具有流体分配子组件的蒸发器的制作方法

文档序号:13985135
具有流体分配子组件的蒸发器的制作方法

本申请要求于2015年6月10日提交的临时专利申请No.62/173,658,名为“FLUID DISTRIBUTION SYSTEM AND FALLING FILM EVAPORATOR”的权益,其全部公开内容通过引用的方式并入本文。

技术领域

本实施例涉及蒸发器,尤其涉及一种具有流体分配子组件的蒸发器。



背景技术:

蒸发器可用于许多不同的应用,包括例如热交换器。在热交换器应用中,可以将工作流体引入到与一个或多个热元件热连通的蒸发器壳体中,这使得工作流体蒸发。在液流式蒸发器和釜式蒸发器中,热元件完全或部分浸入工作流体中。这种布置相对低效,因为热元件必须将热量传递到相对大容量的工作流体。另一方面,降膜式蒸发器将工作流体分布在热元件上方,并允许工作流体沿着热元件倾泻而下而不淹没热元件。因此,在小规模应用中,降膜式蒸发器可能比液流式和釜式蒸发器更有效,因为保持热元件的整个表面区域被工作流体浸湿相对容易些。然而,在更大规模的应用中,加热元件必须更大和/或更多,这使得使用传统的降膜设置,保持所有热元件的表面区域被工作流体浸湿变得更加困难。相反,在这些更大规模的应用中,热元件的许多部分容易变干,使蒸发器效率降低。

更大规模热交换器的一个示例可以用于海洋热能转换(OTEC)应用。在传统的OTEC应用中,蒸发器可具有壳管设计布局,其中引入具有低沸点的工作流体,例如氨。穿过蒸发器内部的管道携带有相对温暖的表层海水,使得与管道接触的氨蒸发,并与蒸发器一起为涡轮发电机提供动力。然而,用于OTEC应用的大规模传统降膜式蒸发器可能具有超过三米的直径,其可能导致蒸发器底部附近的许多管道变干。因此,本领域需要一种效率提高的大规模降膜式蒸发器。



技术实现要素:

在一个实施例中,公开了一种蒸发器。蒸发器包括设置在蒸发器壳体的壳体内部的多个热元件,例如携带温海水的管。在壳体内部设置有主供应管线,其被配置为携带工作流体,例如氨。多个管组被流体联接到主供应管线,并且每个管组沿着主供应管线与相邻的管组间隔开。每个管组包括多个单独的管,其中每个管接近壳内部的热元件的不同子集。每个管包括多个第一流体分配点,所述多个第一流体分配点被配置为将工作流体分配到多个热元件中的至少一个的外表面附近。这种布置的一个优点是流体分配点可以以三维分布在遍及蒸发器壳体中,由此湿润热元件的更大比例的总外表面区域。因此,来自热元件的更大比例的热能被传递到蒸发器内的工作流体中,从而提高蒸发器的整体效率。

在一个实施例中,公开了一种蒸发器。蒸发器包括形成壳体内部的蒸发器壳体。蒸发器还包括设置在壳体内部的多个热元件,每个热元件包括与壳体内部流体连通的外表面。蒸发器还包括设置在内部的第一主供应管线,第一主供应管线被配置成携带工作流体。蒸发器还包括流体联接到第一主供应管线的多个第一管组,每个第一管组沿着第一主供应管线与相邻的第一管组间隔开。每个第一管组包括多个第一管,每个第一管接近多个热元件的热元件的不同子集。每个第一管包括多个第一流体分配点,每个第一流体分配点被配置成将工作流体分配到多个热元件中的至少一个的外表面附近。

在另一个实施例中,公开了一种流体分配组件。流体分配组件包括第一主供应管线,其被配置成携带工作流体。该流体分配组件还包括流体联接到第一主供应管线的多个第一管组,所述多个第一管组被配置成设置在多个热元件之间。每个第一管组沿着第一主供应管线与相邻的第一管组隔开第一距离。每个第一管组包括多个第一管,每个第一管被配置为设置在接近所述多个热元件的热元件的不同子集处。每个第一管包括多个第一流体分配点,每个第一流体分配点被配置为将工作流体分配在多个热元件中的至少一个的外表面附近。

