流体间传递热的制作方法

流体间传递热的制作方法
【专利摘要】热交换器可以包括热交换板，该热交换板具有：暴露于非工作流体的前外表面和后外表面；和位于前外表面和后外表面之间的内部的工作流体流动通路，该工作流体流动通路包括沿第一方向的多个第一平行流路和沿第二方向的多个第二平行流路。
【专利说明】流体间传递热
【技术领域】
[0001]本发明涉及流体间传递热，并且更具体地涉及利用热交换板在流体间传递热。
【背景技术】
[0002]全球能源消耗和需求一直以指数速度增长。这方面的需求预计将持续上升，特别是在亚洲和拉丁美洲的发展中国家。同时，传统的能源资源、即化石燃料正在加速减少并且开采化石燃料的成本持续上升。环境和监管方面的担忧正在加剧这一问题。
[0003]与太阳相关的可再生能源是可以为不断增长的能源需求提供一部分解决方案的一种可选的能源资源。由于与太阳相关的可再生能源与化石燃料、铀、甚至热力“绿色”能源不一样，很少存在或者不存在与其使用相关联的气候风险，所以与太阳相关的可再生能源有很大吸引力。另外，与太阳相关的能源是免费的并且极为丰富。
[0004]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。全世界的热带大洋和大海提供了独特的可再生能源资源。在许多热带地区(在大约北纬20°与南纬20°之间)，表面海水的温度几乎保持恒定。直到大约100英尺深度，海水的平均表面温度随着季节在75° F和85° F或者更高之间变化。在同一区域，深层海水(在2500英尺和4200英尺之间或者更深)保持在相当恒定的40° F。因此，热带海洋结构在表面提供了大的热水储藏并且在深层提供了大的冷水储藏，并且热水储藏与冷水储藏之间的温差在35° F至45° F之间。该温差(AT)在白天和夜晚保持得相当恒定，并且季节性的变化小。
[0005]OTEC工艺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。OTEC发电在20世纪70年代后期被认同为对于能源生产而言是具有低到零碳足迹(carbonfootprint)的可能的可再生能源资源。然而，与多数传统的高压高温发电站相比，OTEC电站具有低的热力学效率。例如，利用80° F和85° F之间的平均海洋表面温度以及40° F的恒定深水温度，OTEC电站的最大理想卡诺效率(Carnot efficiency)为7.5%至8%。在实际操作中，OTEC电力系统的总电力效率经估计为卡诺极限的大约一半，或者大约3.5%至4.0%。另外，在1994年牛津大学出版社出版的由William Avery和Chih Wu发表的题为“来自海洋的可再生能源，OTEC 指南” (“Renewable Energy from the Ocean, a Guide to0TEC”)(通过引用合并于此冲所记载的、由20世纪70年代和20世纪80年代前沿研究人员所进行的分析表明:通过以AT为40° F进行操作的OTEC电站产生的总电力的四分之一至一半(或者更多)将被需要用于使水泵和工作流体泵运行并且为电站的其他辅助需要供电。基于此，OTEC电站的将存储在表面海水中的热能转化成净电能的低的整体净效率一直未能成为商业上可行的能源生产方案。
[0006]造成整体热力学效率进一步降低的另一因素是与用于涡轮机的精确频率调节而提供必要的控制相关联的损失。这引起了涡轮机循环中的压力损失，该压力损失限制了能够从热海水中提取的功。于是最终的净电站效率将在1.5%和2.0%之间。
[0007]这种比在高温高压下进行操作的热机的典型效率低的OTEC净效率导致能源规划者广泛持有如下假设=OTEC电站成本太高以至于无法与多数传统的发电方法抗争。
[0008]实际上，因为热水和冷水之间的温差相对小，所以寄生电力需要在OTEC电站中特别重要。为了实现热海水与工作流体之间以及冷海水与工作流体之间的最大热传递，需要大的热交换表面积，以及高的流体速度。增加这些因素中的任何一个都可能使OTEC电站上的寄生载荷增大，从而降低净效率。使海水与工作流体之间的有限的温差中的能量传递最大化的高效热传递系统将增加OTEC电站的商业可行性。
[0009]除了由于看似固有的大的寄生载荷而效率相对低之外，OTEC电站的操作环境引起了也会降低这种操作的商业可行性的设计及操作方面的挑战。如之前所提到的，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。在人口中心附近乃至大陆块通常都找不到这样的深度。离岸电站是必须的。
[0010]不管电站是浮式的还是固定于水下地貌，均需要2000英尺或更长的长冷水引入管。此外，由于商业上可行的OTEC操作所需的水量很大，所以冷水引入管需要具有大直径(通常在6英尺和35英尺之间或者更大)。将大直径管悬挂在离岸结构上存在稳定性、连接以及构造方面的挑战，这会预先驱使OTEC成本超出商业可行性。
[0011]另外，悬挂在动态的海洋环境中的、具有显著的长度直径比的管会沿着管的长度而遭受温差以及变化的洋流。由沿着管的弯曲和漩涡脱落(vortex shedding)而引起的应力也引起了挑战。此外，诸如波浪作用等表面影响引起了与管和浮式平台之间的连接有关的进一步挑战。具有期望的性能、连接以及构造考虑的冷水管引入系统能够提高OTEC电站的商业可行性。
