包括歧管的熱交換器的制造方法
【專利說明】包括歧管的熱交換器
[0001]本申請要求2012年10月31日提交的美國臨時申請N0.61/720，591、2012年10月16日提交的美國臨時申請N0.61/714，538的優(yōu)先權，該兩申請的全部內(nèi)容通過引用合并于此。
技術領域
[0002]本發(fā)明涉及在流體之間傳遞熱量，并且更具體地涉及利用熱交換板在流體間傳遞熱量。
【背景技術】
[0003]全世界的熱帶大洋和大海提供了獨特的可再生能源資源。海洋熱能轉(zhuǎn)換(“0TEC”)是利用在海洋的熱帶區(qū)域中作為熱量存儲的太陽能來產(chǎn)生可再生能源的一種方式。OTEC過程利用表面熱帶海水與深層熱帶海水之間的溫差來驅(qū)動熱機以產(chǎn)生電能。在深度為100英尺或者更淺的海洋表面找到了 OTEC熱機所需的熱水。在2700英尺和4200英尺之間的深度或者更深處找到了用于冷卻OTEC發(fā)動機的恒定冷水來源。由于在人口中心附近乃至大陸塊通常都找不到這樣的深度，因此離岸電站是必須的。
[0004]已提出具有高效的、多級熱交換系統(tǒng)的浮式的低起伏(low heave)的OTEC電站，其中熱水供給管道和冷水供給管道以及熱交換器在結構上與浮式平臺一體化，并且被用來驅(qū)動熱機。進而，熱機驅(qū)動發(fā)電機，由此獲得電力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)電站利用海洋熱能轉(zhuǎn)換工序作為動力源。
[0006]進一步的方面涉及具有高效、多級熱交換系統(tǒng)的浮式的低起伏的OTEC電站，其中熱水供給管道和冷水供給管道以及熱交換器模塊在結構上與電站的浮式平臺或結構一體化。
[0007]在本發(fā)明的示例實施的一些方面，熱交換器包括以如下方式堆疊配置的兩個或更多個熱交換器板:使得各熱交換器板與相鄰的熱交換器板分隔開，相鄰的熱交換板之間的間隔限定了外部流體通路，各所述外部流體通路被構造為接收第一流體。各熱交換器板包括:周緣；被構造為接收第二流體的內(nèi)部流體通路；和在所述周緣處開口的進入所述內(nèi)部流體通路的入口，與各熱交換器板的所述入口流體連通的歧管。
[0008]在本發(fā)明的其他示例實施中，熱交換器可以包括以下特征中的一個或多個:歧管包括在與由熱交換板限定的平面垂直的方向上延伸的歧管室。歧管包括從各熱交換板的周緣的一部分突出的突出部，其中各突出部包括與內(nèi)部通路流體連通的突出部通路，各突出部包括阻止了突出部通路的開口，各突出部的開口在與由熱交換板限定的平面垂直的方向上對齊并且該開口限定歧管室，歧管室的內(nèi)表面包括接合部，該接合部對應于在一個突出部的突出部通路的第一表面和相鄰的突出部的突出部通路的第二表面之間的連接部。各板的突出部被包封到剛性材料中。各板的突出部被包封到不透液的材料中。歧管被至少部分地包封在剛性材料中。歧管被構造為連接到第二熱交換器的歧管以使得各歧管處于流體連通的狀態(tài)。
[0009]在本發(fā)明的其他的示例實施中可以包括以下特征中的一個或多個:各板包括第一外部熱交換表面和與第一外部熱交換表面相反的第二外部熱交換表面，當使用熱交換器時，第一外部熱交換表面與第二外部熱交換表面與第一流體流體接觸。熱交換器包括內(nèi)部流體通路的出口，該出口在周緣處開口，歧管與各熱交換器板的出口流體連通，歧管包括第一歧管室和第二歧管室，第一歧管室被構造為將第二流體供應到內(nèi)部流體通路的入口，第二歧管室被構造為接收來自內(nèi)部流體通路的出口的第二流體，其中第一歧管室與第二歧管室隔離。第一歧管室與第二歧管室的容積不同。在熱交換器板的平面狀的內(nèi)部表面和熱交換器板的非平面狀的內(nèi)部表面之間限定內(nèi)部通路。各熱交換器板包括非平面的第一熱交換表面和平面的、與第一熱交換表面相反的第二熱交換表面，熱交換器板的堆疊配置包括以使得堆疊體的一個板的第一熱交換表面面對該堆疊體的相鄰的板的第二熱交換表面的方式配置熱交換器板。內(nèi)部流體通路從板的僅一個側(cè)向外膨脹，由此板的第一側(cè)包括與內(nèi)部流體通路的位置相對應的向外突出的區(qū)域，而板的第二側(cè)沒有變形。內(nèi)部流體通路包括多個微型通道。
