交叉波纹状介质及相关方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年9月25日提交的标题为“Cross Corrugated Media andRelated Method”的美国临时专利申请号62/736,135的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

数十年来，交叉波纹状介质或填充物已经成为冷却塔和滴滤器市场中的标准产品，并且还可以用于油/水分离、生物塔、硝化塔、除雾器以及相关系统和市场。交叉波纹状介质产品自其最早构型以来，其总体构型几乎没有变化，并且已成为这些市场的商品。基本的变化，诸如有限的微结构特征和专用胶合剂，对交叉波纹状介质产品来说是相对较新的、很小的变化。交叉波纹状介质产品在这些市场上没有制造商区分，也没有针对这些不同的应用(诸如油/水分离、生物塔、硝化塔、除雾器)对其设计进行典型修改。

特定于冷却塔行业，基于改造满足应用要求、提高现有塔的性能容量并基于改进的塔性能来减小新冷却塔设计的尺寸的新产品的能力来区分交叉波纹状介质产品将是有利的。可以表征冷却塔性能的方法之一是比较满足其预期运行条件所需的风扇马力的量。通过用改善性能的替换交叉波纹状介质代替原始的、常规的交叉波纹状介质来改善冷却塔的整体性能对于填充物制造商和冷却塔所有者将是有利的。另外，通过设计和安装与现有的塔相比更小并且具有相同或改进的性能的塔来提高冷却塔的整体性能对于填充物制造商和塔所有者将是有利的。

交叉波纹状填充物的典型设计包括简单的交叉波纹梯形瓦楞几何形状，其在梯形中具有线性侧壁。这些填充产品具有设计为增加填充物的表面积并混合在填充物中的微结构的表面上流过的水膜的特征或“微结构”。增加的表面积使大量的水膜暴露于膜中的气流。由于填充物热性能取决于提高水向气流中的传质速率，因此改变微结构可能带来好处；然而，导致整个组装的填充产品的压降的任何微结构的变化可能降低塔的整体性能。

交叉波纹状填充物的设计性能的一个方面是促进水在填充片材的表面上的完全分布。水在表面上的完全分布增加了与空气接触的水的有效表面积，并实现了更高的传质效率。整体的水分布的权衡通常是由表面变化产生的压降，并且实际上，整体性能不会显著变化，因为更高的热性能被克服压降的变化而增加的马力所抵消或者针对相同马力，实现气流的减少。

冷却塔的容量取决于通过填充物的空气的量。进一步减小特定填充物的压降以使得现有的马力风扇提供空气通过填充物的更大质量流量将是有利的。通过塔的增加的空气流量通常使得单元能够在给定的一组操作条件下达到较冷的出口水温或冷却大量的水。

设计、构造和展开与已知的填充产品相比在提高的热性能情况下维持较低的压降的交叉波纹状介质或填充物将是有利的。交叉波纹状介质和填充物包装的优选实施例对于特定的操作条件和应用通过平衡压降与微结构的增加的表面积来解决现有技术介质和填充物的缺点。

发明内容

简而言之，优选的发明涉及交叉波纹状填充物包装组件，用于使用沿基本相反的方向流过所述包装的气体来冷却流过所述包装的流体。交叉波纹状填充物包装组件包括第一片材和第二片材。所述第一片材限定纵向轴线，并且具有第一端、第二端和从所述第一端朝向所述第二端延伸的第一多个瓦楞。在所述第一片材上限定第一微结构，所述第一微结构包括第一顶部扁平条、第一底部扁平条和将所述第一顶部扁平条连接到所述第一底部扁平条的第一导管侧。多个第一半径将所述第一顶部扁平条连接到所述第一导管侧，并且将所述第一底部扁平条连接到所述第一导管侧。第一多个瓦楞相对于纵向轴线以第一螺旋角延伸。所述第一螺旋角为大约零至四十五度。所述第二片材具有第二多个瓦楞。在所述第二片材上限定第二微结构，所述第二微结构包括第二顶部扁平条、第二底部扁平条和将所述第二顶部扁平条连接到所述第二底部扁平条的第二导管侧。第一微结构和第二微结构在填充物包装组件的纵向方向和横向方向两者上通常是弓形的或波浪形的，或者优选地沿着微结构的几乎任何横截面形成正弦波状。另外，如图5所示，宏观结构或承载微结构12的瓦楞在其横截面中也优选成角形，限定沿着基本上垂直于瓦楞的纵向方向的线截取的基本上正弦波状的波，其与已知片材中的典型的梯形瓦楞相反。多个第二半径将所述第二顶部扁平条连接到所述第二导管侧，并且将第二底部扁平条连接到所述第二导管侧。第一片材以组装构型连接到第二片材，其中第一多个瓦楞以组装构型延伸到纵向轴线的相对于第二多个瓦楞的相对侧。

