[发明专利]用于换热器的螺旋状管束的配置

说明书

相关申请的交叉参考

本案例要求美国临时专利申请序列号61/225991的优先权，该申请在2009年7月16日提交(代理人卷号：711-283US)，并且通过参考结合于此。

如果本申请和通过参考结合于此的一个或多个案例之间存在任何冲突或语言上的不一致，可能影响对本案中的权利要求的理解，本案中的权利要求将理解为与在本例中的语言相一致。

技术领域

本发明通常涉及换热器，更特别地，涉及壳管换热器(shell-and-tube heat exchangers)。

背景技术

海洋热能转换(“OTEC”)是用于基于温差发电的方法，该温差存在于大的水体的深水和浅水之间，例如海洋、大海、海湾或者大而深的湖泊。OTEC系统采用热发动机(也即基于温差发电的热动力设备或系统)，其热耦接在相对温暖的浅水和相对寒冷的深水之间。

适于OTEC的一种热发动机基于兰金循环，其采用低压涡轮。含有低沸点的流体、例如氨水的闭环管路与在第一换热器处的温水热耦接，低沸点流体在那里蒸发。膨胀的蒸气迫使通过涡轮，驱动涡轮发动机。在从涡轮出来之后，蒸发的工作流体在第二换热器处冷凝回液态，闭环管路在那里热耦接冷水。然后冷凝的工作流体循环通过系统。

OTEC系统示出为在技术上是可行的，但是这些系统高的资金成本阻碍了其商业化。换热器是OTEC厂资金成本的第二大贡献者(最大的是离岸停泊船或平台)。因此，OTEC厂所需的巨大的换热器的优化是非常重要的，并对OTEC技术的经济可行性具有重大的冲击。

在OTEC系统中已经采用了许多类型的换热器，包括板—翼、板—框架与壳管换热器。壳管换热器在OTEC应用中的使用特别具有吸引力，因为它们在大容量流体流动和低的背压上的潜力。壳管换热器包括放置在两个管板(tube sheet)之间并封闭在压力容器壳中的多个管。第一流体或气体通过所述管，而第二流体或气体通过压力容器壳，从而使得其沿着管的外表面流动。热能通过管壁在第一流体和第二流体之间传送。管的端部典型地压合或焊接到管板中。

不幸的是，壳管换热器具有几个缺点，从而限制了它们在海洋应用中的使用。首先，总的传热系数，U——其与用于OTEC的合理压降相关联——典型地低于2000W/m²K。除了其他之外，传热效率受到如下限制：(1)典型地包括在压力容器中以引起第二流体的紊流和横流的挡板，和(2)对第二流体的流速的限制，以避免引起振动和引起机械应力的流动力以及在管上的应变。

传统的壳管换热器的第二个缺点是它们倾向于“生物污损”。生物污损减小了效率并导致增长的维持成本(尤其对于位于深水位的换热器)。除了其他之外，生物污损起因于有机物质在孔隙和裂缝中的捕获，例如那些与按压或熔焊到管板中的管相关的那些。

传统的壳管换热器的第三个缺点是它们不是很适合于海水应用，例如OTEC。因为所述管按压或熔焊到管板中，难以确保在管里面的第一流体和在管周围流动通过该壳的海水之间的流体隔离。而且，传统的壳管换热器的可靠性由于电蚀而受损，该电蚀发生在用于将管密封到管板上的焊接接头上。电蚀由于包含在熔焊中的不类似的金属之间的反应而发生。将焊接暴露在海水中加剧了电蚀。可靠性还通过在停滞流动区域中的裂缝腐蚀的可能性而进一步降低，即使壳管设计是为OTEC应用而定制的。

从历史观点上说，为了实际考虑，这些缺点已经把壳管换热器的尺寸和成本推动得太高。

随着今天对能量需求的增长，采用可再生的、恒定的、基本负荷的能源来源是想要的方案。因此对OTEC电厂具有更新的兴趣。但是在海洋环境中具有高换热能力、高流速、低泵送寄生损失和长寿命的低成本OTEC换热器的开发仍然难以进行。

发明内容

本发明提供不具有现有技术的一些成本和缺点的换热器。本发明的实施方式特别好地适合用于OTEC系统中；然而，根据本发明的实施方式也适合用于其它换热器应用中，例如核反应堆、化工厂，等等。

本发明示例的实施方式是壳管换热器，其中所述管设置为多个管束(tube bundle)，每个包括多个用于传送第一或第二流体的管。每个管束特征在于从第一管板延伸到第二管板的中心轴线，且每个管束螺旋状地缠绕在其中心轴线周围。

在一些实施方式中，管板和管由相同的材料制成，且摩擦搅动焊接(friction-stir weld)用于将管壁连接管板上。结果，管壁和管板形成实质上抗电蚀(galvanic corrosion-resistant)的连接，其使在管中的流体与在壳中流动在管周围的流体相密封和隔离。