用于海洋热能转换和脱盐的热传递方法

专利名称：用于海洋热能转换和脱盐的热传递方法
用于海洋热能转换和脱盐的热传递方法相关申请的交叉引用本申请要求2006年10月2日提交的序列号为60/827881的美国临时专利 申请的优先权和权益，该申请的全部内容通过？ 1用并入本文。背景技术：
OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion,海洋热能转换)装置已^皮用于 发电和海水脱盐。在一种方法中，暖水闪蒸(flash)为水蒸汽。在开环系统 中，水蒸汽能够驱动涡轮机且随后被凝结以产生淡水。对于闭环系统，暖水 被用于煮沸在换热器中的工作流体或者通过允许暖水闪蒸为水蒸汽而被用 到，随后水蒸汽凝结在煮沸器的表面以释放水蒸汽的凝结热，如美国专利 5,513,494和4,324,983所述。凝结的水是淡水并能够被附近的团体使用。通过 冷水流经冷凝器，工作流体通常在换热器中纟皮凝结。对于工作在OTEC业界人员显而易见的是暖水流能够蒸发为蒸汽，所述 蒸汽将传递热量并通过冷凝提供淡水。该运行发生在热力发动机的煮沸器侧。 但是好像反常的是冷凝器侧的冷水能够被导致闪蒸为蒸汽，因为冷水具有比 冷凝器更低的温度，并且来自冷水的蒸汽将不流向冷凝器。本发明提供一种 致使冷水蒸发的方法，并提供另一淡水来源，其几乎是从OTEC装置中脱盐 水总量的两倍。对于附加淡水生产，本发明提供一种在脱盐单元中使用暖水排放和冷水 排放的方法。本发明不仅能够在OTEC装置中使用，而且其还能够在其它发电系统中 使用。例如，在地热发电装置中，如果过热的水能够从地下获得，则其能够 在压力下蒸发。蒸汽将流向煮沸器，蒸汽将凝结在煮沸器上以煮沸工作流体。凝结的水将是清洁的蒸馏水。通过该描述，术语"OTEC"通常用于指动力装 置，但是应当注意，本发明能够在其它类型的动力装置中使用。
发明内容本发明优选的实施方案没有闪蒸暖水，而是允许暖水向下流过表面并当其蒸发时吸收来自来引入的暖海水的热量。蒸汽流向煮沸器的表面，当蒸汽凝 结时其在煮沸器上沉积热量。热量煮沸工作流体以驱动涡轮机。凝结水向下流动并被收集以供饮用使用。这有点类似于现有技术，其使用闪蒸方法从暖 水中产生蒸汽。从水流动水幕蒸发获得水而不是从将水闪蒸成蒸汽的益处在于不需要水滴收集系统，并且由于没有闪蒸水滴的泼溅(splashing )，消除了矿物质沉 淀的形成。该系统防止蒸汽流动中被捕获的空气的集结，并且持续地将空气从系统中 移除，而不是让预除气器来移除引入水中的溶解的空气。原先的OTEC装置设计有使用暖水以在系统的煮沸器侧产生脱盐水的脱盐 装置，但是朗肯循环发动机(Rankine Cycle Engine)的冷却侧没有#1用于生 产水。在本发明中，冷却侧也生产淡水。工作流体在冷凝器中的凝结提供热 以蒸发水，并且水蒸汽凝结在冷水换热器的表面上。然后水蒸汽被收集以供 饮用使用。在系统的冷水侧中 一皮捕获的空气如果在暖水侧的 一样处理。因此本发明的目的是提供一种将来自暖海水的热量转换到OTEC装置中的煮沸器上的方法，其使用水蒸汽作为热传递介质，并且以不需要水滴收集系统并消除了矿物质沉淀集结的方式进行。本发明的另一目的是收集热传递介质，水，其凝结在煮沸器上以供饮用使用。本发明的另 一 目的是使用水蒸汽作为热传递介质以将来自工作流体的热 量传递至冷海水并凝结水蒸汽以及收集水蒸汽以供饮用使用。