熱氧化器再生器的改進(jìn)的塊通道幾何形狀和布置的制作方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)
[0002] 本專利要求2013年8月30日提交的第14/015, 544號(hào)美國(guó)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)。前 述美國(guó)專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容在此通過(guò)引用并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本公開(kāi)總體涉及包括熱氧化器的轉(zhuǎn)換器，并且更具體地涉及改進(jìn)的塊通道（block channel)幾何形狀和布置。
【背景技術(shù)】
[0004] 熱氧化器具有包括耐火材料的塊（例如，耐火元件），以在各塊與氣態(tài)或液體流之 間進(jìn)行熱交換。通常情況下，熱效率和插頭電阻（plugresistance)都是塊帶來(lái)的問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0005] 圖1示出了具有一組塔架的示例性氧化系統(tǒng)。
[0006] 圖2是示例性塊的標(biāo)準(zhǔn)塊輪廓的視圖。
[0007] 圖3是在沿著通道軸線的方向上觀察的另一示例性塊的視圖。
[0008] 圖4是具有不同有效寬度的另一示例性塊的視圖。
[0009] 圖5描繪了示例性不規(guī)則形狀的塊，并且圖示了有效的塊高度。
[0010]圖6是具有四邊形通道形狀的另一示例性塊的放大橫截面視圖。
[0011] 圖7是在另一示例性塊中的四邊通道的放大橫截面視圖。
[0012] 圖8是包含六邊形通道的另一示例性塊的放大橫截面視圖。
[0013] 圖9是包含六邊形通道的另一示例性塊的放大橫截面視圖。
[0014] 圖10A是具有圓形通道的另一示例性塊的放大橫截面視圖。
[0015] 圖10B是根據(jù)本公開(kāi)的教導(dǎo)具有圓形通道的另一示例性塊的放大橫截面視圖。
[0016] 圖11是圖1的氧化系統(tǒng)的視圖，描繪了系統(tǒng)的代表區(qū)域限定。
[0017] 圖12是另一示例性氧化系統(tǒng)的視圖，描繪了流動(dòng)切換塔架。
[0018] 圖13是另一示例性氧化系統(tǒng)的視圖，描繪了隨著時(shí)間而交替入口的流動(dòng)切換塔 架。
[0019] 圖14是描繪關(guān)于時(shí)間的一般粒子形成的圖形。
[0020]圖15是使用量子 RRK(QuantumRice-Ramsperger-Kassel)("QRRK"）理論描述關(guān) 于時(shí)間的一般粒子形成的另一圖形。
[0021] 圖16是描繪粒子形成的第二狀態(tài)的硅形成的圖形。
[0022] 圖17是描繪滯流點(diǎn)的另一示例性塊的另一示例性通道的放大橫截面視圖。
[0023] 圖18是另一示例性塊的放大橫截面視圖。
[0024] 圖19是六邊形結(jié)構(gòu)化示例性通道的放大橫截面視圖。
[0025] 圖20描繪了另一示例性塊的視圖，圖示了在塊的入口和/或出口壁處環(huán)繞通道的 壁可能具有的修改。
[0026] 圖21是代表在150mm寬度的另一示例性塊內(nèi)發(fā)現(xiàn)的生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)參數(shù)的表格。
[0027] 圖22是代表用于圖21的示例性塊的系統(tǒng)性能的合成塊數(shù)據(jù)的表格。