[0012]与OTEC电站相关联的对环境的关注也已经成为OTEC操作的障碍。传统的OTEC系统从海洋深处抽取大量的营养丰富的冷水并且在表面或者表面附近将这些水排放。这样的排放可能以正面或负面的方式对OTEC电站附近的海洋环境产生影响，可能对处于OTEC排放下游的鱼群和珊瑚礁系统带来冲击。

【发明内容】

[0013]在一些方面中，发电站利用海洋热能转换工序作为动力源。
[0014]进一步的方面涉及离岸OTEC电站，该OTEC电站具有由于降低了寄生载荷而提高了的整体效率、较好的稳定性、较低的构造和操作成本以及改善了的环境足迹(environmental footprint)。其他方面包括与浮式结构一体的大容量水管道。多级OTEC热机的模块化和区室化降低了构造和维护成本、限制了离网操作并且提高了操作性能。又进一步的方面提供了具有在结构上一体的热交换区室的浮式平台，并且提供了平台的由于波浪作用而产生的低运动。一体的浮式平台也可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提高了效率并且降低了寄生电力需要。相关联的系统通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内可以促进环境中性的热足迹。以电力的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度。
[0015]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柜在结构上与电站的浮式平台或结构一体化。
[0016]在一些方面中，热交换板包括:暴露于非工作流体的前外表面和后外表面；以及位于所述前外表面和后外表面之间的内部的工作流体流动通路，所述工作流体流动通路包括沿第一方向的多个第一平行流路和沿第二方向的多个第二平行流路。这些系统的实施方式可以包括一个或多个以下特征。
[0017]在一些实施方式中,所述第一方向与所述第二方向相反且与所述第二方向平行。
[0018]在一些实施方式中，所述第一流路的所述第一方向和所述第二流路的所述第二方向与所述非工作流体的流动的方向垂直。
[0019]在一些实施方式中，所述板进一步包括:当工作流体具有低蒸汽质量时具有相对高的工作流体质量通量的第一区；和当所述工作流体具有高蒸汽质量时具有相对低的工作流体质量通量的第二区。
[0020]在一些实施方式中，内部的所述流动通路具有与所述多个第一平行流路和所述多个第二平行流路流体接触的变化空间的区域。在一些情况中，所述热交换板在所述多个第一平行流路和所述多个第二平行流路内进一步包括一个或多个结构性壁，该一个或多个壁大体上平行于所述流路并且在所述变化空间的区域内终止。在一些情况中，所述一个或多个结构性壁在终端包括导向翼，所述导向翼被沿流动的方向取向。在一些情况中，所述一个或多个结构性壁在所述结构性壁的近端包括导向翼。
[0021]在一些实施方式中，所述多个第一流路和所述多个第二流路中的流路包括截面区域在155mm与60mm之间的空隙。
[0022]在一些实施方式中，所述热交换板是复合吹塑成型的板。
[0023]在一些实施方式中，所述热交换板是铝的。
[0024]在一些实施方式中，遍及所述板的工作流体压降为大约.2psi/ft。
[0025]在一些实施方式中，所述非工作流体的热传递系数在从900Btu/ft2Rhr到1400Btu/ft2Rhr 的范围内。
[0026]在一些实施方式中，沿第一方向的多个第一平行流路的图案和沿第二方向的多个第二平行流路的图案反复横过所述热交换板的长度。在一些情况中，所述多个第一流路和所述多个第二流路中的流路的数量随着所述图案反复横过所述热交换板的长度而增加。在一些情况中，所述多个第一流路中的流路的数量从每第一方向上四个流路增加到每第一方向上六个流路。在一些情况中，所述多个第一流路中的流路的数量从每第一方向上两个流路增加至每第一方向上四个流路。
[0027]在一些实施方式中，所述非工作流体是海水。
[0028]在一些实施方式中，所述工作流体是氨。
[0029]在一些实施方式中，所述板是OTEC热交换板。
[0030]又进一步的方面包括浮式海洋热能转换电站。诸如柱筒的低起伏结构或者改进型半潜式离岸结构可以包括第一甲板部，该第一甲板部具有结构一体化的热海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第一甲板部提供工作流体的蒸发。第二甲板部也设置有结构一体化的冷海水通道、多级热交换表面和工作流体通道，其中，第二甲板部提供用于使工作流体从蒸汽冷凝成液体的冷凝系统。第一和第二甲板工作流体通道与第三甲板部连通，该第三甲板部包括由一个或多个蒸汽涡轮机驱动的发电机，以用于发电。
[0031]在一个方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部。浸没部进一步包括:第一甲板部，该第一甲板部包括一体化的多级蒸发器系统；第二甲板部，该第二甲板部包括一体化的多级冷凝系统；第三甲板部，该第三甲板部容纳有电力产生和转换装置；冷水管和冷水管连接部。