在另一方面，优选的发明涉及交叉波纹状填充物包装组件，用于使用沿基本相反的方向流过所述包装的气体来冷却流过所述包装的流体。交叉波纹状填充物包装组件包括第一片材和第二片材。所述第一片材限定纵向轴线，并且具有第一端、第二端和从所述第一端朝向所述第二端延伸的第一多个瓦楞。在所述第一片材上限定第一微结构，所述第一微结构包括第一顶部扁平条、第一底部扁平条和将所述第一顶部扁平条连接到所述第一底部扁平条的第一导管侧。多个第一半径将所述第一顶部扁平条连接到所述第一导管侧，并且将所述第一底部扁平条连接到所述第一导管侧。第一多个瓦楞相对于纵向轴线以第一螺旋角延伸。所述第一螺旋角为大约零至四十五度。所述第二片材具有第二多个瓦楞。在所述第二片材上限定第二微结构，所述第二微结构包括第二顶部扁平条、第二底部扁平条和将所述第二顶部扁平条连接到所述第二底部扁平条的第二导管侧。多个第二半径将所述第二顶部扁平条连接到所述第二导管侧，并且将第二底部扁平条连接到所述第二导管侧。第一片材以组装构型连接到第二片材，其中第一多个瓦楞以组装构型延伸到纵向轴线的相对于第二多个瓦楞的相对侧。

在另一方面，优选的发明涉及用于组装到用于冷却冷却塔中的冷却介质的填充物包装中的填充片材。填充片材包括第一端和第二端，所述第二端基本上平行于第一端并且相对于纵向轴线大致垂直地延伸。第一端和第二端基本上平行于填充片材的横向轴线延伸。多个瓦楞从所述第一端朝向所述第二端以第一螺旋角延伸。在多个瓦楞上限定微结构。微结构包括第一顶部扁平条、第一底部扁平条和将所述第一顶部扁平条连接到所述第一底部扁平条的第一导管侧。多个第一半径将所述第一顶部扁平条连接到所述第一导管侧，并且将所述第一底部扁平条连接到所述第一导管侧。

附图说明

当结合附图阅读时，将更好地理解前述概述，以及以下对优选的本发明的详述。出于说明本发明的目的，图式中示出了当前优选实施例。然而，应理解，本发明不限于所示的精确布置和手段。在附图中：

图1是根据本发明的优选实施例的交叉波纹状介质或填充物包装或组件的顶部透视图；

图2是图1的交叉波纹状包装的第一片材的顶部平面图；

图3是沿图2的线3-3截取的图2的第一片材的剖视图；

图4是从图3的形状4内截取的图2的第一片材的放大剖视图；

图5A是沿图2的线5-5截取的图2的第一片材的瓦楞或宏观结构的截面图；并且

图5B是沿图2的线5-5截取的尺寸增加的图2的第一片材的瓦楞或宏观结构的截面图。

具体实施方式

在以下描述中，仅为了方便而不是为了限制来使用某些术语。除非在本文中明确地阐述，否则术语“一个(a/an)”和“所述”不限于一个元件，而是应解读为意味着“至少一个”。词语“右”、“左”、“下”和“上”表示在所参考的附图中的方向。词语“向内”或“向远侧”和“向外”或“向近侧”是指分别朝向和远离填充物包装及其相关部分的几何中心的方向。术语包括以上列出的词语、其衍生词和具有类似含义的字词。