[0028] 圖23是描繪可被實(shí)施來(lái)計(jì)算插頭電阻值的示例性工藝的流程圖。
[0029] 圖24是描繪可被實(shí)施來(lái)計(jì)算熱效率值的另一示例性工藝的另一流程圖。
[0030] 圖25圖示了實(shí)施圖23和圖24的工藝的示例性系統(tǒng)。
[0031] 圖26圖示了代表在執(zhí)行圖23和/或圖24的示例性工藝的圖25的示例性處理器 平臺(tái)的輸出裝置上顯示的輸出數(shù)據(jù)的表格。
[0032] 圖27A至271是塊的通道的示例性圖案的橫截面視圖。
[0033] 為了澄清多個(gè)層和區(qū)域，各層的厚度在附圖中被放大。只要可能，相同的附圖標(biāo)記 將用于整個(gè)附圖及相關(guān)書(shū)面說(shuō)明中，以指代相同或相似的部分。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 在本文中描述了用于改進(jìn)熱氧化器的塊的插頭電阻和/或熱效率的設(shè)備和方法。 雖然描述了熱氧化器，但是所描述的方法和設(shè)備可適用于其它的轉(zhuǎn)換器塊，包括選擇性催 化還原劑（"SCR")、催化劑等。一個(gè)所描述的示例性設(shè)備包括具有限定內(nèi)壁的多個(gè)通道的 轉(zhuǎn)換器的塊，所述多個(gè)通道在該塊的橫截面視圖中限定了蜂窩圖案。該圖案包括由至少一 個(gè)中央通道和多個(gè)周圍通道組成的規(guī)則的子圖案，所述至少一個(gè)中央通道靠近塊的內(nèi)部。 另外或替代地，規(guī)則的子圖案還可具有兩個(gè)或更多個(gè)中央通道（即，位于所述子圖案的中 央?yún)^(qū)域中并且由多個(gè)周圍通道環(huán)繞的通道）。優(yōu)選地，至少兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)子圖案形成 具有相鄰布置的其它子圖案的所述圖案。另外，該圖案還可包括一些扭曲或廢棄的子圖案 (即，與多數(shù)規(guī)則的子圖案至少偏離到某種程度而形成圖案的子圖案，由此偏離可能在于不 同數(shù)量的周圍通道和/或具有不同尺寸和/或形狀等的至少一個(gè)周圍通道）。
[0035] 另一示例性設(shè)備包括具有限定內(nèi)壁的多個(gè)通道的轉(zhuǎn)換器的塊，所述多個(gè)通道在所 述塊的橫截面視圖中限定了蜂窩圖案。該圖案包括由位于塊的內(nèi)部的至少一個(gè)中央通道和 靠近塊的內(nèi)部的多個(gè)周圍通道組成的規(guī)則的子圖案。每個(gè)中央通道由五個(gè)或更多個(gè)周圍通 道環(huán)繞，并且內(nèi)壁沿著每個(gè)中央通道的周界具有變化的厚度。另外或替代地，規(guī)則的子圖案 還可具有兩個(gè)或更多個(gè)中央通道（即，位于所述子圖案的中央?yún)^(qū)域中并且由多個(gè)周圍通道 環(huán)繞的通道）。優(yōu)選地，至少兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)子圖案形成具有相鄰布置的其它子圖案的 所述圖案。另外，該圖案還可包括一些扭曲或廢棄的子圖案（即，與多數(shù)規(guī)則的子圖案至少 偏離到某種程度而形成圖案的子圖案，由此偏離可能在于不同數(shù)量的周圍通道和/或具有 不同尺寸和/或形狀等的至少一個(gè)周圍通道）。