[0032]在进一步的方面中，第一甲板部进一步包括形成高容量热水管道的第一级热水结构通道。第一甲板部还包括与第一级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第一级工作流体通道。第一甲板部还包括直接联接至第二级热水结构通道的第一级热水排放部。第二级热水结构通道形成高容量热水通道并且包括联接至第一级热水排放部的第二级热水引入部。第一级热水排放部到第二级热水引入部的配置提供第一级与第二级之间的热水流中的低压力损失。第一甲板部还包括与第二级热水结构通道协作配置以将工作流体加热成蒸汽的第二级工作流体通道。第一甲板部还包括第二级热水排放部。
[0033]在进一步的方面中，浸没部进一步包括第二甲板部，该第二甲板部包括用于形成高容量冷水管道的第一级冷水结构通道。第一级冷水通道进一步包括第一级冷水引入部。第二甲板部还包括与第一甲板部的第一级工作流体通道连通的第一级工作流体通道。第二甲板部的第一级工作流体通道与第一级冷水结构通道协作以将工作流体冷却成液体。第二甲板部还包括第一级冷水排放部，该第一级冷水排放部直接联接至形成高容量冷水管道的第二级冷水结构通道。第二级冷水结构通道包括第二级冷水引入部。第一级冷水排放部和第二级冷水引入部配置成提供从第一级冷水排放部到第二级冷水引入部的冷水流中的低压力损失。第二甲板部还包括与第一甲板部的第二级工作流体通道连通的第二级工作流体通道。第二级工作流体通道与第二级冷水结构通道协作将第二级工作流体通道中的工作流体冷却成液体。第二甲板部还包括第二级冷水排放部。
[0034]在进一步的方面中，第三甲板部可以包括第一蒸汽涡轮机和第二蒸汽涡轮机，其中第一甲板部的第一级工作流体通道与第一涡轮机连通，并且第一甲板部的第二级工作流体通道与第二涡轮机连通。第一和第二涡轮机能够联接至一个或多个发电机。
[0035]在又进一步的方面中，提供一种离岸发电结构，其包括浸没部，该浸没部进一步包括:四级蒸发器部、四级冷凝器部、四级发电部、冷水管连接部和冷水管。
[0036]在一个方面中，四级蒸发器部包括热水管道，该热水管道包括:第一级热交换表面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。热水管道包括浸没部的垂向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个处被加热成蒸汽。
[0037]在一个方面中，四级冷凝器部包括冷水管道，该冷水管道包括:第一级热交换表面、第二级热交换表面、第三级热交换表面和第四级热交换表面。冷水管道包括浸没部的垂向结构构件。第一、第二、第三和第四热交换表面与工作流体管道的第一、第二、第三和第四级部协作，其中，流过工作流体管道的工作流体在第一、第二、第三和第四级部中的每一个处被冷却为液体，并且在各依次级处温度逐渐升高。
[0038]在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中，蒸发器部第一级工作流体管道与第一蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第四级工作流体管道。
[0039]在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第二级工作流体管道与第二蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第三级工作流体管道。
[0040]在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第三级工作流体管道与第三蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第二级工作流体管道。
[0041]在再一方面中，蒸发器部的第一、第二、第三和第四级工作流体管道与第一、第二、第三和第四蒸汽涡轮机连通，其中蒸发器部第四级工作流体管道与第四蒸汽涡轮机连通并且排出至冷凝器部的第一级工作流体管道。
[0042]在又进一步的方面中，第一发电机由第一涡轮机或第四涡轮机驱动，或者由第一和第四涡轮机的组合驱动。
[0043]在又进一步的方面中，第二发电机由第二涡轮机或第三涡轮机驱动，或者由第二和第三涡轮机两者的组合驱动。
[0044]另外的方面可以包含一个或多个以下特征:第一和第四涡轮机或第二和第三涡轮机产生9丽和60丽之间的电力；第一和第二涡轮机产生大约55丽的电力；第一和第二涡轮机形成海洋热能转换电站中的多个涡轮发电机组中的一个；第一级热水引入部不与第二级冷水排放部发生干涉；第一级冷水引入部不与第二级热水排放部发生干涉；第一或第二级工作流体通道内的工作流体包括商业制冷剂。工作流体包括诸如氨、丙烯、丁烷、R-134或R-22等的具有合适的热力学性质的任意流体；第一和第二级工作流体通道内的工作流体温度增加12° F至24° F ;第一工作流体流过第一级工作流体通道，并且第二工作流体流过第二级工作流体通道，其中，第二工作流体以低于第一工作流体进入第一蒸汽涡轮机的温度进入第二蒸汽涡轮机；第一和第二级工作流体通道中的工作流体温度降低12° F至24° F ;第一工作流体流过第一级工作流体通道，并且第二工作流体流过第二级工作流体通道，其中，第二工作流体以低于第一工作流体进入第二甲板部的温度进入第二甲板部。