本发明的另一目的是提供移除在水蒸汽中的^皮捕获空气的装置，以便空气 不妨碍水蒸汽的凝结。本发明的另 一 目的是使用排放暖水和排放冷水以在脱盐单元中提供附加 淡水。本发明的另一目的是在系统的煮沸器侧和冷凝器侧而不是OTEC (例如地 热发电器)产生脱盐水时，提供热传递给煮沸器以及来自冷凝器的热传递。下面将结合附图和详细说明的部分来说明本发明的其它目的、益处和新特 征以及进一步的应用范围。并且根据下面的考察或者可以通过对本发明的实 践获悉，部分对于本领域的技术人员将是显而易见的。尤其依靠附加权利要 求中所指出的手段和组合可以获得和实现本发明的目的和有益效果。
并入本说明书并形成其中 一部分的附图示出了本发明的实施方案，并且与 说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅用于示出本发明的优选实施方案 的目的，并且不能^皮解释为对本发明的限制。在附图中图1是用于系统的示意性的横截面视图，当该系统将热量从暖海水传递给沸腾器时，它从OTEC装置的暖水侧生产淡水，以及当该系统从冷凝器向冷 海水传递热量时，它/人OTEC装置的冷水侧生产淡水。图2是OTEC装置的冷水侧的一个设计的示意性的横截面端视图，它示 出了包含多个工作流体冷凝器管的冷凝器管道和换热器管道，其中冷海水从 工作流体冷凝器管的外部蒸发，当水蒸汽传递热量给引入的冷水时，水蒸汽 在换热器管道中凝结。图3是OTEC装置的暖水侧一个设计的示意性的横截面侧视图，它示出 了多个倾斜平行板，其中暖海水以水幕从倾斜平行板上向下流过，并且当其 收集流过倾斜面下面的暖海水的热量时水幕蒸发，并且暖蒸汽流向煮沸器(未 示出)以提供热量煮沸工作流体。图4是多阶段脱盐系统的示意图，该系统使用了来自图1的OTEC装置 的暖水排放和冷水排放。
具体实施方式图1示意性地示出了本发明的OTEC装置的一个实施方案，所述OTEC 装置使用水蒸汽作为热传递介质以便将来自暖海水的热量移动至工作流体蒸 汽，并且使用水蒸汽作为热传递介质以便将来自冷凝器的热量传输给冷海水。 图l还示出了来自OTEC装置的暖水侧和冷水侧的淡水收集。当暖海水通过管道1进入换热器2时，暖海水通过换热器壁部提供热量给 海水的水幕4，所述水幕在排空室3中壁部的另一侧向下流动。当暖水向上流 过换热器通道25时，暖水冷却，因为暖水释放热量给水幕4。当暖水到达通 道25的顶部时，随后部分暖水向下流动在排空室3的右侧壁部形成水幕4。 剩余的暖水从排放管道27流出。由于以水幕4向下流动的暖水具有的温度接 近等于排空室3中靠近边缘的水蒸汽的温度，因此暖水不会闪蒸。当暖水在 常温下蒸发时，暖水吸收热量。来自流动水幕的海水流出暖水排放管道IO。 换热器2应当足够高以便由水柱产生的压力能够防止位于通道25的底部应当适当使得整个单元足够高于海洋表面，以便压力在水中是 低的。水蒸汽在排空室3中向下流动并在煮沸器6的壁部上凝结为淡水水幕5， 煮沸器包括低沸点工作流体7。对煮沸器6旁边的蒸汽通道26进行设计，以 便当通道变得更窄时水蒸汽继续向下流动。其保持水蒸汽向下流动，并且水 蒸汽携带原先溶解在水中的任何被捕获的空气向下到通道底部。当水蒸汽向着煮沸器的壁部移动时，被捕获的空气试图贴近凝结水水幕5进行收集。由 于水幕5在重力作用下向下流动，水幕5试图拖动空气随其一起。喷出管道9 允许空气(与一些水蒸汽一起)被抽运到真空泵。这是水脱空气的方法。