[0036] 另一示例性設(shè)備包括轉(zhuǎn)換器的塊和多個(gè)通道，所述多個(gè)通道限定內(nèi)壁并且延伸穿 過(guò)該塊的深度，以允許流體從中流過(guò)。靠近塊的內(nèi)部的每個(gè)中央通道由五到十二個(gè)周圍通 道環(huán)繞，并且每個(gè)中央通道具有形狀大于四個(gè)邊的輪廓。每個(gè)周圍通道到其各自的中央通 道的中心是基本等距的。在一些示例中，每個(gè)通道在流體和該塊之間進(jìn)行熱交換。另外或 替代地，規(guī)則的子圖案還可具有兩個(gè)或更多個(gè)中央通道（即，位于所述子圖案的中央?yún)^(qū)域 中并且由多個(gè)周圍通道環(huán)繞的通道）。優(yōu)選地，至少兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)子圖案形成具有相 鄰布置的其它子圖案的所述圖案。另外，該圖案還可包括一些扭曲或廢棄的子圖案（即，與 多數(shù)規(guī)則的子圖案至少偏離到某種程度而形成圖案的子圖案，由此偏離可能在于不同數(shù)量 的周圍通道和/或具有不同尺寸和/或形狀等的至少一個(gè)周圍通道）。
[0037] 所描述的另一示例性設(shè)備包括轉(zhuǎn)換器的塊和多個(gè)通道，所述多個(gè)通道延伸穿過(guò)該 塊，以允許流體從中流過(guò)。每個(gè)通道與加熱腔室的開(kāi)口流體連通，并且塊的內(nèi)部中的每個(gè)中 央通道由五到十二個(gè)周圍通道環(huán)繞。每個(gè)周圍通道到其各自中央通道的中心或各自圖案或 子圖案的各自中央?yún)^(qū)域是基本等距的，并且每個(gè)通道在流體和該塊之間進(jìn)行熱交換。
[0038] 所描述的另一設(shè)備包括多個(gè)通道，所述多個(gè)通道延伸穿過(guò)轉(zhuǎn)換器的塊，以允許流 體從中流過(guò)。塊的內(nèi)部中的每個(gè)中央通道具有大于四個(gè)邊的形狀，并且由五個(gè)或更多個(gè)周 圍通道環(huán)繞。每個(gè)周圍通道到其各自中央通道的中心是基本等距的，并且中央通道的液壓 直徑與通道之間的內(nèi)壁厚度的比率大約等于從0. 58到6. 53的范圍內(nèi)的值。
[0039] 優(yōu)選的示例性設(shè)備由粘土制成，由此可相對(duì)于粘土以適當(dāng)?shù)臐舛忍砑踊蚧旌细鞣N 添加劑。這些添加劑可包括以下化合物或由以下化合物組成：碳化物，諸如碳、碳化硅、碳化 鉭、碳化鈦、碳化鋯和/或碳化鎢；和/或氧化物，諸如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋇、二氧化鈦、氧 化鈹、氧化鈷、氧化鐵、三氧化二鐵、氧化鎂、二氧化硅，氧化鋅、二氧化鋯、氧化鈉和/或氧 化鉀；和/或硫族化合物，諸如硫化鎘、硫化鉛、硫化鋅和/或碲化鉛；和/或氟化物，諸如 氟化鋇、氟化鈣、氟化鍶、氟化鋰和/或氟化鈉；和/或用于陶瓷的其它添加劑材料，諸如溴 化銫、氯化銫、氯化鉀、溴化鈉、氯化鈉、碘化鈉、氯化銣、二硼化鈦、二硼化鋯和/或氮化硅。 在第一方面，添加劑的混合物取決于哪種粘土作為原材料，而另一方面是用于形成并產(chǎn)生 示例性裝置的制造工藝的種類或類型，優(yōu)選為耐火元件或塊。制造工藝包括以下步驟：將粘 土與添加劑的適當(dāng)混合物混合；由粘土-添加劑-混合物形成生還部分（greenpart);使 生坯部分干燥；以及最后固化或焙燒生坯部分以接收最終陶瓷產(chǎn)品。形成工藝可優(yōu)選為擠 壓、沖壓或粘結(jié)工藝。在擠壓工藝中，將粘土-添加劑-混合物推送到模具上，以形成生坯 部分，同時(shí)沖壓模具工具或者將沖壓工具壓入粘土-添加劑_混合物的預(yù)形成且徑向穩(wěn)定 的堆疊中，以形成生坯部分。對(duì)于示例性設(shè)備的一些特定設(shè)計(jì)，某些子部件被預(yù)成形（例如 通過(guò)沖壓或射成形技術(shù)），稍后在粘結(jié)工藝中被粘結(jié)到一起（即，該子部件被粘結(jié)或膠接， 以形成最終的生坯部分）。