在另一个实施例中,公开了一种热交换器系统。换热器系统包括蒸发器。蒸发器包括形成壳体内部的蒸发器壳体。蒸发器还包括设置在壳体内部的多个热元件,每个热元件包括与壳体内部流体连通的外表面。蒸发器还包括设置在内部的第一主供应管线,第一主供应管线被配置成携带工作流体。蒸发器还包括流体联接到第一主供应管线的多个第一管组,每个第一管组沿着第一主供应管线与相邻的第一管组间隔开。每个第一管组包括多个第一管,每个第一管接近多个热元件的热元件的不同子集。每个第一管包括多个第一流体分配点,每个第一流体分配点被配置成将工作流体分配到多个热元件中的至少一个的外表面附近,热元件被设置成蒸发工作流体。该热交换器系统还包括涡轮发电机,所述涡轮发电机包括工作流体入口,工作流体出口以及涡轮机,工作流体入口流体联接到壳体内部并且配置成接收蒸发了的工作流体,而涡轮机流体联接在该工作流体入口和工作流体出口之间,并被配置成响应于流经涡轮机的蒸发了的工作流体而产生电能。所述热交换器系统还包括冷凝器,该冷凝器流体联接在所述工作流体出口和所述第一主供应管线之间,冷凝器被构造成冷凝工作流体并且将冷凝的工作流体供应到第一主供应管线。

在另一个实施例中,公开了一种组装蒸发器的方法。该方法包括将多个热元件设置在蒸发器框架中。该方法进一步包括在热元件中设置流体分配子组件的多个流体分配管,每个第一管接近多个热元件的热元件的不同子集。方法还包括将蒸发器框架和流体分配子组件装在蒸发器壳体中。

本领域技术人员在阅读了结合附图的实施例的以下详细描述之后,将理解本公开的保护范围并了解其其它方面。

附图说明

并入本说明书并构成本说明书的一部分的附图示出了本公开的几个方面,并且与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是一个实施例的蒸发器的部件的示意图,该蒸发器包括蒸发器框架和第一流体分配子组件;

图2是处于组装构造的图1的蒸发器的组件的示意图;

图3是图1的蒸发器的组件的示意图,还包括处于组装构造的第二流体分配子组件;

图4A-4C是图1-3的蒸发器的横截面图,其示出了一个实施例的蒸发器的组装和操作过程;

图5是另一实施例的蒸发器的部件的示意图,其包括具有集成流体分配子组件的蒸发器框架;

图6是图5的蒸发器的横截面图,其示出了一个实施例的蒸发器的操作;

图7是一个实施例的OTEC发电系统的原理图,该发电系统包括一蒸发器;以及

图8是一流程图,其示出了一个实施例中组装蒸发器的方法,该蒸发器包括蒸发器框架和流体分配子组件。

具体实施方式

下面阐述的实施例表示的是使得本领域技术人员实践本实施例并且示出实践实施例的最佳模式的信息。在根据附图阅读以下描述后,本领域技术人员将理解本公开的概念并且将认识到本文未特别提到的这些概念的应用。应该理解,这些概念和应用在本公开和所附权利要求的范围内。

为了说明的目的,除非另外明确指出,不然本文讨论的任何流程图必须以某种顺序进行讨论,实施例不限于任何特定的步骤顺序。本文中与元件一起使用的序数词仅用于区分可能是相似或相同的标签,例如“第一管组”和“第二管组”,并不意味着优先权,类型,重要性,或其他属性,除非另有说明。本文中与数值一起使用的术语“约”是指在比数值大10%或小10%的范围内的任何值。