[0010]在一些示例實施中，兩個或更多個熱交換器板上下堆疊。在其他方面中，該兩個或更多個熱交換器板水平堆疊。熱交換器板能夠以滿足以下條件的任何方式配置:在各單個的熱交換器板之間存在間隙，以允許流體圍繞并且流動經(jīng)過各熱交換器板。
[0011]在進一步的示例實施中，熱交換器包括堆疊配置的熱交換器板，以使得各熱交換器板與相鄰的熱交換器板分隔開，相鄰的熱交換器板之間的間隔限定了外部流體通路，各外部流體通路被構造為接收第一流體。各熱交換器板包括:周緣，被構造為接收第二流體的內(nèi)部流體通路，進入內(nèi)部流體通路的第一端的、在周緣處開口的入口，來自內(nèi)部流體通路的第二端的、在周緣處開口的出口，具有供應室和排出室的歧管，供應室與各熱交換器板的入口流體連通，排出室與各熱交換器板的出口流體連通。
[0012]在本發(fā)明的其他示例實施中可以包括以下特征中的一個或多個:歧管供應室和歧管排出室均在與由熱交換板限定的平面垂直的方向上延伸。歧管包括從各熱交換板的周緣的一部分突出的突出部，其中各突出部包括與內(nèi)部流體通路入口流體連通的突出部入口通路和與內(nèi)部流體通路出口流體連通的突出部出口通路，各突出部包括阻止了突出部入口通路的突出部入口開口和阻止了突出部出口通路的突出部出口開口，各突出部的突出部入口開口限定歧管供應室，并且歧管室的內(nèi)表面包括接合部，該接合部對應于在一個突出部的突出部入口通路的第一表面和相鄰的突出部的突出部入口通路的第二表面之間的連接部，各突出部的突出部出口開口限定歧管排出室，并且歧管排出室的內(nèi)表面包括接合部，該接合部對應于在一個突出部的突出部出口通路的第一表面和相鄰的突出部的突出部出口通路的第二表面之間的連接部。各板的突出部被包封到剛性材料中。各板的突出部被包封到不透液的材料中。歧管至少被部分地包封到剛性材料中。歧管被構造為連接到第二熱交換器的歧管以使得各歧管流體連通。各板包括第一外部熱交換表面和與第一外部熱交換表面相反的第二外部熱交換表面，當使用熱交換器時，第一外部熱交換表面與第二外部熱交換表面與第一流體流體接觸。歧管供應室和歧管排出室的容積不同。
[0013]在本發(fā)明的其他的示例實施中可以包括以下特征中的一個或多個:在熱交換器板的平面狀的內(nèi)部表面和熱交換器板的非平面狀的內(nèi)部表面之間限定內(nèi)部通路。各熱交換器板包括非平面的第一熱交換表面和平面的、與第一熱交換表面相反的第二熱交換表面，熱交換器板的堆疊配置包括以使得堆疊體的一個板的第一熱交換表面面對該堆疊體的相鄰的板的第二熱交換表面的方式配置熱交換器板。內(nèi)部流體通路從板的僅一個側(cè)向外膨脹，由此板的第一側(cè)包括與內(nèi)部流體通路的位置相對應的向外突出的區(qū)域，而板的第二側(cè)沒有變形。內(nèi)部流體通路包括多個微型通道。
[0014]在本發(fā)明的一些示例實施中，熱交換器包括堆疊的熱交換器板，各熱交換器板包括被構造為接收第一流體的內(nèi)部流體通路、第一外表面和與第一外表面相反的第二外表面。第一外表面是平面的，第二外表面包括與熱交換器板中的內(nèi)部通路的位置對應的突出區(qū)域，并且熱交換器板沿著與第一外表面垂直的軸線堆疊，以使得一個熱交換器板的第一外表面面對相鄰的熱交換器板的第二外表面。
[0015]再一示例實施包括以下特征的一個或多個:以使得一個熱交換器板的第一外表面與相鄰的熱交換器板的第二外表面分隔開的方式配置熱交換器板。當使用熱交換器時，第一外表面與第二外表面均與第二流體流體接觸。