大部分暖水^皮从管道27移出，并且由于所述大部分暖水不进入排空室3, 因此其不必被脱去空气。原先的OTEC发明使用闪蒸方法将热量传递给煮沸 器，并且淡水生产需要所有的暖水必须被脱去空气。凝结水5是蒸馏水，其从淡水出口管道8流出以供饮用4吏用。使用水蒸汽作为热传递介质的益处在于凝结水的表面5与蒸发表面4的温 度几乎相同。这类似于加热管道，加热管道是比任何金属更好的热导体。如 果将常规的换热器用于传递水的能量给工作流体，则因为水不是良好的热导 体，在水和工作流体之间存在巨大的温度差别。使用水蒸汽而不是使用普通 换热器作为热传递介质的另一益处在于海水不接触煮沸器并且不会在煮沸器 上提供腐蚀和剥落问题。由冷凝水5供给的热量煮沸工作流体7。随后工作流体蒸汽流向过热器11 (如果有的话)，并且随后流向涡轮机12，涡轮机提取机械能。用于过热器的 热量能够通过太阳能、生物燃料、矿物燃料、和/或独立暖海水流供应。当蒸 汽离开涡轮机时，蒸汽是冷的。蒸汽流向冷凝器13，在那里蒸汽在壁部上凝 结成水幕14,所述壁部通过位于壁部对侧上的冷水水幕18的蒸发进^f亍冷却。 被凝结的工作流体14向下流向底部，并且通过泵23将其抽吸返回至煮沸器6 以重复该循环。水幕18向下流动并通过冷水排放管道22进行排放。另外，由于具有煮沸器，热量在冷凝器中通过蒸汽进行传递。工作流体蒸 汽在冷凝器的壁部中沉积热量，并且水蒸发以带走该热量。工作流体和水的 滚动水幕14和水18提供极好的热传递。离开冷水水幕18的水蒸汽向下流向冷水换热器16。水蒸汽凝结在换热器 壁部上作为淡水水幕19，并随后向下流向淡水排出管道20。水蒸汽中捕获的 空气被向下运送，并且通过管道21被抽运至真空泵。这里提供的脱气系统类似于热水侧脱气系统。应当注意，通过管道15进入换热器16的冷海水当其向上流动通过换热器 时会变热，因为冷海水接受了来自冷凝水幕19的热量。该热量来自工作流体， 因为所述工作流体凝结为水幕14并将热量传递给水幕18。当换热器16中的 水到达换热器顶部时，理想的情形是与水幕18的温度相同。(实际上，该水 将比冷凝的工作流体14稍微冷一些，以提供导致热量从冷凝器流出的温度差 别)。向上流动通过^:热器16的水的一小部分向上流向水分配器28,所述配 水器将水铺开作为水幕18,以沿着冷凝器的壁部向下流动。向上流动通过换 热器16的剩余水通过管道29被排出。附图上列出的温度是基于摄氏温标的假定温度。它们是理论温度。在实际 系统中，它们将因为换热器表面缺乏效率而稍微不同。该系统提供在热水侧和冷水侧均生产淡水的方法。水蒸汽还被用作热传递 介质，以便将来自暖水的热量移至煮沸器，并且将来自冷凝器的热量移动至 冷水换热器。在装置已^皮闲置后，在启动时，暖水和冷水应当首先开始流动，以便形成 水幕。冷凝器上的冷水幕18将导致工作流体蒸汽的凝结，并且将导致蒸汽从 煮沸器6流过涡轮机12且流向冷凝器13。那将开始冷却煮沸器6，并且水将 开始从暖水水幕4蒸发并凝结在煮沸器上。作为用于蒸发水幕的垂直表面的替代，能够使用倾斜表面或者甚至水平表 面。参见图3，使水流动为水幕提供良好的热传递。本发明的另一实施方案将 具有开口容器，暖水被允许在该开口容器中闪蒸，并且产生的蒸汽将流向煮 沸器。蒸汽产生的水滴随着蒸汽运行。防溅板将是必需的。落在表面上的水 滴试图建立矿物质沉积，然而以水幕流动的水从水幕表面蒸发，在那里不存 在金属表面以供矿物质沉积于其上。在冷凝器侧采用闪蒸方法，冷水将需被 安置在连接于冷凝器的表面。