[0045]进一步的方面也可以包含一个或多个以下特征:在第一或第二级热水结构通道内流动的热水包括:热海水、地热加热水、太阳能加热储藏水；变热了的工业冷却水，或这些水的组合；热水以在500，OOOgpm (加仑/分钟)和6，000, OOOgpm之间的流量流动；热水以5，440，OOOgpm 的流量流动；热水以在 300，000，0001b/hr 和 I, 000，000，0001b/hr 之间的流量流动；热水以2，720，OOOlb/hr的流量流动；在第一或第二级冷水结构通道内流动的冷水包括:冷海水，冷淡水、冷地下水或者这些的组合；冷水以在250，OOOgpm和3，000，OOOgpm之间的流量流动；冷水以3，420，OOOgpm的流量流动；冷水以在125，000, 0001b/hr和1，750，000, 0001b/hr之间的流量流动；冷水以1，710，0001b/hr的流量流动。
[0046]若干个方面还可以包含一个或多个以下特征:离岸结构是低起伏结构；离岸结构是浮式柱筒(spar)结构；离岸结构是半潜式结构。
[0047]又进一步的方面可以包括用于在海洋热能转换电站中使用的高容量低速度热交换系统，该系统包括:第一级柜，该第一级柜进一步包括第一工作流体通道和用于与工作流体热交换的第一水流动通道；以及联接至第一级柜的第二级柜，该第二级柜进一步包括第二工作流体通道和用于与工作流体热交换的第二水流动通道，第二水流动通道以限制从第一水流动通道流至第二水流动通道的水的压降的方式联接至第一水流动通道。第一和第二级柜包括电站的结构构件。
[0048]在一个方面中，水从第一级柜流至第二级柜，并且第二级柜在蒸发器中位于第一级柜的下方。在另一方面中，水从第一级柜流至第二级柜，并且第二级柜在冷凝器中位于第一级柜的上方且在蒸发器中的第一级柜的下方。
[0049]在又进一步的方面中，冷水管为OTEC的冷水引入部提供来自海洋深处的冷水。冷水引入部可以在OTEC电站的浸没部的第二甲板部内。冷水管可以是分段式构造。冷水管可以是连续的管。冷水管可以包括:长形管状结构，该管状结构具有外表面、顶端和底端。管状结构可以进一步包括多个第一板条部和多个第二板条部，每个板条部均具有顶部和底部，其中第二板条部的顶部与第一板条部的顶部错开。冷水管可以包括至少部分地螺旋卷绕外表面的箍或带。第一和第二板条以及/或者箍可以包括聚氯乙烯(PVC)、氯化聚氯乙烯(CPVC)、纤维增强塑料(FRP)、增强聚合物砂浆(RPMP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、交联高密度聚乙烯(PEX)、聚丁烯(PB)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS);聚酯、纤维增强聚酯、乙烯基酯、增强乙烯基酯、混凝土、陶瓷或上述材料中的一种或多种的组合物。
[0050]进一步的方面包括OTEC电站的浸没部与冷水管之间的动态连接。当冷水管被悬挂于OTEC平台时，动态连接可以支撑冷水管的重量和动态力。动态管连接可以允许OTEC平台与冷水管之间的相对移动。相对移动可以是相对于垂向的0.5°至30°。在一个方面中，相对移动可以是相对于垂向的0.5°至5°。动态管连接可以包括球形或弧形支承面。
[0051]在一些实施方式中，在OTEC电站的浸没部与冷水管之间设置静态连接。在这些系统中，冷水管的顶端可以是锥形的并且利用线和从该柱筒内降低的绞盘缩回到锥形接收部内。可以利用锁定机构来保持冷水管，使得在从柱筒的较低甲板到中间体甲板的升降设备中使用时能够将线拆下。
[0052]在一个方面中，浸没的垂向管连接包括浮式结构，该浮式结构具有垂向管接收凹部，其中接收凹部具有第一直径；用于插入到管接收凹部内的垂向管，该垂向管具有比管接收凹部的第一直径小的第二直径；支承面；和能与支承面操作的一个或多个爪，其中，当爪与支承面接触时，爪限定与第一直径或第二直径不同的直径。
[0053]在与本申请同时提交的题为“板条式海洋热能转换电站-冷水管连接”的美国专利申请N0.13/209，893和题为“海洋热能转换电站”的美国专利申请N0.13/209, 865中描述了其他方面的更多细节，并且这些申请通过引用全部合并于此。
[0054]若干方面可以具有一个或多个以下优点:0TEC发电需要少至没有的用于能源生产的燃料成本；与高压高温发电站中使用的高成本的特殊的材料相比，OTEC热机中涉及的低压力和低温度降低了组成元件成本并且需要普通材料；电站可靠性可以与商业制冷系统媲美，连续操作多年而不用重大的维修；与高压高温电站相比降低了构造时间；以及安全、对环境无害的操作和发电。另外的优点可以包括:与传统OTEC系统相比增加了净效率、降低了牺牲性电力载荷；热水和冷水通道以及工作流体流动通道中的降低了压力损失；模块化组成部件；较低频率的离网发电时间；针对波浪作用的低起伏和减少了的敏感性；冷却水在表面水位下方排放，热水的引入不与冷水排放发生干涉。
