔供水之優勢，其可用於，舉例來說，其他工業用途。

回到第1圖，在噴嘴32上方為一帶，其包含漂流物消除器34。漂流物消除器為一種由氣流移除所產生的循環水粒子之填料類型，其中該氣流可以其他方式通過出口20離開塔。在所示之特定實施例中，漂流物消除器帶34並未橫跨塔內部空間介於前及後壁間之整個寬度，因為在此實施例中設有內部空間出口空氣擋板36，其將在下文更詳細討論之。同樣在此實施例中，輔助的第二漂流物消除器帶38係設置在漂流物消除器帶34上方，其由擋板36的邊緣部分橫跨。

擋板36之特性及操作現將更詳細敘述之。需了解，接面角落40係由阻障壁18頂部及出口20開端形成，如果擋板36不存在，則空氣將傾向於需要在通常位於角落40內側之區域中以相當銳利的角轉向。同樣地，由於空氣傾向於向上通過整個塔，並接著在出口20由風扇21側向排空，由於風扇21導致的低壓，在沒有擋板36的情況下，空氣將傾向於在此接近角落40之區域中具有額外的高速流動特性。因此，擋板36係設在填充材料30頂部上方及出口20之最低點下方之位置上，並由塔之後壁18向內延伸。在所說明的範例中，擋板36為一固態阻障，其形式為平面或波紋金屬、木材、或纖維強化塑膠。可使用其他完全或本質上非多孔的材料。由於風扇21導致的低壓，足夠的氣流仍通過填充材料30存在通常接近後壁18之區域中，但擋板36幫助保持此氣流在填料30之整個跨距各處之更均勻的速度輪廓。

如一附加的特徵結構，為了降低傾向於發生在擋板36毗連漂流物消除器34之邊緣周圍之相對高的氣流率，漂流物消除器38之一第二輔助厚度係如所示般設置。此第二輔助漂流物消除器38由擋板36及漂流物消除器34之鄰接位置向內部分橫跨一所選距離。輔助漂流物消除器38幫助減少氣流容積，否則在此區域中為高氣流容積。

塔10包含一內部支撐框架結構，其並未圖示以提供所示之特徵結構之明確性。該支撐結構典型為木材、纖維強化塑膠、或金屬框架，其包含圓柱及格樑。該框架為一框架，其支撐外部塔壁、和一內部框架，其支撐塔結構包含填料30、噴嘴32、及漂流物消除器34及38之剩餘部分。擋板36亦可由此框架支撐，或如果需要，可由阻障壁向內懸臂。接著轉向填料30下方及盆12上方之區域，此區域通常為一開放空間，其具有在該處所揭示之前文提及的格狀支撐結構。

如所示，另一協助管理塔10內側之氣流輪廓之特徵結構為配備第一空氣導流翼42、第二空氣導流翼44、及/或第三空氣導流翼46。可使用這些導流翼之任一者或全三者，或可使用額外的導流翼和位於不同位置之導流翼。所示之位置為較佳，但僅經由範例。這些導流翼42、44、及46各自為一平面固態阻障，典型為一平板形式，雖然其可為木材、金屬、塑膠、或任何其他類型的面板材料，並可為波紋板。如上文已提到，雖然輪廓以擋板36控制在一程度，存在於塔之相對側之出口20及風扇21將傾向於汲取更多空氣通過該區域至填料30之右側。各導流翼42、44、及46典型在側壁間延伸塔之深度，並具有經過選擇的高度及位置以協助「轉向」引入之空氣，以便空氣以在填料30各處之相對均勻的氣流分布輪廓向上引導至填料30中。此外，一低壓區域將形成在各導流翼後方，其將幫助轉向低於個別導流翼之空氣。

舉例來說，空氣將傾向於碰撞第一導流翼42，並向上引導進入填料30之左側。稍微較低的空氣將傾向於注入第二導流翼44，並在通常位於導流翼44上方之位置引導進入填料30。另外，沿著盆12上方之相對較低部分橫越的空氣將撞擊第三導流翼46，並因而向上引導進入填料30通常位於導流翼46上方之區域。

如所示，在塔10之一較佳範例中可設置之另一空氣管理特徵結構為空氣入口導件50。空氣入口導件50係裝配至前阻障壁22外側，在前阻障壁22底部或靠近底部並於入口14上方之位置處。此空氣入口導件50在一較佳實施例中以遮篷形狀向外及向下突出，並協助正汲取進入入口14之氣流。尤其是，就某些氣流來自入口14上方來說，已發現空氣入口導件50幫助空氣在接近由前壁22底部形成之角落52的區域中轉向。

