包括歧管的热交换器的制造方法

包括歧管的热交换器的制造方法
【专利说明】包括歧管的热交换器
[0001]本申请要求2012年10月31日提交的美国临时申请N0.61/720，591、2012年10月16日提交的美国临时申请N0.61/714，538的优先权，该两申请的全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0002]本发明涉及在流体之间传递热量，并且更具体地涉及利用热交换板在流体间传递热量。
【背景技术】
[0003]全世界的热带大洋和大海提供了独特的可再生能源资源。海洋热能转换(“0TEC”)是利用在海洋的热带区域中作为热量存储的太阳能来产生可再生能源的一种方式。OTEC过程利用表面热带海水与深层热带海水之间的温差来驱动热机以产生电能。在深度为100英尺或者更浅的海洋表面找到了 OTEC热机所需的热水。在2700英尺和4200英尺之间的深度或者更深处找到了用于冷却OTEC发动机的恒定冷水来源。由于在人口中心附近乃至大陆块通常都找不到这样的深度，因此离岸电站是必须的。
[0004]已提出具有高效的、多级热交换系统的浮式的低起伏(low heave)的OTEC电站，其中热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器在结构上与浮式平台一体化，并且被用来驱动热机。进而，热机驱动发电机，由此获得电力。

【发明内容】

[0005]发电站利用海洋热能转换工序作为动力源。
[0006]进一步的方面涉及具有高效、多级热交换系统的浮式的低起伏的OTEC电站，其中热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器模块在结构上与电站的浮式平台或结构一体化。
[0007]在本发明的示例实施的一些方面，热交换器包括以如下方式堆叠配置的两个或更多个热交换器板:使得各热交换器板与相邻的热交换器板分隔开，相邻的热交换板之间的间隔限定了外部流体通路，各所述外部流体通路被构造为接收第一流体。各热交换器板包括:周缘；被构造为接收第二流体的内部流体通路；和在所述周缘处开口的进入所述内部流体通路的入口，与各热交换器板的所述入口流体连通的歧管。
[0008]在本发明的其他示例实施中，热交换器可以包括以下特征中的一个或多个:歧管包括在与由热交换板限定的平面垂直的方向上延伸的歧管室。歧管包括从各热交换板的周缘的一部分突出的突出部，其中各突出部包括与内部通路流体连通的突出部通路，各突出部包括阻止了突出部通路的开口，各突出部的开口在与由热交换板限定的平面垂直的方向上对齐并且该开口限定歧管室，歧管室的内表面包括接合部，该接合部对应于在一个突出部的突出部通路的第一表面和相邻的突出部的突出部通路的第二表面之间的连接部。各板的突出部被包封到刚性材料中。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刚性材料中。歧管被构造为连接到第二热交换器的歧管以使得各歧管处于流体连通的状态。
[0009]在本发明的其他的示例实施中可以包括以下特征中的一个或多个:各板包括第一外部热交换表面和与第一外部热交换表面相反的第二外部热交换表面，当使用热交换器时，第一外部热交换表面与第二外部热交换表面与第一流体流体接触。热交换器包括内部流体通路的出口，该出口在周缘处开口，歧管与各热交换器板的出口流体连通，歧管包括第一歧管室和第二歧管室，第一歧管室被构造为将第二流体供应到内部流体通路的入口，第二歧管室被构造为接收来自内部流体通路的出口的第二流体，其中第一歧管室与第二歧管室隔离。第一歧管室与第二歧管室的容积不同。在热交换器板的平面状的内部表面和热交换器板的非平面状的内部表面之间限定内部通路。各热交换器板包括非平面的第一热交换表面和平面的、与第一热交换表面相反的第二热交换表面，热交换器板的堆叠配置包括以使得堆叠体的一个板的第一热交换表面面对该堆叠体的相邻的板的第二热交换表面的方式配置热交换器板。内部流体通路从板的仅一个侧向外膨胀，由此板的第一侧包括与内部流体通路的位置相对应的向外突出的区域，而板的第二侧没有变形。内部流体通路包括多个微型通道。
[0010]在一些示例实施中，两个或更多个热交换器板上下堆叠。在其他方面中，该两个或更多个热交换器板水平堆叠。热交换器板能够以满足以下条件的任何方式配置:在各单个的热交换器板之间存在间隙，以允许流体围绕并且流动经过各热交换器板。