[0055]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。
【专利附图】

【附图说明】
[0056]图1示出示例性现有技术的OTEC热机。[0057]图2示出示例性现有技术的OTEC的电站。
[0058]图3示出OTEC结构。
[0059]图4示出热交换器甲板的甲板平面图。
[0060]图5示出柜式热交换器。
[0061]图6A示出传统的热交换循环。
[0062]图6B示出级联的多级热交换循环。
[0063]图6C示出混合级联的多级热交换循环。
[0064]图6D示出蒸发器压降和关联的发电。
[0065]图7A和图7B示出示例性OTEC热机。
[0066]图8不出传统的壳管式热交换器。
[0067]图9示出传统的板式热交换器。
[0068]图10示出柜式热交换器。
[0069]图11示出热交换板配置的立体图。
[0070]图12示出热交换板配置的立体图。
[0071]图13示出热交换板构造的侧视图。
[0072]图14示出传统的高温蒸汽循环的P_h图。
[0073]图15示出热循环的Ρ-h图。
[0074]图16示出热交换板的实施方式。
[0075]图17示出热交换板的实施方式。
[0076]图18示出热交换板的一部分。
[0077]图19A和图19B示出一对热交换板的实施方式。
[0078]图20A和图20B示出一对热交换板的实施方式。
[0079]图21A至图21D示出用于OTEC电站的热交换板的示例性布局。
[0080]图22A和图22B分别是热交换匣的示意性平面图和热交换板的工作流体通路的截面图。
[0081]图23A和图23B分别是热交换匣的示意性平面图和热交换板的工作流体通路的截面图。
[0082]图24A和图24B分别是热交换匣的示意性平面图和热交换板的工作流体通路的截面图。
[0083]图25A和图25B分别是热交换匣的示意性平面图和热交换板的工作流体通路的截面图。
[0084]图26A和图26B分别是热交换匣的示意性平面图和热交换板的工作流体通路的截面图。
[0085]图27A和图27B将全尺寸的热交换匣与成比例缩小了的热交换匣进行比较。
[0086]图28至图32是热交换匣的实施方式的示意性平面图。
[0087]图33至图35示出工作流体通路的截面图。
[0088]各图中相似的附图标记表示相似的元件。
【具体实施方式】[0089]本公开涉及利用海洋热能转换(OTEC)技术发电。若干方面涉及浮式OTEC电站，该OTEC电站具有优于传统的OTEC电站的改善了的整体效率、降低了的寄生载荷、较好的稳定性以及较低的构造和操作成本。其他方面包括与浮式结构一体的大容量水管道。多级OTEC热机的模块化和区室化降低了构造和维护成本、限制了离网操作并且提高了操作性能。又进一步的方面提供了具有一体的热交换区室的浮式平台，并且提供了平台由于波浪作用而产生的低运动。一体的浮式平台也可以提供通过多级热交换器的高效的热水流或冷水流，提闻了效率并且降低了寄生电力需要。特别地，闻效的热交换板可以提供提闻的整体效率，因此进一步降低了寄生电力需要。若干方面通过将热水和冷水排放在适当的深度/温度范围内而促进了中性热足迹。以电的形式提取出的能量降低了到达海洋的整体温度(bulktemperature)ο
[0090]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利用了较热的上层海水与较冷的深层海水之间的温差。该温差典型地至少为36° F (20°C)。这些条件存在于热带地区，大致在南回归线和北回归线之间，甚至是在南北纬20°之间。OTEC工艺利用温差向兰金循环(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(heat sink)。兰金循环的涡轮机驱动用于产生电力的发电机。
[0091]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。
[0092]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。也可以使用其他商业制冷剂。大约75° F和85° F之间或者更高温度的热海水经由热海水入口 12被从海洋表面或比海洋表面稍低的位置抽取，进而对穿过蒸发器14的氨工作流体进行加热。氨沸腾产生大约9.3标准大气压(atm)的蒸汽压。蒸汽沿着工作流体管道22被输送至涡轮机16。氨蒸汽在穿过涡轮机16时膨胀，产生了驱动发电机25的动力。然后氨蒸汽进入冷凝器20，在那里氨蒸汽被从大约3000英尺深的深层海洋抽取的冷海水冷却为液体。冷海水以大约40° F的温度进入冷凝器。在冷凝器20中的温度为大约51° F的氨工作流体的蒸汽压为6.1标准大气压。因此，显著的压力差可用于驱动涡轮机16并产生电力。当氨工作流体冷凝时，液态工作流体经由工作流体管道22被工作流体泵24泵回至蒸发器14内。
[0093]图1的热机10与大多数蒸汽涡轮机的兰金循环实质上相同，除了 OTEC由于利用不同的工作流体和较低的温度及压力而不同。图1的热机10也与商业制冷设备相似，除了OTEC循环沿相反的方向运行使得热源(例如，热海水)和冷的冷源(例如，深层海水)被用于产生电力。