还应理解，在本文中在参考本发明的部件的尺寸或特性时使用的术语“约”、“近似”、“大体”和“基本上”等术语指示所描述的尺寸/特性不是严格边界或参数，并且不排除其功能上相同或类似的微小变化，如本领域的普通技术人员将理解。至少，包括数值参数的此类参考将包括使用本领域中接受的数学和工业原理(例如，舍入、测量结果或其他系统误差、制造公差等)将不会改变最低有效位的变化。

参考图1至图4，优选的本发明涉及总称为100的交叉波纹状介质、填充物包装或组件。交叉波纹状介质、填充物包装或组件10优选地由多个堆叠并接合的填充片材10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p组成。在第一优选实施例中，交叉波纹状介质或填充物包装100包括十六(16)个堆叠并接合的填充片材，其包括第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五和第十六填充片材10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p，但不限于此，并且可以由堆叠并接合以限定交叉波纹状介质或填充物100的两(2)个或更多个片材10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p组成。交叉波纹状介质或填充物100以及片材10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p中的每一个限定大体上纵向延伸的纵向轴线14和相对于片材10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p大体上横向延伸的横向轴线16。穿过填充物包装100的空气和水通常在片材10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p的第一端和第二端11a、11b之间沿着纵向轴线14流动。填充片材10a、10b、10c、10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p在本文中一般用附图标记10描述。

在优选实施例中，片材10中的每一个具有约19毫米(19mm)的瓦楞高度H

优选的交叉波纹状介质或填充物100的每个片材10包括第一部分22和第二部分24。第一部分22在中央行连接器18c与第一端11a之间延伸，并且下部部分24在中央行连接器18c与第二端11b之间延伸。片材10不限于包括第一部分和第二部分22、24，并且可以由单个部分(诸如作为第一片材10a的上部部分的第一部分22或作为第一片材10a上的下部部分的第二部分24)组成，或者取决于设计者的偏好、优选功能、尺寸限制或其他因素，可以包括与第一部分和第二部分22、24连接或一体形成的附加部分。在优选实施例中，多个瓦楞20包括在第一部分22上的第一多个瓦楞20和在第二部分24上的第二多个瓦楞20，其中第一多个瓦楞20以第一螺旋角Δf1延伸并且第二多个瓦楞20以第二螺旋角Δf2延伸。第一部分22优选地通过大致平行于横向轴线16延伸的中央行连接器18c与第二部分24分开。螺旋角Δ

在优选实施例中，片材10包括瓦楞或波纹20，其在气流方向28上引导气流在第一端和第二端11a、11b之间通过第一部分和第二部分22、24。瓦楞20在第一部分22中限定第一螺旋角Δ

优选地，片材10沿着多行连接器18彼此连接，以限定组装的填充物10。通常由附图标记18标识的多行连接器18优选地包括靠近第一端11a的第一端行18a、靠近第二端11b的第二端行18b、优选地在第一端和第二端11a、11b之间居中的中央行18c以及分别定位在第一端11a和中央行18c之间以及第二端11b和中央行18c之间的两个中间行18d。包括第一端行18a、第二端行18b、中央行18c和中间行18d的连接器18不限于定位在所描述的位置处或具有附图中所示的构型，但是优选地被设计和配置成诸如通过压紧锁定、紧固、夹紧、粘合剂粘结或其他连接机构或方法将片材10对准并连接到填充物包装100中。在优选实施例中，第一片材10a以组装构型连接到第二片材10b，其中第一片材10a的第一多个瓦楞20以组装构型相对于第二片材10b的第二多个瓦楞20延伸到纵向轴线14的相对侧，并且第一片材10a的第一端11a定位在第二片材10b的第二端11b附近。另外，第三片材10c优选地连接到第二片材10b，其中第三片材10c的多个第三瓦楞20相对于第二片材10b的第二多个瓦楞20延伸到纵向轴线14的相对侧。同样，其余的第四、第五、第六、第七、第八、第九、第十、第十一、第十二、第十三、第十四、第十五和第十六片材10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p分别优选地连接到它们的相邻片材10d、10e、10f、10g、10h、10i、10j、10k、10l、10m、10n、10o、10p，使得瓦楞20分别延伸到纵向轴线14的相对侧。填充物包装100不限于此类布置，例如，瓦楞20可以大体上平行于纵向轴线14延伸，可以利用偏移(未示出)，或者可以利用其他方法来配置相邻的片材10。特别是如果被设计成由于波纹或20以组装构型以螺旋角Δ

