热交换器、锅炉以及包括它们的系统的制作方法
【专利说明】热交换器、锅炉以及包括它们的系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2013年3月8日提交的美国临时专利申请第61/774，790号的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
[0003]本公开涉及锅炉，并且更具体地，涉及构造成将接收介质(receiver medium)(例如，水)从接近室温液体加热至热液体、蒸气和/或过热蒸气(取决于具体目的)的高效锅炉。本公开还涉及包括这种锅炉的系统，例如，炉系统、家庭供暖系统、动力产生系统等。
【背景技术】
[0004]在传统的锅炉中，源介质(例如，源气态烟雾)被用以通过布置在源介质与接收介质(例如，水)之间的导热交换材料、经由热交换来加热接收介质。然而，这种传统锅炉中的阻力导致很多热能作为废料逸出，这样严重降低了这些锅炉的效率。
[0005]无论是使用煤气炉煮沸一壶水、使用燃油炉为家庭供暖系统产生水蒸气、为蒸汽轮机产生过热水蒸气，还是利用任何其他的传统锅炉系统，热交换过程中的阻力都会通过分子薄膜层在交换材料(例如，布置在源介质与接收介质之间的导热材料)的表面上的形成引起，并且该阻力阻碍其间的热交换。具体地，根据边界层理论，在这种传统锅炉中，来自源介质的分子由于摩擦而粘住交换材料的表面并且最终达到与交换材料相同的温度，从而形成所谓的边界层。这个边界层阻止来自源介质的热量通过交换材料而交换到接收介质，并且被称为边界层阻力。
[0006]为减小边界层阻力，源介质循环通过锅炉的速率或速度必须增加用于使边界分子与源介质的干流分子之间的动量交换发生。当速度增加时，由于一些较冷的边界分子被较热的干流分子取代，产生湍流类型。这被称作强制对流，并且引起增强的热交换。
[0007]然而，增加源介质的速度并非无缺点。具体地，源介质必须被限制在锅炉中充足的时间以便允许接收介质吸收足够的能量来被充分加热到期望温度，例如，热液体、蒸气或过热蒸气。不幸的是，将源介质限制在锅炉中并不容易实现，因为源介质具有逸出的倾向并且源介质越热，其逸出得越快。换句话说，对锅炉的效率的限制在于:在有限的时间间隔内，需要快速且高效的热交换。
[0008]不管源介质变得如何湍急，都不能在源介质通过烟囱逸出之前，输送足够的能量用于接收介质吸收以充分地加热该接收介质。这是因为在传统锅炉中于源介质和接收介质之间存在阻抗失配。传统锅炉中的这种阻抗失配由以下情况造成:由于源介质与接收介质的不同的热力学参数，例如，密度(lb/ft3)、比热(BTU/lb x° F)和传导率(BTI/hr.-ft° F)，源介质(典型的气态烟雾)的能量密度(BTU/ft3)比接收介质(通常为液态水)的能量密度小几个数量级。能量供应者(即，源介质)与能量接收者(即，接收介质)之间的这种严重的阻抗失配使得源介质不能向接收介质充分地传递热量，因此传统锅炉是效率低的。
【发明内容】
[0009]本公开提供了热交换器、锅炉以及包括这两者且具有提升的热交换效率的系统。这些锅炉和系统的提升的热交换效率通过将抵抗热交换的主要阻力最小化而得以实现，该主要阻力即源介质(例如，热气态烟雾)与接收介质(例如，水)之间的阻抗失配。一旦这种主要阻力已经被最小化，源介质就能够将其更大比例的能量经由最小阻力路径输送来加热接收介质。由此，在使效率最大化的同时废料被最小化。因此，尽管在实践中热力学第二定律(B卩，卡诺循环)阻止液体和蒸气之间的精确阻抗匹配的实现，但是本公开的锅炉和系统构造成使这种阻抗失配最小化，从而使得这些锅炉和系统接近最佳效率。
[0010]根据特定目的，本公开的锅炉包括以下:烟雾产生器，例如，燃烧室(用于燃烧煤或任意其他合适的化石燃料、生物质燃料或其他燃料)；主热交换器，用于将接收介质从接近室温液体加热至热液体和/或蒸气；以及，可选地，副热交换器，用于将接收介质加热至过热蒸气。