[0094]图2示出浮式OTEC电站200的组成部件,这些组成部件包括:船舶(vessel)或平台210、热海水入口 212、热水泵213、蒸发器214、热海水出口 215、涡轮发电机216、冷水管217、冷水入口 218、冷水泵219、冷凝器220、冷水出口 221、工作流体管道222、工作流体泵224和管连接部230。OTEC电站200还可以包括发电、转换和传输系统、诸如推进器、推动器等位置控制系统或者锚泊系统(mooring system)以及各种辅助和支持系统(例如，人员住宿、应急电源、饮用水、污水和废水、消防、损害控制、储备浮力以及其他常见的船上或海事系统)。[0095]利用图1和图2中的基本的热机和系统实现的OTEC电站具有3%或更小的相对低的整体效率。由于该低的热效率，所以产生每千瓦电力的OTEC操作都需要大量的水流过电力系统。这进而需要具有大的热交换表面积的大的热交换器。
[0096]这样的大量的水和大表面积需要热水泵213和冷水泵219具有相当大的泵取能力，降低了可用于配送至岸基设备或船上工业目的的净电力。此外，多数表面船舶的有限空间也不太可能便于大量的水导入并流过蒸发器或冷凝器。实际上，大量的水需要大直径管和管道。将这样的结构放在有限的空间内需要多个弯道来容纳其他机械。典型的表面船舶或结构的有限空间不太可能便于OTEC电站的最大效率所需的大的热交换表面积。因此，OTEC系统以及船舶或平台历来较大并且昂贵。这导致如下工业结论:与利用较高温度和压力的其他能源生产方案相比，OTEC操作是一种高成本、低产出的发电方案。
[0097]本文中描述的系统和途径解决了技术挑战，以提高OTEC操作的效率并且降低构造和操作成本。
[0098]船舶或平台210需要低运动，以限制冷水管217与船舶或平台210之间的动态力，并且为平台或船舶中的OTEC设施提供良性的操作环境。船舶或平台210还应该支持冷水入口和热水入口(218和212)的体积流量使得以适当的程度引入足够的冷水和热水，以确保OTEC工艺的效率。船舶或平台210还应该使得冷水和热水能够经由船舶或平台210的水线下方的适当位置的冷水出口和热水出口(221和215)排放，以避免热回流进入到海洋表面层中。另外，船舶或平台210应该经受得住恶劣天气而不会干扰发电操作。
[0099]本文中描述的OTEC热机10利用用于最大效率和最大发电的高效热循环。沸腾和冷凝过程中的热传递以及热交换器材料和设计均限制了从每磅热海水能够提取出的能源的量。蒸发器214和冷凝器220中使用的热交换器利用大的热水和冷水流量以及低的水头损失(head loss)以限制寄生载荷。热交换器也提供闻的热传递系数以提闻效率。热交换器包含被调节成适应(tailor)热水入口温度和冷水入口温度的材料和设计，以提高效率。热交换器设计能够使用材料用量低的简单的构造方法，以降低成本和体积。
[0100]涡轮发电机216具有内部损失低的高效率，并且还可以被调节成适应工作流体以提高效率。
[0101]图3示出提高以前的OTEC电站的效率并且克服与其相关联的多个技术挑战的OTEC系统的实施。该实施包括船舶或平台用柱筒(spar)，柱筒上一体设置有热交换器和相关联的热水管路和冷水管路。
[0102]OTEC柱筒310容纳有用于与OTEC发电站一起使用的一体化多级热交换系统。柱筒310包括在水线305下方的浸没部311。浸没部311包括热水引入部340、蒸发器部344、热水排放部346、冷凝器部348、冷水引入部350、冷水管351、冷水排放部352、机械甲板部(machinery deck portion) 354 和甲板室 360。
[0103]在操作中，75° F和85° F之间的热海水通过热水引入部340而被引入并且通过结构一体化的热水管道(未示出)在柱筒中向下流动。由于OTEC热机所需的水流量大，所以热水管道将水流以500，OOOgpm和6，000, OOOgpm之间的流量引导至蒸发器部344。这样的热水管道具有6英尺和35英尺之间或更大的直径。由于该尺寸，所以热水管是柱筒310的垂向结构构件(vertical structural member)。热水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，热水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。[0104]热水然后流过蒸发器部344，该蒸发器部344容纳有用于将工作流体加热至蒸汽的一个或多个堆叠式多级热交换器。热海水然后经由热水排放部346从柱筒310排放。热水排放可以位于或靠近温度与热水排出温度大致相同的海洋热层处，或者经由热水排放管被引导至或被引导靠近温度与热水排放温度大致相同的海洋热层的深度，以限制环境冲击。热水排放可以被引导至避免在热水引入或冷水引入情况下热回流的足够的深度处。