当水和蒸汽吸收来自冷凝器的热量时，对水和 蒸汽进行升温，以便蒸汽压力将足够流向换热器表面，所述换热器具有引入 的冷海水。本发明的另一实施方式将具有喷雾器，所述喷雾器将水喷洒到产生蒸汽的 表面。当水滴移向该表面时，水滴将试图闪蒸，并且水滴落在表面后将闪蒸 更多。图1示出了简单表面，但是实际上当暖水向上流动到其它通道时它们将是 多平板换热器，所述多平板换热器具有位于交替的排空室中的向下流动的水幕。另外一种方法将是具有垂直管道，暖水向上流动通过所述垂直管道，并 且随后一部分暖水作为外侧上的水幕向下流动返回。从水幕蒸发的蒸汽随后 能够流向煮滞器管道的外侧，并在工作流体于管道内煮沸时在此凝。
对于工作流体冷凝器，当冷水沿着冷凝器外侧向下流动时，工作流体能够
凝结在垂直管道内。来自冷水的蒸汽能够流向冷水管道的外侧并在此凝结。
图2示出了本发明的一个实施方案，其描述了 OTEC装置冷却侧上的水 和水蒸汽的流动。图2示出了冷凝器包绕管道50和换热器包绕管道57的端 视图。工作流体蒸汽离开涡轮机后，工作流体蒸汽流动进入冷凝器管51，其 被示于图2的端视图中。沿着冷凝器管51的外侧向下流动的冷海水吸收来自 冷凝器管的热量并蒸发。带走该热量导致工作流体蒸汽凝结在冷凝器管内。 工作流体液体随后被抽吸返回煮沸器。未示出用于工作流体液体的连接管道 和泵。
没有蒸发的沿着冷凝器管52的外侧向下流动的水向下滴向冷凝器包绕管 道50的底部，并且通过泵62将其抽吸进入排出管道61。
冷海水进入管道55,并且向上流动通过冷水换热器56。这些换热器能够 是具有矩形横截面的管或者室，所述管或者室由位于四个侧面上的平板形成。 从位于冷凝器包绕管道50中的冷凝器管52蒸发的水蒸汽流动进入换热器包 绕管道57，并凝结在冷水换热器56上。纟皮凝结的水向下滴向换热器管道57 的底部，并作为淡水从管道60流出。
当冷海水向上流动通过冷水换热器56时，冷海水通过吸收来自位于冷水 换热器外侧表面上的凝结水的热量变得暖和。大部分向上流动的水流出排出 管道61,但是一些水流动通过调节阀58、通过管道59以及通过水分配器53， 所述水分配器将水沿着顶部冷凝器管进行分配。在水绕着顶部冷凝器管流动 后，水向下流向紧邻的较低冷凝器管等。冷凝器管之间的金属带52甚至有助 于提供水从一个管到另 一个管的流动。
作为如图2所示的平行的替代，冷凝器管51能够是垂直的，并且水能够 从每个管的顶部开始并沿着每个管以水幕形式向下流动。
在设备的许多点示出的温度将摄氏温度的理想水温描绘成一系列条件的 一个例子。它们的目的是帮助读者理解发生了什么。
图3是OTEC装置暖侧上的热量和蒸汽传递机构的一个布置的示意性视 图。暖海水进入管道77并^皮分配进入暖水通道75中，且流向右侧。该暖水 的大部分通过管道73 ;波收集和排放。通道75中流动的小部分水通过水分配器74，并且随后沿着通道75的倾斜的上部表面以水幕向下流动。当水幕71 向下流动时，部分水幕吸收来自通道75中流动的水的热量而蒸发。流向管道 75右侧的水由于向水幕71释放热量而变得冷却。从水幕71蒸发的水蒸汽流 出管道70，并且流向工作流体煮沸器，水蒸汽在煮沸器凝结并释放凝结热量 给煮淬器。没有蒸发的在水幕71中流动的水落向容器72的底部，并且通过 泵76被抽吸到排放管道73中。