优选的交叉波纹状介质或填充物100的每个片材10的微结构12包括相对较深的、起伏的且连续的结构。微结构12优选地基本上平行于横向轴线16以及第一端和第二端11a、11b延伸，但是不限于此，并且可以相对于横向轴线16成一定角度延伸或者可以被配置成V形形状。优选的微结构12允许水在使用期间跨片材10的宽度或跨横向轴线16并且沿着片材10的长度或沿着纵向轴线14扩散，以改善水在填充片材10上的分布。相对较深的、弓形的且连续的水平微结构12有助于将片材10的基本所有表面区域用作填充物包装100内的传热表面。当水向下流到组装的填充片材10时，如果发生窜流或汇集以促进在片材10的整个宽度上形成一致的水膜，则微结构12不断地使水重定向。微结构12基本上包括填充片材10的整个表面，除了基本上平行于横向轴线16延伸的多行连接器18、18a、18b、18c、18d以外。片材10不限于包括第一端行连接器18a、第二端行连接器18b、中央行连接器18c和中间行连接器18d中的每一者，但是优选地包括沿着第一端和第二端11a、11b延伸的第一端行和第二端行18a、18b。连接器18优选地被配置成将片材10一起固定在填充物包装100中，并且可以在片材10上的几乎任何期望的位置处包括任意数量的连接器18，以促进片材10连接到填充物包装100中。优选地，根据特定的应用和设计者的喜好来设计连接器18，以促进将片材10牢固地接合在包装100中。对于优选实施例的弧形起伏状的微结构12，对通常沿着纵向轴线14从第一端11a到第二端11b的竖直水流的阻碍可以在水平微结构12的顶部上形成较厚的膜，并且有利于水膜在填充物包装100中的片材10的整个宽度上横向地完全侧向分布，从而能够实现水膜的一致分布和水在水流方向26上的流动。

在1991年8月17日提交的标题为“Heat Exchanger for Cooling Tower–hasElements with Zigzag Grooved for Flow of Water in Opposite Direction to Flowof Gat”的德国专利申请号DE 41 27 245(“245-APP”)中描述的交叉波纹状填充物的性能被测试并且与CF1900比较。根据245-APP构造的填充片材在表面元件或片材1的微结构的导管侧和扁平条之间具有尖锐的过渡。245-APP指出：“该细轮廓以一定角度延伸到通道轮廓的方向，所述角度近似对应于通道相对于气体和液体的主流方向的倾斜角。细轮廓在安装状态下所得的近似水平延伸导致液体保持在相应的流动通道内的通道的边缘上，尽管倾斜的通道路线没有离开通道边缘。”由于尖锐的过渡，湍流在液体膜中在从轮廓峰到轮廓谷或从轮廓谷到轮廓峰的过渡处产生，这促进了热交换和质量传递。即使螺旋角减小了，根据245-APP构造的成包片材的压降也高于CF1900的压降，尽管热性能也提高。根据245-APP构造的填充物的整体性能低于现有的CF1900，这是因为未被热性能的提高所抵消的压降显著增加。