[0105]冷海水经由冷水管351被从2500英尺和4200英尺之间或更深的深度抽取，温度大约为40° F。冷海水经由冷水引入部350进入柱筒310。由于OTEC热机需要大的水流量，所以冷海水管道将水流以500，OOOgpm和3，500, OOOgpm之间的流量引导至冷凝器部348。这样的冷海水管道具有6英尺和35英尺之间或者更大的直径。由于该尺寸，所以冷海水管道是柱筒310的垂向结构构件。冷水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，冷水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。
[0106]冷海水然后向上流到堆叠式多级冷凝器部348，在那里冷海水将工作流体冷却成液体。冷海水然后经由冷海水排放部352从柱筒310排放。冷水排放可以位于或靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层处，或者经由冷海水排放管被弓I导至或被引导靠近温度与冷海水排放温度大致相同的海洋热层的深度。冷水排放可以被引导至能够避免与热水引入或冷水引入有热回流的足够的深度处。
[0107]机械甲板部354可以被定位成在垂向上位于蒸发器部344和冷凝器部348之间。将机械甲板部354定位在蒸发器部344的下方允许几乎直线状的热水从引入部流动经过多级蒸发器并且排放。将机械甲板部354定位在冷凝器部348的上方允许几乎直线状的冷水从引入部流动经过多级冷凝器并且排放。机械甲板部354包括涡轮发电机356。在操作中，来自蒸发器部344的被加热成蒸汽的热工作流体流到一个或多个涡轮发电机356。工作流体在涡轮发电机356中膨胀从而驱动用于发电的涡轮机。工作流体然后流到冷凝器部348，在那里工作流体被冷却成液体并且被泵送至蒸发器部344。
[0108]图4示出了 OTEC系统的实施，其中，围绕OTEC柱筒410的周围配置了多个多级热交换器420。热交换器420可以是OTEC热机中使用的蒸发器或冷凝器。热交换的周围布局可以与OTEC柱筒平台的蒸发器部344或冷凝器部348 —起使用(如图3所示)。周围配置可以支撑任何数量的热交换器(例如，I个热交换器，在2个和8个之间的热交换器，8个至16个热交换器，16个至32个热交换器，或者32个或更多的热交换器)。一个或多个热交换器可以沿周向配置在OTEC柱筒410的一个甲板或更多个甲板(例如，2个、3个、4个、5个、或6个或更多的甲板)上。一个或多个热交换器可以在两个或多个甲板之间沿周向错开地设置使得没有两个热交换器在垂向上上下对准。一个或多个热交换器可以沿周向配置成使得一个甲板中的热交换器在垂向上与相邻的另一个甲板上的热交换器对准。
[0109]单个热交换器420可以包括多级热交换系统(例如，I个、2个、3个、4个、5个、或6个或更多热交换系统)。在一个实施方式中，单个热交换器420是被构造成为流过热交换器的热海水流、冷海水流和工作流体提供低压力损失的柜式热交换器(cabinet heatexchanger)。
[0110]参照图5，柜式热交换器520的实施方式包括多个热交换级521、522、523和524。在一些实施中，堆叠的热交换器容纳从第一蒸发器级521向第二蒸发器级522、第三蒸发器级523、第四蒸发器级524地向下流过柜的热海水。在堆叠的热交换柜的另一实施方式中，冷海水从第一冷凝器级531向第二冷凝器级532、第三冷凝器级533、第四冷凝器级534地向上流过柜。工作流体流过工作流体供给管道538和工作流体排放管道539。在一个实施方式中，工作流体管道538和539与热海水或冷海水的垂向流动相比横向地进入和离开各热交换器级。柜式热交换器520的垂向多级热交换设计有利于一体化的船舶(例如，柱筒)和热交换器设计、去除了热交换器级之间的相互连接管路的需要并且确保了几乎所有热交换器系统压降发生在整个热传递表面上。
[0111]可以如本文中所描述地利用表面的形状、处理以及间距使热传递表面效率提高。诸如铝合金等的材料选择提供了超过传统的钛基设计的优异的经济性能。热传递表面可以包括100系列、3000系列或5000系列的招合金。热传递表面可以包括钛和钛合金。
[0112]已经发现:多级热交换器柜使得能够在OTEC热机的相对低的可用的温差范围内从海水中传递高能量给工作流体。任何OTEC电站的热力学效率都是工作流体的温度如何接近海水的温度的函数。热传递的物理现象决定了传递能量所需的面积随着工作流体温度接近海水温度而增加。增加海水的速度可以增大热传递系数以消除表面积的增加。然而，增加海水的速度会大大增加泵取所需的电力，从而增加了 OTEC电站上的寄生电载荷。
[0113]图6A示出利用热表面海水在热交换器中使工作流体沸腾的OTEC循环。该传统的兰金循环中的流体特性受到了将离开的工作流体限制在离开的热海水温度的大约3° F以下的沸腾过程的制约。采用相似的方式，循环的冷凝侧被限制为比离开的冷海水温度高不小于2° F。对于工作流体而言总的可用的温度下降为大约12° F (在68° F和56° F之间)。
[0114]已经发现:级联的多级OTEC循环允许工作流体温度更加紧密地匹配海水的温度。该温差上的增大增加了与OTEC热机相关联的涡轮机所能够完成的功。