[0011]在进一步的示例实施中，热交换器包括堆叠配置的热交换器板，以使得各热交换器板与相邻的热交换器板分隔开，相邻的热交换器板之间的间隔限定了外部流体通路，各外部流体通路被构造为接收第一流体。各热交换器板包括:周缘，被构造为接收第二流体的内部流体通路，进入内部流体通路的第一端的、在周缘处开口的入口，来自内部流体通路的第二端的、在周缘处开口的出口，具有供应室和排出室的歧管，供应室与各热交换器板的入口流体连通，排出室与各热交换器板的出口流体连通。
[0012]在本发明的其他示例实施中可以包括以下特征中的一个或多个:歧管供应室和歧管排出室均在与由热交换板限定的平面垂直的方向上延伸。歧管包括从各热交换板的周缘的一部分突出的突出部，其中各突出部包括与内部流体通路入口流体连通的突出部入口通路和与内部流体通路出口流体连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开口和阻止了突出部出口通路的突出部出口开口，各突出部的突出部入口开口限定歧管供应室，并且歧管室的内表面包括接合部，该接合部对应于在一个突出部的突出部入口通路的第一表面和相邻的突出部的突出部入口通路的第二表面之间的连接部，各突出部的突出部出口开口限定歧管排出室，并且歧管排出室的内表面包括接合部，该接合部对应于在一个突出部的突出部出口通路的第一表面和相邻的突出部的突出部出口通路的第二表面之间的连接部。各板的突出部被包封到刚性材料中。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刚性材料中。歧管被构造为连接到第二热交换器的歧管以使得各歧管流体连通。各板包括第一外部热交换表面和与第一外部热交换表面相反的第二外部热交换表面，当使用热交换器时，第一外部热交换表面与第二外部热交换表面与第一流体流体接触。歧管供应室和歧管排出室的容积不同。
[0013]在本发明的其他的示例实施中可以包括以下特征中的一个或多个:在热交换器板的平面状的内部表面和热交换器板的非平面状的内部表面之间限定内部通路。各热交换器板包括非平面的第一热交换表面和平面的、与第一热交换表面相反的第二热交换表面，热交换器板的堆叠配置包括以使得堆叠体的一个板的第一热交换表面面对该堆叠体的相邻的板的第二热交换表面的方式配置热交换器板。内部流体通路从板的仅一个侧向外膨胀，由此板的第一侧包括与内部流体通路的位置相对应的向外突出的区域，而板的第二侧没有变形。内部流体通路包括多个微型通道。
[0014]在本发明的一些示例实施中，热交换器包括堆叠的热交换器板，各热交换器板包括被构造为接收第一流体的内部流体通路、第一外表面和与第一外表面相反的第二外表面。第一外表面是平面的，第二外表面包括与热交换器板中的内部通路的位置对应的突出区域，并且热交换器板沿着与第一外表面垂直的轴线堆叠，以使得一个热交换器板的第一外表面面对相邻的热交换器板的第二外表面。
[0015]再一示例实施包括以下特征的一个或多个:以使得一个热交换器板的第一外表面与相邻的热交换器板的第二外表面分隔开的方式配置热交换器板。当使用热交换器时，第一外表面与第二外表面均与第二流体流体接触。
[0016]在本发明的一些方面中，热交换器的制造方法包括:提供具有第一侧、第二侧和内部流体通路的热交换器板，所述第一侧提供第一外部热交换表面，所述第二侧与所述第一侧相反并且提供第二外部热交换表面。在板中切割开口以使得切割的开口阻止内部流体通路；重复上述步骤以形成多个切割板；沿着对准轴堆叠切割板以提供具有对齐的切割开口的板堆叠体，接合切割开口的切割边缘以使得一个板的第一侧接合到相邻的板的第二侧，并使得歧管室形成在由各接合的开口至少部分地限定的容积中，歧管室与各内部通路流体连通。
[0017]本发明的示例方面包括可以具有以下附加特征中的一个或多个的方法:将凸缘安装到板堆叠体的最外侧板的切割开口，并且将接合的板的部分和凸缘的接头部分包封到塑料中。热交换器进一步包括从各板的周缘的部分突出的突出部，并且各板的切割开口位于突出部中。热交换器的突出部被包封到与形成突出部用的材料不同的包封材料中。热交换器的突出部被包封到塑料中。堆叠包括将以使得一个板的侧部面对相邻的板的第二侧部的方式配置板。提供具有内部流体通路的热交换器板包括提供第一板金和第二板金；以预定图案对第一板金的表面涂布结合防止剂；以使得结合剂位于第一片材和第二片材之间的方式堆叠第一板金和第二板金；滚扎结合堆叠的第一板金和第二板金以形成板；使板膨胀以形成与预定图案对应的内部通路。在使板膨胀的步骤中，第二板金由于流入空气的压力而变形，而第一板金在流入空气的压力下保持不变形。使板膨胀包括在第一板金和第二板金之间流入空气。接合切割开口的切割边缘包括使一个板的第一板金与相邻的板的第二板金接合。堆叠板包括提供对准夹具，并将板放到对准夹具中以提供具有对齐了的周缘和切割开口的板堆叠体。在堆叠之后，对准夹具保留于板堆叠体。