因此，第1圖所示之較佳實施例提供四種用於改善通過塔10之氣流管理之機構。一第一機構為配備內部擋板36，其通常為水平擋板形式，並位於填充材料上方及出口20下方。在某些實施例中，可藉由不同地設置擋板來獲得一優勢，例如，在填充材料30上方較高位置處、甚至在出口20之區域中、或在填充材料30下方設置一或多個擋板。此外，在某些應用中之擋板可不完全水平，反而可相對於水平成一角度。

用於改善氣流之一第二機構為在任何所需位置配備輔助漂流物消除器部38，但在所示範例中，其位於由擋板36向內及主要漂流物消除器部34頂部上方之位置。

用於改善氣流之一第三機構為在填料30下方的不同位置配備通常垂直的空氣導流翼42、44、及/或46。一或多個垂直導流翼可設置，且如果需要，可以相對於垂直的某一角度轉向。

用於管理通過塔10之氣流之一第四機構為配備空氣入口導件50，其為一在空氣入口14頂部或其上方由塔之外部壁22向外突出之結構。亦可視需要在入口14之區域中設置輔助轉向導件，或將空氣入口導件50由所示位置向上或向下移動。

當然，各部件的特殊尺寸及其相對於彼此的相對位置和大小將依特定塔的個別需求及大小而定。因此，第1圖不打算顯示比例更不意味任何特殊尺寸或大小。毋寧說，第1圖說明內部向內突出之擋板36、一或多個導流翼42、44、與46、輔助漂流物消除器38、及外部向外突出之空氣入口導件50之位置概念。

本發明之許多特性及優點由詳細的說明書當可明白，因此，意欲以附加的申請專利範圍涵蓋本發明之所有這類落在本發明之真實精神及範圍內之特性及優點。另外，由於為數眾多的修改及變化對那些熟悉此技術者來說當能輕易發想，不希望將本發明限制在所示與敘述之確切構造及操作，因此，可採取落在本發明範圍內之所有適當的修改及均等物。

A．．．箭頭

B．．．箭頭

10．．．塔

12．．．盆

14．．．空氣入口

16．．．前阻障壁

18．．．後阻障壁

20．．．出口風扇護罩

21．．．動力風扇

22．．．前阻障壁

24．．．後阻障壁

26．．．上部阻障頂

30．．．填充材料

32．．．流體噴嘴

34．．．漂流物消除器帶

36．．．擋板

38．．．漂流物消除器帶

40．．．角落

42．．．第一空氣導流翼

44．．．第二空氣導流翼

46．．．第三空氣導流翼

50．．．空氣入口導件

52．．．角落

第1圖為根據本發明之一較佳實施例之一熱交換塔之橫剖面示意圖，其實施如一LNG加熱塔。

A．．．箭頭

B．．．箭頭

10．．．塔

12．．．盆

14．．．空氣入口

16．．．前阻障壁

18．．．後阻障壁

20．．．出口風扇護罩

21．．．動力風扇

22．．．前阻障壁

24．．．後阻障壁

26．．．上部阻障頂

30．．．填充材料

32．．．流體噴嘴

34．．．漂流物消除器帶

36．．．擋板

38．．．漂流物消除器帶

40．．．角落

42．．．第一空氣導流翼

44．．．第二空氣導流翼

46．．．第三空氣導流翼

50．．．空氣入口導件

52．．．角落

Claims (17)