[0115]图6B示出采用了多个沸腾和冷凝步骤以扩大可用的工作流体温度下降的级联的多级OTEC循环。各步骤需要独立的热交换器，或者图5的柜式热交换器520中的专用热交换器级。图6b的级联的多级OTEC循环允许涡轮机的输出与用于海水和工作流体的期望的泵取负载相匹配。该高度高效的设计将需要专用和定制的涡轮机。
[0116]图6C示出了混合的仍然高效的级联OTEC循环，该循环在保持图6B的纯正级联配置的热力学效率或优化的同时便于使用同样的设备(例如，涡轮机、发电机、泵)。在图6C的混合级联循环中，用于工作流体的可用的温差的范围从约18° F至约22° F。该缩窄的范围允许热机中的涡轮机具有同样的性能规格，从而降低了构造和操作成本。
[0117]利用混合级联循环大大地增加了 OTEC电站的系统性能和电力输出。表A将图6A的传统循环的性能与图6C的混合级联循环的性能进行了比较。
[0118]表A
[0119]
【权利要求】
1.一种热交换板，所述热交换板包括: 暴露于非工作流体的前外表面和后外表面；以及 位于所述前外表面和后外表面之间的内部的工作流体流动通路，所述工作流体流动通路包括沿第一方向的多个第一平行流路和沿第二方向的多个第二平行流路。
2.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向相反且与所述第二方向平行。
3.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述第一流路的所述第一方向和所述第二流路的所述第二方向与所述非工作流体的流动的方向垂直。
4.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述板进一步包括:当工作流体具有低蒸汽质量时具有相对高的工作流体质量通量的第一区；和当所述工作流体具有高蒸汽质量时具有相对低的工作流体质量通量的第二区。
5.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，内部的所述流动通路具有与所述多个第一平行流路和所述多个第二平行流路流体接触的变化空间的区域。
6.根据权利要求5所述的热交换板，其特征在于，所述热交换板在所述多个第一平行流路和所述多个第二平行流路内进一步包括一个或多个结构性壁，该一个或多个壁大体上平行于所述流路并且在所述变化空间的区域内终止。
7.根据权利要求6所述的热交换板，其特征在于，所述一个或多个结构性壁在终端包括导向翼，所述导向翼被沿流动的方向取向。
8.根据权利要求6所述的热交换板，其特征在于，所述一个或多个结构性壁在所述结构性壁的近端包括导向翼。
9.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述多个第一流路和所述多个第二流路中的流路包括截面区域在155mm与60mm之间的空隙。
10.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述热交换板是复合吹塑成型的板。
11.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述热交换板是铝的。
12.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，遍及所述板的工作流体压降为大约.2psi/ft0
13.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述非工作流体的热传递系数在从900Btu/ft2Rhr 到 1400Btu/ft2Rhr 的范围内。
14.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，沿第一方向的多个第一平行流路的图案和沿第二方向的多个第二平行流路的图案反复横过所述热交换板的长度。
15.根据权利要求14所述的热交换板，其特征在于，所述多个第一流路和所述多个第二流路中的流路的数量随着所述图案反复横过所述热交换板的长度而增加。
16.根据权利要求14所述的热交换板，其特征在于，所述多个第一流路中的流路的数量从每第一方向上四个流路增加到每第一方向上六个流路。
17.根据权利要求14所述的热交换板，其特征在于，所述多个第一流路中的流路的数量从每第一方向上两个流路增加至每第一方向上四个流路。
18.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述非工作流体是海水。
19.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述工作流体是氨。
20.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述板是OTEC热交换板。
【文档编号】F24J3/06GK103890388SQ201280050752
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2012年8月15日 优先权日:2011年8月15日
【发明者】Y·黄, J·米尔鲍尔, H·李, L·J·夏皮罗, B·R·科尔 申请人:阿贝尔基金会