[0018]示例方法还包括以下附加特征中的一个或多个:将连接器接合到板堆叠体的最外侧的板的面向外侧的切割开口。内部通路包括入口端和出口端，在板中切割开口的步骤包括切割阻止内部通路的入口端的入口开口和切割阻止内部通路的出口端的出口开口，接合切割边缘的步骤包括:接合入口开口的切割边缘以使得一个板的第一侧接合到相邻板的第二侧，并且使得歧管供应室形成在由各接合的入口开口至少部分的限定的容积中，歧管供应室与内部通路的入口端流体连通，和接合出口开口的切割边缘以使得一个板的第一侧接合到相邻板的第二侧，并且使得歧管排出室形成在由各接合的出口开口至少部分地限定的容积中，歧管排出室与内部通路的出口端流体连通。歧管供应室和歧管排出室位于单个的歧管中以使得在供应室和排出室之间没有流体连通。这里所述的热交换器提供提高的热传递效率，并且由此，例如，提高使用高效的热循环以实现最大效率和发电的OTEC热机的效率。在沸腾和冷凝工艺中的热传递以及热交换器的材料和设计都对能够从每镑热水中取得的能量值产生限制。但是，在蒸发器和冷凝器中使用的热交换器使用高容量、低水头损失的热水流和冷水流以限制寄生载荷。热交换器还提供高的热传递系数以提高效率。热交换器包含适于热水入口温度和冷水入口温度的材料和设计以提高效率。热交换器设计采用简单构造方法以及少量的材料以减小成本和体积。
[0019]在本发明的一些示例实施方式中，利用歧管将工作流体从热交换器的各板沿着板周侧边缘供应和排出，在该歧管中入口连接部和出口连接部与板一体地形成并且在组装程序中被焊接到相邻的板。歧管包括焊接的连接部，并且被在歧管区域中的板之间流动的环氧树脂包围以为组件提供结构加强并防止水与焊接表面接触。由于每个管的每个端部必须被牢固地连接到热交换器板或供应线路，因此这是对使用管进行供应的一些板式热交换器的改进。例如，在一些实施方式中，热交换器的每个板需要多达4个入口连接部和8个出口连接部。每直线英尺(linear foot)为大约20个板的密度，20英尺的模块中可能需要多达4800个单个的连接部。这提出了制造后勤问题和质量控制问题两个问题。连接部还被暴露到海水环境中。有利的是，通过在热交换器的侧周缘处使用歧管，完全消除了对管连接部的使用，并且避免了相应的制造后勤问题和质量控制问题。
[0020]在本发明的其他示例实施方式中，这里说明的热交换器由膨胀为形成内部流体通路的板形成，其中膨胀区域仅在板的一侧突出，而另一侧则基本平坦。这使得不管膨胀出现在板长度上的任何位置，板之间都具有稳定的最大和最小间距。利用膨胀区域仅在板的一侧突出的板(这里称作“单侧板”)消除了与用来形成板的滚扎结合制造工艺相关的纵向方向尺寸不均一的影响。在辊之间熔合金属的滚扎结合工艺尽管在高度上均一，但具有在纵向尺寸上可重复性的固有问题。当膨胀区域在板的两侧均突出的滚扎结合的板(这里称作“双侧”板)在热交换器中堆叠时，尺寸变化可能导致相邻的板的膨胀部分彼此直接相对定位的构造，从而导致不期望的具有高压力损失和低的热传递换的夹紧点(pinch point)。通过提供单侧板并且将板配置在热交换器中以使得一个板的突出侧面向相邻板的平坦侧，能够避免尺寸变化的负面效果。另外，实验结果确认在流动和标称间距与双侧板相同的情况下单侧板的压力损失显著减小。
[0021]这里说明的本发明的实施、实施方式和示例可以如上所述的结合或与公开的特征进行任何其他结合。
[0022]在附图以及以下的说明中阐述了一个以上的实施方式的细节。其他特征、目的和优点将从说明和附图以及从权利要求书变得明显。
【附图说明】
[0023]图1示出示例性的OTEC热机。
[0024]图2示出示例性的OTEC电站。
[0025]图3示出另一示例性的OTEC电站。
[0026]图4示出图3的OTEC电站的热交换器配置的截面图。
[0027]图5示出壳管式热交换器。
[0028]图6示出板式热交换器。
[0029]图7示出另一板式热交换器。
[0030]图8示意性地示出多级热交换器系统。
[0031]图9示意性地示出多级热交换器系统的热交换模块。
[0032]图10示出四级热交换器系统的立体图。
[0033]图11示出图10的多级热交换器系统的热交换模块的立体图。
[0034]图12示出单个热交换器阵列的立体图。