在一个实施例中,公开了一种蒸发器。蒸发器包括设置在蒸发器壳体的壳体内部的多个热元件,例如携带温海水的管。在壳体内部设置有主供应管线,其被配置为携带工作流体,例如氨。多个管组被流体联接到主供应管线,并且每个管组沿着第一主供应管线与邻近的管组间隔开。每个管组包括多个单独的管,每个管接近壳内部的热元件的不同子集。每个管包括多个第一流体分配点,所述多个第一流体分配点被配置成将工作流体分配到多个热元件中的至少一个的外表面附近。这种布置的一个优点是流体分配点可以以三维分布在遍及蒸发器壳体中,由此润湿热元件的更大比例的总表面区域。因此,来自热元件的更大比例的热能被传递到蒸发器内的工作流体中,从而提高蒸发器的整体效率。

在这方面,图1示出了一个实施例的蒸发器10的部件。在该实施例中,蒸发器10包括一蒸发器壳体(未示出),其具有设置在蒸发器壳体内部的多个热元件12。在这个实施例中,热元件12是被配置为携带热流体14的管,但是应该理解,可以使用其他类型的热元件12。每个热元件12具有与蒸发器壳体内部流体连通的外表面16。热元件12被堆叠在刚性圆柱形蒸发器框架18内,该刚性圆柱形蒸发器框架18被配置成将热元件12保持为预定的模式并且为蒸发器10提供结构支撑。在图1的视图中,热元件12被布置在蒸发器框架18的上左侧四分之一处以更清楚地示出蒸发器10的内部元件,但是应该理解的是,在使用中,热元件12将被布置在整个蒸发器框架18的整个区域内。

在该实施例中,蒸发器框架18具有围绕蒸发器框架18的周边设置的多个纵向构件20和沿着蒸发器10的长度以规定间隔联接到纵向构件20的多个圆形构件22。多个交替的水平支撑构件组24和竖直支撑构件组26联接在圆形构件22内,以将热元件12保持在适当位置并且提高蒸发器10的刚性。

在传统的蒸发器(未示出)中,工作流体可以被喷射或分布在蒸发器框架18的顶部,使得工作流体在热元件12上倾泻而下。然而,一旦工作流体与最上面的热元件12接触,工作流体就开始蒸发。因此,在包含大量热元件12和/或较大的热元件12的较大规模的应用中,工作流体可能在其到达蒸发器框架18中的最下面的热元件之前就已经被完全蒸发了。另一方面,如果在蒸发器框架18的顶部引入更大量的工作流体,则最上面的热元件12可以被工作流体有效地淹没,从而使得最上面的热元件12表现出通常只有液流式和/或釜式蒸发器才会出现的低效率。

为了弥补这些和其他缺陷,本实施例中的蒸发器10包括用于在蒸发器10内分配工作流体29的流体分配子组件28(1)。流体分配子组件28(1)包括一第一主供应管线30(1),其配置成用于携带工作流体29。在该实施例中,多个第一歧管32(1)沿第一主供应管线30(1)以规定间隔分开,且多个管组34(1)从每个第一歧管32(1)处延伸。以这种方式,管组34(1)的每个独立的第一管36(1)经由歧管32(1)流体联接到第一主供应管线30(1)。

将第一流体分配子组件28(1)与蒸发器框架18组装在一起,每个第一管36(1)设置在多个热元件的热元件12的不同子集附近。就此而言,图2示出了与第一流体分配子组件28(1)组装在一起的蒸发器框架18。每个第一管36(1)包括多个第一流体分配点38(1),每个第一流体分配点38(1)被配置为将工作流体29分配到多个热元件12中的至少一个的外表面16附近。

如上所述,由于第一流体分配子组件28(1)的流体分配点38(1)以三维方式在热元件12中相对均匀地分布,第一流体分配子组件28(1)使得热元件12的更大比例的总表面面积被润湿。这也允许最下面的热元件12被润湿而不淹没最上面的热元件,由此提高蒸发器10的整体效率。