此外，以摄氏温度列出的温度是用于可能条件的 一个例子的理想温度。 在图l的例子中，尽管冷水排放是在10°C,但是暖7K排放是在22°C。这 种温度差能够用于产生更多的淡水。图4示出了能够那样做的多阶段脱盐单 元的一个例子。
在图4中，来自OTEC装置的暖水排放流动通过管道30进入并通过暖海 水室31，并且其中一些暖海水流动通过水分配器32,并沿着相邻室39作为 水幕33向下流向左侧。来自OTEC装置的冷水排放流动通过管道36进入并 通过冷水室38,并且沿着一些排空室39的右壁部作为水幕37向下流动。来 自暖海水的热量蒸发来自水幕33的水，所述水幕33沿着与暖海水室相邻的 壁部向下流动。水蒸汽绕着折流件(baffle) 35流动并凝结在暖水室39左壁 部上，并且将热量通过壁部传递至流动水幕37。该过程继续贯穿每个阶段直 到热量流动进入冷水室38。每个室从右到左比朝向其右侧的室更冷些。
如果蒸汽从直接穿越过室的流动水的蒸发水幕流动以冷凝在每个室的左 壁部上，它将携带被捕获的空气与其一起。空气将"堆叠(stackup)"抵靠在 沿着左壁部向下流动的水幕上，并且空气层将妨碍蒸汽凝结。通过将折流件 放置在室中央，被捕获的空气向下沿着折流件35的左壁部被水蒸汽携带到室 底部。水幕34的向下流动还有助于将空气向下移动。当空气抵达底部时，空 气紧邻水幕34流出。空气(与一些水蒸汽一起)通过管道40被抽运至真空 泵。
海水通过管道41进行排放，同时淡水流出管道42。 图4示出了三个排空室，三个排空室代表了脱水单元的三个阶段，但是依 靠暖水和冷水输入温度之间可利用的温度差，能够存在更多或者更少的排空室。
权利要求
1、一种动力和淡水产生系统，包括用于供应热量的暖水源；以及用作散热的冷水源；以及用于冷却所述暖水的第一换热器，其提供热量给在所述第一换热器的外侧表面上的暖水的蒸发的流动水幕，从而提供水蒸汽；以及用于将所述水蒸汽传导给工作流体煮沸器的换热表面的通道；以及用于从所述煮沸器将所述工作流体蒸汽传导给涡轮机的管道，所述涡轮机从所述工作流体蒸汽提取机械能；以及冷凝器，所述冷凝器用于接受从所述涡轮机排出的所述工作流体蒸汽，并用于将所述工作流体在所述冷凝器的内表面上凝结为液体；以及泵，所述泵将所述工作流体液体抽吸回所述煮沸器；以及第二换热器，当所述凝结热量稍微加热在所述第二换热器内流动的所述冷水时，所述第二换热器用于在其外侧表面上凝结水蒸汽；以及通道，所述通道用于从所述第二换热器将所述被稍微升温的冷水传递至所述冷凝器的外侧表面，所述水沿着所述冷凝器的外侧表面向下流动，以将热量从所述冷凝的工作流体中取出作为热量蒸发所述水，水蒸汽流动到所述第二换热器，所述水蒸汽在此凝结并稍微加热所述冷水；其中所述暖水通过在所述第一换热器的外侧流动的暖水水幕的蒸发被稍微冷却，暖水的水幕通过所述被稍微冷却的暖水的一部分提供，并且其中来自所述暖水的流动水幕的蒸汽传递热量给所述煮沸器以煮沸工作流体，所述水蒸汽凝结在所述煮沸器上并被抽运回作为可以饮用的水；并且其中所述工作流体蒸汽流向所述涡轮机，且随后流向所述冷凝器，所述水蒸汽凝结在所述冷凝器的内表面并向下流向所述泵以被抽吸回所述煮沸器；以及其中冷水在所述第二换热器中被稍微加热，且所述被稍微加热的冷水流向所述冷凝器的外侧表面并沿着这些表面作为水幕向下流动，且所述冷水水幕吸收所述冷凝器中所述冷凝的工作流体的热量，并且其中通过所述水幕吸收的热量生产水蒸汽，所述水蒸汽流动返回至所述第二换热器并在加热所述冷水时凝结，且所述凝结的水蒸汽向下流动并被抽运出作为可以饮用的水。