[0016]在本發(fā)明的一些方面中，熱交換器的制造方法包括:提供具有第一側(cè)、第二側(cè)和內(nèi)部流體通路的熱交換器板，所述第一側(cè)提供第一外部熱交換表面，所述第二側(cè)與所述第一側(cè)相反并且提供第二外部熱交換表面。在板中切割開口以使得切割的開口阻止內(nèi)部流體通路；重復上述步驟以形成多個切割板；沿著對準軸堆疊切割板以提供具有對齊的切割開口的板堆疊體，接合切割開口的切割邊緣以使得一個板的第一側(cè)接合到相鄰的板的第二側(cè)，并使得歧管室形成在由各接合的開口至少部分地限定的容積中，歧管室與各內(nèi)部通路流體連通。
[0017]本發(fā)明的示例方面包括可以具有以下附加特征中的一個或多個的方法:將凸緣安裝到板堆疊體的最外側(cè)板的切割開口，并且將接合的板的部分和凸緣的接頭部分包封到塑料中。熱交換器進一步包括從各板的周緣的部分突出的突出部，并且各板的切割開口位于突出部中。熱交換器的突出部被包封到與形成突出部用的材料不同的包封材料中。熱交換器的突出部被包封到塑料中。堆疊包括將以使得一個板的側(cè)部面對相鄰的板的第二側(cè)部的方式配置板。提供具有內(nèi)部流體通路的熱交換器板包括提供第一板金和第二板金；以預定圖案對第一板金的表面涂布結合防止劑；以使得結合劑位于第一片材和第二片材之間的方式堆疊第一板金和第二板金；滾扎結合堆疊的第一板金和第二板金以形成板；使板膨脹以形成與預定圖案對應的內(nèi)部通路。在使板膨脹的步驟中，第二板金由于流入空氣的壓力而變形，而第一板金在流入空氣的壓力下保持不變形。使板膨脹包括在第一板金和第二板金之間流入空氣。接合切割開口的切割邊緣包括使一個板的第一板金與相鄰的板的第二板金接合。堆疊板包括提供對準夾具，并將板放到對準夾具中以提供具有對齊了的周緣和切割開口的板堆疊體。在堆疊之后，對準夾具保留于板堆疊體。
[0018]示例方法還包括以下附加特征中的一個或多個:將連接器接合到板堆疊體的最外側(cè)的板的面向外側(cè)的切割開口。內(nèi)部通路包括入口端和出口端，在板中切割開口的步驟包括切割阻止內(nèi)部通路的入口端的入口開口和切割阻止內(nèi)部通路的出口端的出口開口，接合切割邊緣的步驟包括:接合入口開口的切割邊緣以使得一個板的第一側(cè)接合到相鄰板的第二側(cè)，并且使得歧管供應室形成在由各接合的入口開口至少部分的限定的容積中，歧管供應室與內(nèi)部通路的入口端流體連通，和接合出口開口的切割邊緣以使得一個板的第一側(cè)接合到相鄰板的第二側(cè)，并且使得歧管排出室形成在由各接合的出口開口至少部分地限定的容積中，歧管排出室與內(nèi)部通路的出口端流體連通。歧管供應室和歧管排出室位于單個的歧管中以使得在供應室和排出室之間沒有流體連通。這里所述的熱交換器提供提高的熱傳遞效率，并且由此，例如，提高使用高效的熱循環(huán)以實現(xiàn)最大效率和發(fā)電的OTEC熱機的效率。在沸騰和冷凝工藝中的熱傳遞以及熱交換器的材料和設計都對能夠從每鎊熱水中取得的能量值產(chǎn)生限制。但是，在蒸發(fā)器和冷凝器中使用的熱交換器使用高容量、低水頭損失的熱水流和冷水流以限制寄生載荷。熱交換器還提供高的熱傳遞系數(shù)以提高效率。熱交換器包含適于熱水入口溫度和冷水入口溫度的材料和設計以提高效率。熱交換器設計采用簡單構造方法以及少量的材料以減小成本和體積。