在该实施例中,图1和图2的蒸发器10适用于海洋热能转换(OTEC)应用,并且将在下面的OTEC应用中予以讨论。然而,应该理解的是,本文的实施例不限于此,并且在许多其他类型的蒸发器应用中具有适用性。在OTEC系统中,例如在OTEC系统中使用的热蒸发器10可以使用温海水作为热流体14,并且热元件12(即,本实施例中的温海水管)的数量和尺寸可以基于OTEC系统的要求而改变。例如,在大规模OTEC系统中,例如100兆瓦OTEC系统中,蒸发器10可以包括例如18,000-20,000个热元件12,其内管直径在大约13mm至大约25.4mm之间,蒸发器10具有约5米的总直径。即使在较小功率的OTEC系统中,蒸发器10可以包括例如约5,000至约10,000个热元件,其中蒸发器10的总直径在约3米至约4米之间。在该实施例中,热元件12以正方形节距构造布置,但是应该理解的是,热元件12可以根据需要布置为其他构造,例如三角形或菱形的节距构造。第一管36(1)和第二管36(2)也可以以非垂直的角度面向彼此。例如,如果热元件12以三角形或菱形类型的间距构造(未示出)定向,则第一管36(1)和第二管36(2)可以相对于彼此呈30度或60度。其他元件也可以相对于彼此以不同的角度布置,例如包括供应线路30,水平支撑构件24,竖直支撑构件26和/或热元件12。

虽然在图1和图2中仅示出了两个第一管组34(1),但是第一主供应管线30(1)可以联接到任何数量的第一管组34(1)。例如,在另一个实施例中,一第三流体分配子组件(未示出)可以相对于两个第一管36(1)和第二管36(2)以30度的第三角度设置有多个第三管组(未示出)。

热元件12也可具有不同的性质以促进传热。例如,热元件12可以是经过处理以增强热元件12的表面区域的增强管。例如,在一些实施例中,热元件12可以是波纹状的、有槽的、轧制的、机加工的、滚花的、粗糙的(例如喷砂)、蚀刻的(例如等离子体蚀刻)、烧结的和/或涂覆有不同的材料,例如多孔材料。以此方式,根据需要,每个热元件12的外表面16可以是均匀的或不均匀的。在操作中,蒸发器10也可以水平或竖直放置,这取决于具体应用。

在一些实施例中,第一管组34(1)可彼此间隔约0.6米至约1.2米。在一些实施例中,蒸发器10的长度可以是8-10米。在一些实施例中,间距可以符合用于挡板间距的列管式换热器制造商协会(TEMA)标准。第一流体分配子组件28(1)可以包括任何合适的材料,包括金属、塑料、复合材料、陶瓷、不锈钢(SS)或钛(Ti)金属、热塑性塑料和含氟聚合物等,作为非限制性示例。

在该示例中,第一歧管32(1)是弯曲的,基本上是与图1和图2中所示的热元件12的外周边一致的弧形。在一些实施例中,第一流体分配点38(1)可以是防污和/或自清洁喷嘴。应该理解,可以使用任何合适的喷嘴,包括金属、塑料、复合材料和/或陶瓷喷嘴。在其他实施例中,第一流体分配点38(1)可以包括机加工到第一管36(1)中的特征。第一流体分配点38(1)可具有显而易见的喷射模式以确保管道的完全覆盖。

为了促进蒸发器10内的工作流体29更均匀的分配,可以采用多个流体分配子组件28。就此而言,图3示出了一第二流体分配子组件28(2),其以横向于第一流体分配子组件28(1)的方向组装成蒸发器10的一部分。第二流体分配子组件28(2)包括与第一流体分配子组件28(1)类似的特征,包括第二主供应管线30(2)和多个第二歧管32(2),其中多个第二管组34(2)与第二主供应管线30(2)流体连通。

通过使第一管36(1)相对于第二管36(2)基本垂直地定向,流体分配点38(1),38(2)在整个热元件12中以不同的规则模式定位,确保工作流体29遍布热元件12,以尽可能多地到达热元件12的总表面区域16。在该实施例中,第一管组34(1)与第二管组34(2)交错布置,每个第一管组34(1)沿蒸发器10的纵向轴线定位,与相邻的第二管组34(2)相距一预定距离(例如一英尺或更多)。以这种方式,第一管36(1)和横向的第二管36(2)沿着热元件12的长度在蒸发器10的整个长度内以规则的交替模式分布。