1. 一種熱交換塔，其包含：一結構，其具有兩相對側阻障壁；一前阻障壁，其具有低於該結構之一底部邊緣之一入口開口；及一後阻障壁，其具有通常位於該結構之一上部區域之一出口；一填充材料，其通常水平橫跨至少一部分的該結構之內側，並以超過該入口開口之頂部及低於該出口開口之底部之一高度配置；一擋板，其在該塔內側由該後阻障壁向內突出；及一主要漂流物消除器帶，其通常水平橫跨該塔的至少一部分，其中該主要漂流物消除器及該擋板係位於相同高度且彼此連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之塔，其中該擋板係位於超過該填料之頂部之一高度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之塔，其中該擋板係位於低於該出口開口之一高度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之塔，更包含一輔助漂流物消除器，其設置在該主要漂流物消除器上方，並鄰接該擋板之一向內邊緣。
5. 如申請專利範圍第1項所述之塔，更包含至少一空氣導流翼，其通常沿一垂直方向成一角度，並設置在該填充媒介下方。
6. 一種熱交換塔，其包含：一結構，其具有兩相對側阻障壁；一前阻障壁，其具有低於該結構之一底部邊緣之一入口開口；及一後阻障壁，其具有通常位於該結構之一上部區域之一出口；一填充材料，其通常水平橫跨至少一部分的該結構之內側，並以超過該入口開口之頂部及低於該出口開口之底部之一高度配置；一擋板，其在該塔內側由該後阻障壁向內突出；及一空氣入口導件，其在該入口開口之上方由該前阻障壁向外突出。
7. 一種熱交換塔，其包含：一結構，其具有兩相對側阻障壁；一前阻障壁，其具有低於該結構之一底部邊緣之一入口開口；及一後阻障壁，其具有通常位於該結構之一上部區域之一出口開口；一填充材料，其通常水平橫跨至少一部分的該結構之內側，並以超過該入口開口之頂部及低於該出口開口之 底部之一高度配置；一用於阻擋空氣之裝置，其在該塔之內側由該後阻障壁向內突出；及一主要漂流物消除器帶，其通常水平橫跨該塔的至少一部分，且通常位於該空氣阻擋裝置之高度處，其中該主要漂流物消除器及該空氣阻擋裝置係位於相同高度且彼此連接。
8. 如申請專利範圍第7項所述之塔，其中該空氣阻擋裝置係位於超過該填料之頂部之一高度。
9. 如申請專利範圍第7項所述之塔，其中該空氣阻擋裝置係位於低於該出口開口之一高度。
10. 如申請專利範圍第7項所述之塔，更包含一輔助漂流物消除器，其設置在該主要漂流物消除器上方，並鄰接該空氣阻擋裝置之一向內邊緣。
11. 如申請專利範圍第7項所述之塔，更包含至少一個空氣導流翼，其通常沿一垂直方向成一角度，並設置在該填充媒介下方。
12. 一種熱交換塔，其包含：一結構，其具有兩相對側阻障壁；一前阻障壁，其具有低於該結構之一底部邊緣之一入口開口；及一後阻障壁，其具有通常位於該結構之一上部區域之一出口開口；一填充材料，其通常水平橫跨至少一部分的該結構之內側，並以超過該入口開口之頂部及低於該出口開口之底部之一高度配置；一用於阻擋空氣之裝置，其在該塔內側由該後阻障壁向內突出；及一空氣入口導件，其在該入口開口上方由該前阻障壁向外突出。
13. 一種影響一熱交換塔中之氣流之方法，其包含：設置一結構，其具有相對側阻障壁；一前阻障壁，其具有低於該結構之一底部邊緣之一入口開口；及一後阻障壁，其具有通常位於該結構之一上部區域之一出口開口；一風扇，其位於該出口開口；及一填充材料，其通常水平橫跨該結構之內側的至少一部分，並以超過該入口開口之頂部與低於該出口開口之底部之一高度配置；及使用一擋板引導氣流，該擋板在該塔內側由該後阻障壁向內突出， 其中一主要漂流物消除器帶通常水平橫跨該塔的至少一部分，且通常位於該擋板之高度，其中該主要漂流物消除器及該擋板係位於相同高度且彼此連接，且其中一輔助漂流物消除器係設置在該主要漂流物消除器上方並鄰接該擋板之一向內邊緣。
14. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該擋板係位於超過該填料之頂部之一高度處。
15. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該擋板係位於低於該出口開口之一高度處。
16. 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中至少一空氣導流翼通常沿一垂直方向成一角度，並設置在該填充媒介下方。
17. 一種影響一熱交換塔中之氣流之方法，其包含：設置一結構，其具有相對側阻障壁；一前阻障壁，其具有低於該結構底部邊緣之一入口開口；及一後阻障壁，其具有通常位於該結構上部區域之一出口開口；一風扇，其位於該出口開口；及一填充材料，其通常水平橫跨該結構內側的至少一部分，並以超過該入口開口之 頂部與低於該出口開口之底部之一高度配置；及使用一擋板引導氣流，該擋板在該塔內側由該後阻障壁向內突出，其中一空氣入口導件在該入口開口之上方由該前壁向外突出。