[0011]该主热交换器和副热交换器具体地构造成使抵抗作用在其上的热交换的主要阻力最小化，所述主要阻力即，源介质(例如，通过燃烧化石燃料产生的热气态烟雾)和接收介质(例如，水)之间的阻抗失配。关于构造成将水从接近室温的液体加热至热液体和/或高达约700° F的蒸气的主热交换器，通过将热气态烟雾与动量传递媒介(例如，水滴)混合，减小了热气态烟雾与水之间的阻抗失配。
[0012]在使用时，具有与液态水接收介质基本相似的热力学参数的水滴通过热气态烟雾加热并且汽化。在接触交换材料的表面时，当能量从液滴通过交换材料传递到液态水接收介质时，汽化的液滴凝结。由此，热交换发生在具有类似的热力学参数和最小的阻抗差的水滴(动量传递媒介)和水(接收介质)之间。换句话说，接近了阻抗匹配条件。尽管如上面指出的不能实现精确阻抗匹配，但是，接近阻抗匹配条件使主要阻力最小化并且使热交换的效率最大化。
[0013]关于构造成将接收介质从蒸气加热至高达或高于1000° F的过热蒸气的副热交换器，源介质和接收介质两者都是气态的(例如，分别是热气态烟雾和水蒸气)。该热气态烟雾包括独立水蒸气分子，还有其他更重的分子。热气态烟雾的独立水蒸气分子用作至接收介质的独立水蒸气分子的动量传递媒介。更具体地，在该副热交换器中，并不发生凝结和汽化，而是，通过接收介质的独立水蒸气分子和热气态烟雾的独立水蒸气分子(动量传递媒介)之间的弹性碰撞来执行热传递。由于接收介质和动量传递媒介包括相同的分子，例如，独立水蒸气分子，因此，它们之间存在精确阻抗匹配，并且热交换的效率经由这两者之间的弹性碰撞而最大化。
[0014]与构造成提供高效的热交换的本公开的锅炉和系统结合，本公开的锅炉和系统可以进一步构造成与基于微处理器的智能、关联的数字设备和/或其他合适的控制系统或反馈系统一起使用，从而使得锅炉和系统能够被动态地调整以使效率最大化。
[0015]根据本公开提供的热交换器、锅炉和/或包括这两者的系统可以包括上述特征中的任意或全部或者本文详细描述的任意其他特征。具体地，根据本公开的方案，热交换器设置成包括第一壳体。布置在分隔物中的分离装置将由第一壳体限定的容积划分成混合区域和热交换区域。该分离装置限定多个孔口。该混合区域接收热烟雾和独立分子液滴，所述热烟雾和液滴彼此混合以形成烟雾-液滴蒸气混合物。该混合物穿过分离装置的孔口进入到热交换区域中。多个盒状件布置在第一壳体的热交换区域中。盒状件包括最下盒状件、最上盒状件以及布置在两者之间的至少一个中间盒状件。每个盒状件均限定腔。盒状件的腔布置成彼此连通。最下盒状件构造成接收被从最下盒状件穿过每个相继的盒状件的腔栗送至最上盒状件的接收介质。该混合物关于盒状件循环以随着接收介质被栗送穿过每个相继的盒状件的腔而逐渐地加热该接收介质。
[0016]在方案中，该分离装置包括至少一个隔板。
[0017]在方案中，该热交换器包括至少部分地穿过混合区域延伸的进料管。该进料管连接至液体源并且限定多个针状孔，液体被迫将独立分子液滴通过多个针状孔喷涌到混合区域中。
[0018]在方案中，该液体是水并且该接收介质是水。
[0019]在方案中，最上盒状件输出水蒸气。
[0020]在方案中，每个盒状件均包括板和罩。该板限定凹槽并且具有关于凹槽的外周延伸的凸缘。该罩关于板的凹槽布置以限定并且封闭其间的腔。
[0021]在方案中，盒状件中的至少一个的腔的深度等于相邻盒状件之间的竖直间距。
[0022]在方案中，最上盒状件构造为蒸发器，其具有限定上部和下部的扩大腔。腔的上部容纳蒸气，而该腔的下部容纳液体。
[0023]在方案中，第一壳体由多个面板形成。至少两个面板经由包括布置在限定在至少两个面板之间的间隙中的密封覆盖层(blanket)的柔性联接而接合。
[0024]在方案中，第二壳体围绕第一壳体布置并且限定位于第一壳体和第二壳体之间的绝缘区域