[0040] 影響粘土-添加劑-混合物的組合物的另一方面以及用于形成工藝和/或固化工 藝的工藝參數(shù)來(lái)自設(shè)備的優(yōu)選使用。為了用作熱氧化器中的耐火元件或塊，由粘土-添加 劑-混合物制成的已固化的陶瓷部分應(yīng)該優(yōu)選包括以下物理屬性：
[0041] ?體積密度：1. 5-3. 5[g/cm3]
[0042] ?熱膨脹 0800C:1. 8-13X106[l/K]
[0043] ?熱容量：600-1400[J/kg/K]
[0044] ?吸水率每{:靜水方法DINVDE0335/2} :0 - 10%
[0045] ?導(dǎo)熱系數(shù)：1. 0-2. 5 [W/m/K]
[0046] -個(gè)所描述的方法包括：確定相關(guān)公式，以增加轉(zhuǎn)換器中的通道的插頭電阻；使 用處理器，利用理論粒子形成來(lái)計(jì)算粒子形成；使用聚結(jié)時(shí)間的一般形式來(lái)計(jì)算堵塞時(shí)間； 反復(fù)計(jì)算卡伯因子（kappafactor);計(jì)算二次因子來(lái)確定通道的插頭電阻結(jié)果；以及輸出 插頭電阻結(jié)果和二次結(jié)果。
[0047] 另一所描述的示例性方法包括：確定相關(guān)公式，以增加轉(zhuǎn)換器中的通道的熱效率； 使用瞬態(tài)熱對(duì)流方程來(lái)計(jì)算系統(tǒng)的瞬態(tài)效應(yīng)；使用處理器，使用通道形態(tài)因子來(lái)計(jì)算對(duì)流 系數(shù)；計(jì)算通道的潤(rùn)濕以及被占據(jù)的區(qū)域；計(jì)算二次參數(shù)，以確定通道的熱效率結(jié)果；以及 輸出熱效率結(jié)果和二次結(jié)果。
[0048] -些所描述的示例涉及包含耐火材料或在熱氧化系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)的其它類似材料的 塊。耐火材料在高溫下保持其形狀和結(jié)構(gòu)，并可包括陶瓷、粘土材料、二氧化硅、氧化鋯、氧 化鋁和/或諸如石灰和氧化鎂的氧化物。耐火材料的主要分類可包括粘土類、氧化鋁類、氧 化鎂、白云石、碳酸鹽、硅石、鋯石等。也存在貴金屬和鐵類耐火材料。
[0049] 熱氧化塊在塊和通過(guò)該塊的流的氣體或液體流之間進(jìn)行熱交換。所述流在腔室中 被加熱，其中流體在放熱反應(yīng)（例如，放熱氧化）中被化學(xué)轉(zhuǎn)化。所公開(kāi)的示例涉及塊（例 如，耐火元件）的橫截面設(shè)計(jì)。所公開(kāi)的示例還描述計(jì)算用于通道的尺寸特征（例如，蜂窩 (cell)、流道（passage))，或任何其它相關(guān)的關(guān)鍵特征。用于限定流過(guò)該塊的氣體或液體流 的參數(shù)可包括通道液壓直徑、內(nèi)壁寬度和外壁寬度。這些參數(shù)涉及系統(tǒng)的流量和熱特性的 流體性質(zhì)，也會(huì)影響該塊的最終堵塞。液壓直徑涉及到其各自周界的橫截面面積，并且通常 用于計(jì)算管流的雷諾數(shù)。隨著包含雜質(zhì)的氣體或液體將粒子施加到通道上，堵塞可能會(huì)發(fā) 生，粒子可附著到通道的表面壁，并且最終這些粒子可能會(huì)堵塞（例如，阻塞）通道。通過(guò) 使用抗粘合劑涂層（例如，