在优选的交叉波纹状填充物包装100中，填充片材10包括内圆角或半径12a，所述内圆角或半径12a被添加到微结构12中以提供弓形结构，相比之下，锐角存在于根据245-APP构造的片材的水平微结构上。如图4所示，半径12a具体地形成在优选微结构12的峰和谷处的顶部扁平条和底部扁平条12b与在扁平条12b之间延伸的导管侧12c之间的过渡处。优选的微结构12的导管侧12c基本上是在相邻的扁平条12b之间或顶部扁平条12bt和底部扁平条12bb之间过渡的半径12a之间的拐折线12c，但不限于此，并且取决于设计者的偏爱、微结构12的尺寸、功能考虑因素或其他因素，导管侧12c可以由扁平或其他形状的部分组成。第一片材10a的第一导管侧或拐折线12c优选地定位在多个第一半径12a的第一半径12a和第二半径12a之间，第一半径12a和第二半径12a将第一扁平顶部条12bt连接到第一底部平坦条12bb。还测试了优选的交叉波纹状填充物包装100，并且结果表明，在根据微结构中具有急剧过渡的245-APP构造的交叉波纹状包装的至少一种情况下，不仅在操作期间压降更低，而且热性能保持相同或提高。这是出乎意料的，因为压降的降低通常伴随着热性能的降低。因此，与标准CF1900产品和根据245-APP构造的包装相比，由优选的片材10构造的所得的优选填充物包装100对于至少相同或更高的热性能而言具有显著更低的压降，并且具有显著更高的总体塔性能，如以下表1所示。

第一片材10a包括第一微结构12，所述第一微结构12包括第一顶部扁平条12bt、第一底部扁平条12bb和将第一顶部扁平条12bt连接到第一底部扁平条12bb的第一导管侧12c。第一片材10a还包括多个第一半径12a，所述多个第一半径12a将第一顶部扁平条12bt连接到第一导管侧12c，并且将第一底部扁平条12bb连接到第一导管侧12c。第一多个瓦楞20相对于纵向轴线14以第一螺旋角Δ

第二片材10b包括第二多个瓦楞20和在第二片材10b上限定的第二微结构12。附加片材10还包括瓦楞20和微结构12，并且被设计并配置成与第一片材和第二片材10a、10b基本上相同。第二片材10b的微结构12包括第二顶部扁平条12bt、第二底部扁平条12bb和将第二顶部扁平条12bt连接到第二底部扁平条12bb的第二导管侧12c。多个第二半径12a将第二顶部扁平条12bt连接到第二导管侧12c，并且将第二底部扁平条12bb连接到第二导管侧12c。第一片材10a以组装构型连接到第二片材10b，其中第一多个瓦楞20以组装构型相对于第二多个瓦楞20延伸到纵向轴线14的相对侧。第一片材10a优选地连接到填充物包装100中的第二片材10b，以使得第一片材10a的第一端11a定位在第二片材10b的第二端11b附近，使得瓦楞20处于交叉波纹状构型，其中第二片材10b相对于第一片材10a旋转大约一百八十度。在优选实施例中，第一片材10a包括沿第一端11a延伸的第一端行连接器18a和沿第二端11b延伸的第二行连接器18b。第二片材10b还包括在第一端处的第一端行连接器18a和沿着第二端延伸的第二端行连接器18b，使得在填充物包装100的组装构型中，第一片材10a的第一端行连接器18a连接到第二片材10b的第二端行连接器18b，并且第一片材10a的第二端行连接器18b连接到第二片材10b的第一端行连接器18a。第一片材和第二片材10a、10b的中央行连接器18c和第一片材和第二片材10a、10b的对准的中间行连接器18d也附接在填充物包装100中。在优选实施例中，第一端行连接器和第二端行连接器18a、18b、中央行连接器18c和中间行连接器18d由多个连接器突片组成。

参考表1，在测试CF1900交叉波纹状填充物、根据245-APP构造的交叉波纹状填充物和优选的交叉波纹状填充物包装100中的每一个过程中，确定了风扇马力达到相同的冷水温度。相对于基线CF1900以及对于按照245-APP构造的具有尖锐微结构的包装，微结构的密度和高度增加，但是优选的填充物包装100的产品构型基本上相同，除了包括在扁平条12b和导管侧12c之间的内圆角12a之外，所述导管侧基本上由优选片材10的相邻内圆角12a之间的拐折线组成。由于优选的交叉波纹状填充物包装100的较高的热性能或效率，所需的气流减少了，这本身也导致所需的风扇马力的降低和较高的总体塔性能。如下表1所示，在每种情况下，优选的交叉波纹状填充物包装100以低于CF-1900填充物包装和245-APP填充物包装的风扇功率百分比运行以实现相同的冷水温度，以少于根据245-APP的教导构造的填充物包装的风扇功率的七又十分之七至三十五又十分之八(7.7-35.8％)之间的功率运行。