[0035]图13示出热交换器阵列的沿着图12的线13-13所见的立体截面图。
[0036]图13A示出图13的部分的放大图。
[0037]图14示出热交换板的平面图。
[0038]图15A示出凸缘连接器的端视图。
[0039]图15B示出图15A的凸缘连接器的分解侧视图。
[0040]图16示出包括凸缘连接器的歧管的部分的侧截面图。
[0041]图17示出夹具的立体图。
[0042]图18示出热交换器阵列的部分的截面示意图。
[0043]图19不出传统的尚压蒸汽循环的P_h图。
[0044]图20示出热循环的Ρ-h图。
[0045]图21示出双侧板的膨胀部分的截面图。
[0046]图22不出单侧板的膨胀部分的截面图。
[0047]图23是用于制造具有歧管的热交换器阵列的方法步骤的流程图。
[0048]图24示出具有空气注射入口的板的示意性平面图。
[0049]图25示出具有空气注射入口的另一板的示意性平面图。
[0050]图26示出具有突出部的板的部分的平面图。
[0051]图27示出板堆叠体和用于使堆叠体中的板对齐的对准夹具。
[0052]图28示出沿着图26的线28_28的截面图。
[0053]图29示出图28的在切割和板被接合以形成歧管室之后的截面图。
[0054]图29A是具有搭接接头的歧管供应室的局部截面图。
[0055]图30示出填料室的分解图。
[0056]图31示出在填料室中配置有突出部的热交换器堆叠体的示意性侧视图。
[0057]图32示出歧管的凸缘连接器利用夹具被连接的两个热交换器阵列的侧视图。
[0058]图33示出部分组装的蒸发器单元的切除立体图。
[0059]图34A示出另一凸缘连接器的端视图。
[0060]图34B示出图34A的凸缘连接器的分解侧视图。
[0061]图35是示出另一凸缘连接器的冷凝器歧管的截面图。
[0062]图36是蒸发器热交换板的俯视立体图。
[0063]图37是图36的热交换板的沿着线37_37所见的部分的截面图。
[0064]图38是图36的热交换板的俯视图。
[0065]图39是冷凝器热交换板的俯视立体图。
[0066]图40是图38的热交换板的沿着线40-40所见的部分的截面图。
[0067]图41是图39的热交换板的俯视图。
[0068]图42是图38和图41的热交换板的沿着线42_42所见的部分的截面图。
[0069]图43是图38和图41的热交换板的沿着线43_43所见的部分的截面图。
[0070]图44是图38和图41的热交换板的沿着线44_44所见的部分的截面图。
[0071]图45是图38和图41的热交换板的沿着线45_45所见的部分的截面图。
[0072]图46是示出区域1、区域2和区域3关于板的位置的热交换板的俯视图。
[0073]图47是被防护层包围的阵列的顶端部图。
[0074]图48是图47的阵列和防护层的立体图。
[0075]图49是图48的包括把手的阵列和防护层的立体图。
[0076]在不同的附图中用类似的附图标记表示类似的元件。
【具体实施方式】
[0077]这里对高效、多级热交换装置和系统进行说明。提出如下示例性实施方式:高效、多级热交换装置和系统被用在OTEC电站中，其中，热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器在结构上与浮式平台或陆基平台(land based platform) 一体化，并且该热交换装置和系统被用来驱动热机。如上所述，OTEC是用储存在地球海洋中的来自太阳的热能来发电的工艺。OTEC工艺利用了在热带地区发现的热的表面水和冷的深层水之间的温差向兰金循环(Rankine cycle)提供动力，其中热的表面水用作热源，冷的深层水用作冷源(heatsink)。兰金循环的涡轮机驱动用于产生电力的发电机。
[0078]尽管这里是在应用于OTEC电站的情况下对热交换装置和系统进行说明，但热交换装置和系统并不限于使用在OTEC电站中。例如，这里说明的热交换装置和系统在诸如蒸汽排放冷凝器和其他余热转换装置、以及核燃料站和太阳能海水淡化站的被动式冷却系统等要求高效热交换的其他应用中也将是可用的。图1示出典型的OTEC兰金循环热机10，该热机10包括热海水入口 12、蒸发器14、热海水出口 15、涡轮机16、冷海水入口 18、冷凝器20、冷海水出口 21、工作流体管道22和工作流体泵24。
[0079]在操作中，热机10可以使用多种工作流体中的任何一种，例如，诸如氨等商业制冷剂。其他工作流体可以包括丙烯、丁烷、R-22和R-134a以及它们的代替物。大约