2、 根据权利要求1所述的动力和淡水产生系统，其特征在于，来自所述 第 一换热器的进入所述煮沸器中通道的所述水蒸汽流动的方式旨在将^^皮捕获 的空气拖拽至所述通道的端部，在此所述被捕获的空气通过真空泵纟皮抽吸到 夕卜面。
3、 根据权利要求1所述的动力和淡水产生系统，其特征在于，来自所述 冷凝器外侧表面的进入所述第二换热器中通道的所述水蒸汽流动的方式旨在 将^皮捕获的空气拖拽至所述通道的端部，并在此通过真空泵将其抽吸到外面。
4、 根据权利要求1所述的动力和淡水产生系统，其特征在于，在所述煮 沸器和所述涡轮机之间设有过热器以便当所述工作流体蒸汽从所述煮沸器流 向所述涡轮机时对其进行进一步加热，所述过热器可以通过暖水或者其它热 源供应热量。
5、 根据权利要求1所述的动力和淡水产生系统，其特征在于，所述水幕 蒸发方法被闪蒸蒸发方法替代。
6、 根据权利要求1所述的动力和淡水产生系统，其特征在于，所述水幕 蒸发方法^皮水喷洒蒸发方法替代。
7、 一种脱盐系统，所述脱盐系统从动力装置接受暖盐水排放和冷盐水排 放，所述动力装置与权利要求1所描述的用于产生可以饮用的水的装置类似， 所述脱盐系统包括吸入暖盐水的暖水室，当所述暖盐水向下流动通过所述暖水室时，所述暖 盐水冷却，从而释;^文热量以蒸发来自暖盐水的流动水幕的水，所述暖盐水的 流动水幕沿着相邻排空室的壁部向下流动；以及吸入冷盐水的冷水室，当所述冷盐水吸收来自相邻室的壁部上的水蒸汽凝 结的热量时，所述冷盐水一皮加热；多个排空室，所述排空室位于所述暖水室和所述冷水室之间；以及盐水分配器，所述盐水分配器位于每个所述排空室的顶部，以提供盐水水 幕，从而水幕沿着所述室壁部向下流动，其中来自暖水室的所述热量流动通过所述室的壁部，以便加热沿着所述相 邻排空室的所述壁部向下流动的所述盐水水幕，并且其中一些所述盐水水幕 蒸发，且所述蒸汽流向所述室的对面壁部并凝结，以便形成可以饮用的水并 将热量沉积在所述壁部上，热量流动通过所述壁部，从而导致沿着下一个室 的所述壁部向下流动的所述盐水的水幕部分蒸发，并且其中该过程在全部的 所述排空室中重复直到最后的排空室，蒸汽凝结在所述冷水室的所述壁部上，以及其中每个室内的盐水向下流向所述室的底部并流出以排^:盐水，并且淡 水向下流向所述底部并被收集作为可以饮用的水。
8、根据权利要求7所述的脱盐系统，其特征在于，每个排空室中放置有折流件，以便推动所述水蒸汽伴随其#_捕获的空气向上流向所述室的顶部附 近，从而使其沿着所述凝结的表面向下流动，以便将所述被捕获的空气拖拽 至所述室的底部，在此通过真空泵将其抽运出。
全文摘要
提供一种方法以在OTEC动力装置的煮沸器侧和冷凝器侧上均从海水中生产淡水。暖海洋表面水的一部分被蒸发，并且当蒸汽凝结时，蒸汽将热量传递给工作流体煮沸器。蒸汽凝结提供淡水。在冷凝器侧，来自涡轮机的工作流体蒸汽在冷凝器中的凝结释放热量，该热量蒸发沿着冷凝器表面的外侧流动的海水。来自海水的蒸汽通过换热器进行凝结，所述换热器使用较冷的海水作为输入。当冷海水接受来自冷凝蒸汽的热量时，冷海水变得稍微暖和并且提供接受来自冷凝器热量的海水来源。在换热器上凝结的蒸汽变成了淡水，该淡水流出作为可以饮用的水。
文档编号B01D3/06GK101626816SQ200780043804
公开日2010年1月13日 申请日期2007年10月2日 优先权日2006年10月2日
发明者梅尔文·L·普鲁伊特 申请人:梅尔文·L·普鲁伊特