表1.塔性能比较

当将根据245-APP构造的包装和优选的交叉波纹状填充物包装10与CF1900填充物进行比较时，必须注意，对于根据245-APP构造的包装和优选的交叉波纹状填充物包装100，螺旋角从三十度(30°)减小到二十度(20°)。根据表1中的结果，当与根据245-APP构造的包装相比，CF1900在相同的热性能下具有更低的压降。

优选的交叉波纹状包装100的片材10的微结构12的形状在操作期间影响空气-水界面处的水表面的形状。根据245-APP构造的包装的尖锐微结构在水膜流动的上游产生堰效应。这种效应显著增加水膜的厚度(也称为水滞留)。取决于用水率，根据245-APP构造的填充物的“堰”处的这种流体膜的厚度有时可能比微结构的实际高度大得多。流体膜厚度的这种增加通过减小允许空气在组装的填充片材之间流动通过的横截面积而阻碍根据245-APP构造的填充物中的空气流动。柔软的微结构由于粘附到表面上而不会阻挡水，并且因此，空气-水界面更紧密地遵循微结构的形状。这种现象的假象是，在填充物包装100内的优选片材10上较薄的更多的水分布层不会产生在根据245-APP构造的填充物包装的片材的表面上看到的厚的水袋构造，从而导致水滞留。因此，对气流的阻抗通过在填充物包装100内的优选的片材10的较软且弓形的微结构12而降低，从而减小在空气流动方向28上流过填充物包装100的空气的压降。

在优选的交叉波纹状填充物包装100上以及在根据245-APP构造的包装上的用水率影响填充物包装100和根据245-APP构造的填充物包装的表面上的水的厚度，并且在不同的水负荷下导致热性能和压降的差异。相邻微结构表面的接近度(即，连续的水平肋或顶肋之间的空间)驱动水能够桥接或粘附到两个表面(设计上固有的)并填充(不是设计上固有的)在微结构上。较大的距离破坏水的表面张力，并允许微结构12的表面主导有效表面积，从而驱动更薄、分布更均匀的膜，并基于与空气和填充物表面的界面摩擦而改善膜内的混合。优选的片材10的微结构12的圆角设计或相对光滑且弧形的半径12a不支持水在微结构12的表面上的桥接，所述微结构12包括半径12a、扁平条12b和导管侧12c。

结构化的片材填充产品，包括优选的交叉波纹状填充物包装100，被配置为处理在安装过程中和在操作中施加的结构载荷。通常，基于瓦楞20和微结构12的几何形状的构型，填充物包装100在为应用选择的量规中的压缩强度是足够的。根据产品设计的结构性能，在片材10中添加结构肋(未示出)可能是优选的，而专注于热性能和压降取决于产品的应用。这些结构肋基本上切穿微结构12，在那里它们还可以提供排水以使水直接流过填充物包装100，从而限制水暴露于气流。如果将结构肋结合到优选的片材10中以针对变化的填充量规实现结构完整性，则可以预期热性能的小的变化。

优选的波纹状填充片材10的第一螺旋角和第二螺旋角Δ

参考图2、图5A和图5B，优选实施例的瓦楞20优选为波浪形或具有沿相对于瓦楞20基本上垂直的线截取的正弦形形状。瓦楞20如上所述具有瓦楞高度H

由于这些原因，优选的交叉波纹状介质或填充片材10和组装的填充物包装100的设计是新颖的、有创造性的，并且相对于市场上提供的现有商品具有显著的商业价值。

本领域的技术人员将了解，在不脱离本发明的广泛发明构思的情况下，可对上述优选实施例做出改变。因此，应理解，本发明不限于所公开的特定实施例，而是旨在覆盖在由本公开限定的本发明的精神和范围内的修改。