[0019]在本發(fā)明的一些示例實施方式中，利用歧管將工作流體從熱交換器的各板沿著板周側(cè)邊緣供應和排出，在該歧管中入口連接部和出口連接部與板一體地形成并且在組裝程序中被焊接到相鄰的板。歧管包括焊接的連接部，并且被在歧管區(qū)域中的板之間流動的環(huán)氧樹脂包圍以為組件提供結構加強并防止水與焊接表面接觸。由于每個管的每個端部必須被牢固地連接到熱交換器板或供應線路，因此這是對使用管進行供應的一些板式熱交換器的改進。例如，在一些實施方式中，熱交換器的每個板需要多達4個入口連接部和8個出口連接部。每直線英尺(linear foot)為大約20個板的密度，20英尺的模塊中可能需要多達4800個單個的連接部。這提出了制造后勤問題和質(zhì)量控制問題兩個問題。連接部還被暴露到海水環(huán)境中。有利的是，通過在熱交換器的側(cè)周緣處使用歧管，完全消除了對管連接部的使用，并且避免了相應的制造后勤問題和質(zhì)量控制問題。
[0020]在本發(fā)明的其他示例實施方式中，這里說明的熱交換器由膨脹為形成內(nèi)部流體通路的板形成，其中膨脹區(qū)域僅在板的一側(cè)突出，而另一側(cè)則基本平坦。這使得不管膨脹出現(xiàn)在板長度上的任何位置，板之間都具有穩(wěn)定的最大和最小間距。利用膨脹區(qū)域僅在板的一側(cè)突出的板(這里稱作“單側(cè)板”)消除了與用來形成板的滾扎結合制造工藝相關的縱向方向尺寸不均一的影響。在輥之間熔合金屬的滾扎結合工藝盡管在高度上均一，但具有在縱向尺寸上可重復性的固有問題。當膨脹區(qū)域在板的兩側(cè)均突出的滾扎結合的板(這里稱作“雙側(cè)”板)在熱交換器中堆疊時，尺寸變化可能導致相鄰的板的膨脹部分彼此直接相對定位的構造，從而導致不期望的具有高壓力損失和低的熱傳遞換的夾緊點(pinch point)。通過提供單側(cè)板并且將板配置在熱交換器中以使得一個板的突出側(cè)面向相鄰板的平坦側(cè)，能夠避免尺寸變化的負面效果。另外，實驗結果確認在流動和標稱間距與雙側(cè)板相同的情況下單側(cè)板的壓力損失顯著減小。
[0021]這里說明的本發(fā)明的實施、實施方式和示例可以如上所述的結合或與公開的特征進行任何其他結合。
[0022]在附圖以及以下的說明中闡述了一個以上的實施方式的細節(jié)。其他特征、目的和優(yōu)點將從說明和附圖以及從權利要求書變得明顯。
【附圖說明】
[0023]圖1示出示例性的OTEC熱機。
[0024]圖2示出示例性的OTEC電站。
[0025]圖3示出另一示例性的OTEC電站。
[0026]圖4示出圖3的OTEC電站的熱交換器配置的截面圖。
[0027]圖5示出殼管式熱交換器。
[0028]圖6示出板式熱交換器。
[0029]圖7示出另一板式熱交換器。
[0030]圖8示意性地示出多級熱交換器系統(tǒng)。
[0031]圖9示意性地示出多級熱交換器系統(tǒng)的熱交換模塊。
[0032]圖10示出四級熱交換器系統(tǒng)的立體圖。
[0033]圖11示出圖10的多級熱交換器系統(tǒng)的熱交換模塊的立體圖。
[0034]圖12示出單個熱交換器陣列的立體圖。
[0035]圖13示出熱交換器陣列的沿著圖12的線13-13所見的立體截面圖。
[0036]圖13A示出圖13的部分的放大圖。
[0037]圖14示出熱交換板的平面圖。
[0038]圖15A示出凸緣連接器的端視圖。
[0039]圖15B示出圖15A的凸緣連接器的分解側(cè)視圖。
[0040]圖16示出包括凸緣連接器的歧管的部分的側(cè)截面圖。
[0041]圖17示出夾具的立體圖。
[0042]圖18示出熱交換器陣列的部分的截面示意圖。
[0043]圖19不出傳統(tǒng)的尚壓蒸汽循環(huán)的P_h圖。
[0044]圖20示出熱循環(huán)的Ρ-h圖。
[0045]圖21示出雙側(cè)板的膨脹部分的截面圖。
[0046]圖22不出單側(cè)板的膨脹部分的截面圖。
[0047]圖23是用于制造具有歧管的熱交換器陣列的方法步驟的流程圖。
[0048]圖24示出具有空氣注射入口的板的示意性平面圖。
[0049]圖25示出具有空氣注射入口的另一板的示意性平面圖。