在该实施例中,第一流体分配子组件28(1)的第一管36(1)具有基本竖直的方向,并且第二流体分配子组件28(2)的第二管36(2)具有基本水平的方向,但是应该理解的是,例如基于热元件12的间距构造或其它方面,流体分配子组件28的第一管36可以根据需要以任意数量的不同方向布置。

在这方面,图4A-4C是图1-3的蒸发器10的横截面图,其示出了蒸发器10的组装和操作过程,其中第一流体分配子组件28(1)和第二流体分配子组件28(2)相对于竖直方向基本上定向成45度。参考图4A,蒸发器框架18在蒸发器壳体40内以45度角定向,使得热元件12的方形节距构件也定向成45度角。沿着蒸发器框架18适配安装第一流体分配子组件28(1),使得每个热元件12具有至少一个设置在其上的第一管36(1),每个热元件12也设置在至少一个流体分配点38(1)附近。如图4B所示,第二流体分配子组件28(2)沿着蒸发器框架18类似地适配安装,使得每个热元件12具有至少一个设置在其上方的第二管36(2),每个热元件12也设置在至少一个第二流体分配点38(2)附近。图4C示出了完全组装好的蒸发器10的横截面图,蒸发器框架18,第一流体分配子组件28(1)和第二流体分配子组件28(2)组装在蒸发器壳体40内。以这种方式,所有的热元件12可以沿着蒸发器10的整个长度被第一流体分配子组件28(1)和第二流体分配子组件28(2)相对均匀地润湿。

也可以将蒸发器框架18和流体分配子组件28的功能集成为一体化结构。在这点上,图5示出了具有集成流体分配框架44的蒸发器42,该集成流体分配框架44被配置为同时为热元件12和蒸发器壳体40(未示出)提供结构支撑和刚性,并且促进所有热元件12中的工作流体29沿着蒸发器42的整个长度的均匀分配。在该实施例中,多个主供应管线46布置在多个环形歧管48的周围。交替的多个第一管50和第二管52跨越沿着热元件12的长度的环形歧管48。在该实施例中,第一管50水平布置且第二管52竖直布置,但是应该理解,可以根据需要使用其他构造。在该实施例中,交替的多个第一管50和第二管52为热元件12提供结构支撑并为蒸发器42提供刚性。

主供应管线46还被配置成经由环形歧管48将工作流体29供应到第一管50和第二管52。这允许工作流体29在热元件12中沿着蒸发器42的长度经由在每一个第一管50和第二管52中的多个流体分配点54均匀分配。

图6示出了图5的蒸发器42的横截面图,包括设置在蒸发器壳体40内的流体分配框架44。在该实施例中,在环形歧管48周围使用多个主供应管线46的一个优点是,减小了第一管50和第二管52的不同部分处的压差。这是因为工作流体29以基本相同的压力从第一管50和第二管52的两端供应到第一管50和第二管52,这导致沿着每个第一管50和第二管52的长度的压差较小。这种压差的减小允许流体分配点54在较窄的压力范围内提供工作流体29,由此在整个蒸发器42中从每个流体分配点54提供更均匀量的工作流体29。

如上所述,所公开的实施例可适用于大规模热交换器应用,例如OTEC发电应用。在这点上,图7是用于发电的OTEC系统56的示意图,在该示意图中可以实施这些实施例。该实施例中的OTEC系统56包括具有一个或多个涡轮发电机60的海上平台58,该涡轮发电机60在携带工作流体64的闭环导管62中流体联接,该工作流体64可以与上述工作流体29相同或相似。

闭环导管62还包括蒸发器66,该蒸发器66可以是上面公开的蒸发器10,42中的一个,以及与涡轮发电机60串联设置的冷凝器67。在该实施例中,涡轮发电机60由浮船68支撑,蒸发器66和冷凝器67可以设置在海平面以下。

在该实施例中,热交换器泵70在OTEC系统56的操作期间将工作流体64输送到蒸发器66中。温海水泵72经由设置在温表面区域74的温海水入口76泵推来自海洋的温表面区域74的温海水。在典型OTEC布局中,表面区域74中的水温实质上为大约25℃的恒温(受天气和日照条件影响)。温海水加热蒸发器66中的工作流体64,以足以使工作流体64蒸发,例如,如上面所述的蒸发器10,42。

现在稍微变凉的用过的温海水然后经由温海水出口78从蒸发器66排出。蒸发了的工作流体64在涡轮发电机的相对侧上的闭环导管62中引起压差,从而迫使蒸发的工作流体64通过涡轮发电机60并且使涡轮发电机60响应于通过涡轮发电机60的工作流体64的流动而产生电能。

在离开涡轮发电机60之后,蒸发了的工作流体64进入冷凝器67。冷海水泵80经由设置在冷的深水区域82中的冷的海水入口84将海洋中的冷的深水区域82中的冷海水抽出。通常,冷的深水区域82在海洋表面以下约1000米处,该深度处的水的温度基本上为几摄氏度的恒温。冷的海水冷却冷凝器67中的工作流体64以将工作流体64冷凝成液相。汽化的工作流体64通过热交换器泵70被泵送回蒸发器66,并且该循环无限地持续。

同时,现在稍微升温的用过的冷海水经由冷海水出口86从冷凝器67排出。在该实施例中,用过的温海水和用过的冷海水都被喷射到海洋的中层区域88中,远离温暖的表面区域74和冷的深水区域82,但是用过的海水可以在不同的位置喷射,只要用过的海水不会喷射到温海水入口76或者冷海水入口84附近,在那处其可降低进入的温水的平均温度或升高进入的冷海水的平均温度,由此降低蒸发器66和/或冷凝器67的效率。

在该实施例中,海上平台58是张力腿海上平台,浮船68包括甲板,沉箱和浮筒(未示出)。浮船68通过刚性张力腿(未示出)被锚定在海床92上方的部署位置90处。

在一些实施例中,海上平台58除了可以被部署在海洋中(例如湖,海等)的部署位置外,还可以被部署在另一个位于水中的部署位置90。在一些实施例中,海上平台58可以是另一种类型的海上平台,例如半潜式平台,筒状平台,钻探平台,自升式海上平台,岸边工厂等。

在这个实施例中,涡轮发电机60是涡轮驱动的发电机。如上所述,在该实施例中,涡轮发电机60响应于流体流动而产生电能,并且提供产生的电能至一个或多个输出电缆94。以此方式,涡轮发电机60是兰金循环发动机的一部分,该兰金循环发动机基于表面区域74中的水和深水区域82中的水的温度差来产生电能。

如上所述,蒸发器66可以是壳管式热交换器,例如上面讨论的蒸发器10,42,并且冷凝器67也可以是具有类似特征的壳管式热交换器。

氨常被用作OTEC系统中的工作流体64;然而,本领域技术人员应该明白在表面区域74的水温下蒸发并在深水区域82的水温下冷凝的任何流体都适合于用作工作流体64(受到材料相容性约束)。

现在参照图8,公开了一种组装图1-3的蒸发器10的方法100。在该实施例中,方法100包括在蒸发器框架中(块102)设置多个热元件,例如,热元件12。方法100还包括在热元件中设置流体分配子组件的多个流体分配管,例如管36,每个管接近多个热元件的热元件的不同子集(块104)。方法100还包括将蒸发器框架和流体分配子组件装在蒸发器壳体,例如蒸发器壳体40中。

除了其他优点之外,这些实施例促进了低成本,大规模,高效率的蒸发器的产生。这些实施例导致均匀的流量分配以及使整个蒸发的主要容量用于喷雾蒸发。

本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施例的改进和修改。所有这类改进和修改被认为在本文所述的概念的保护范围和接下来的权利要求内。

再多了解一些
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