[0050]圖26示出具有突出部的板的部分的平面圖。
[0051]圖27示出板堆疊體和用于使堆疊體中的板對齊的對準夾具。
[0052]圖28示出沿著圖26的線28_28的截面圖。
[0053]圖29示出圖28的在切割和板被接合以形成歧管室之后的截面圖。
[0054]圖29A是具有搭接接頭的歧管供應室的局部截面圖。
[0055]圖30示出填料室的分解圖。
[0056]圖31示出在填料室中配置有突出部的熱交換器堆疊體的示意性側(cè)視圖。
[0057]圖32示出歧管的凸緣連接器利用夾具被連接的兩個熱交換器陣列的側(cè)視圖。
[0058]圖33示出部分組裝的蒸發(fā)器單元的切除立體圖。
[0059]圖34A示出另一凸緣連接器的端視圖。
[0060]圖34B示出圖34A的凸緣連接器的分解側(cè)視圖。
[0061]圖35是示出另一凸緣連接器的冷凝器歧管的截面圖。
[0062]圖36是蒸發(fā)器熱交換板的俯視立體圖。
[0063]圖37是圖36的熱交換板的沿著線37_37所見的部分的截面圖。
[0064]圖38是圖36的熱交換板的俯視圖。
[0065]圖39是冷凝器熱交換板的俯視立體圖。
[0066]圖40是圖38的熱交換板的沿著線40-40所見的部分的截面圖。
[0067]圖41是圖39的熱交換板的俯視圖。
[0068]圖42是圖38和圖41的熱交換板的沿著線42_42所見的部分的截面圖。
[0069]圖43是圖38和圖41的熱交換板的沿著線43_43所見的部分的截面圖。
[0070]圖44是圖38和圖41的熱交換板的沿著線44_44所見的部分的截面圖。
[0071]圖45是圖38和圖41的熱交換板的沿著線45_45所見的部分的截面圖。
[0072]圖46是示出區(qū)域1、區(qū)域2和區(qū)域3關于板的位置的熱交換板的俯視圖。
[0073]圖47是被防護層包圍的陣列的頂端部圖。
[0074]圖48是圖47的陣列和防護層的立體圖。
[0075]圖49是圖48的包括把手的陣列和防護層的立體圖。
[0076]在不同的附圖中用類似的附圖標記表示類似的元件。
【具體實施方式】
[0077]這里對高效、多級熱交換裝置和系統(tǒng)進行說明。提出如下示例性實施方式:高效、多級熱交換裝置和系統(tǒng)被用在OTEC電站中，其中，熱水供給管道和冷水供給管道以及熱交換器在結構上與浮式平臺或陸基平臺(land based platform) 一體化，并且該熱交換裝置和系統(tǒng)被用來驅(qū)動熱機。如上所述，OTEC是用儲存在地球海洋中的來自太陽的熱能來發(fā)電的工藝。OTEC工藝利用了在熱帶地區(qū)發(fā)現(xiàn)的熱的表面水和冷的深層水之間的溫差向蘭金循環(huán)(Rankine cycle)提供動力，其中熱的表面水用作熱源，冷的深層水用作冷源(heatsink)。蘭金循環(huán)的渦輪機驅(qū)動用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機。
[0078]盡管這里是在應用于OTEC電站的情況下對熱交換裝置和系統(tǒng)進行說明，但熱交換裝置和系統(tǒng)并不限于使用在OTEC電站中。例如，這里說明的熱交換裝置和系統(tǒng)在諸如蒸汽排放冷凝器和其他余熱轉(zhuǎn)換裝置、以及核燃料站和太陽能海水淡化站的被動式冷卻系統(tǒng)等要求高效熱交換的其他應用中也將是可用的。圖1示出典型的OTEC蘭金循環(huán)熱機10，該熱機10包括熱海水入口 12、蒸發(fā)器14、熱海水出口 15、渦輪機16、冷海水入口 18、冷凝器20、冷海水出口 21、工作流體管道22和工作流體泵24。
[0079]在操作中，熱機10可以使用多種工作流體中的任何一種，例如，諸如氨等商業(yè)制冷劑。其他工作流體可以包括丙烯、丁烷、R-22和R-134a以及它們的代替物。大約