[发明专利]模块化换热器

说明书

技术领域

本发明总体上涉及能量转换，更特别地，涉及换热器。

背景技术

地球的海洋由太阳持续地加热，其几乎覆盖70％的地球表面。深水和浅水之间的温差含有大量的太阳能，该太阳能潜在地能够被驾驭以供人类使用。事实上，估计在赤道±10°内的含在温暖的海洋表面水和寒冷的深水之间的温差中的热能可代表3万亿瓦特(3x1012W)的资源。

可获得的总能量比其他海洋能选项——比如波浪能——要高出一个或两个数量级，但是由于低的热效率，小的温差数量使得能量的提取相对较难和昂贵。

海洋热能转换(“OTEC”)是用于发电的方法，其采用存在于深水和浅水之间的温差来运行热力发动机。热力发动机是设置在高温贮存器和低温贮存器之间的热动力设备。随着热从一个贮存器流动到另一个，发动机转换一些热用于做功。该原理用于蒸汽轮机和内燃机中。不同于采用来自燃料燃烧的热能，OTEC能量利用太阳对海洋表面的加热引起的温差。

适用于OTEC的一种热循环是兰金循环，其采用低压涡轮。系统可以是闭式循环或开式循环的。闭式循环系统采用具有低沸点的流体——例如氨——旋转涡轮以发电。温暖的表面海水泵送通过在低沸点流体蒸发处的换热器。膨胀的蒸气转动涡轮发电机。然后，泵送通过第二换热器的寒冷的深海水将蒸气冷凝为液体，该液体然后循环通过该系统。开式循环发动机采用水热源作为工作流体。

如同对于任何热力发动机，最大的效率和功率在最大的温差下产生。该温差通常随着纬度的减小而增加(也即在赤道附近，在热带地区)。但是蒸发阻止表面温度超过27℃。另外，表面下的水温很少降落到5℃以下。在历史上，OTEC的主要技术挑战在于从该非常小的温度比率中有效地产生大量的能量。但是现代换热器设计的效率的改变使得性能能够接近理论的最大效率。

OTEC系统已经显现为技术上是可行的，但是这些系统高的资本成本阻碍了商业化。换热器是OTEC厂的资本成本的第二大贡献因素(最大的贡献因素是离岸锚泊船或平台的成本)。因此对OTEC厂所需的大型换热器的最优化是非常重要的，并能够对OTEC技术的经济可行性产生重大影响。

存在许多已有的换热器设计，其可以考虑用于OTEC系统中。但是如同下面的讨论所显示的，作为实践中的问题，还没有很好的选择。

传统的“管壳式”换热器可广泛地用于海洋用途。但是总传热系数U——其与用于OTEC的合理的压降相关联——典型地在2000W/m²K之下。出于经济考虑，这使得该类换热器的尺寸和成本太高。

紧凑式换热器/板框式设计，其包括许多狭窄的分开的板对，广泛地用于化学和制药工业中。板框式设计的U值可以接近2300-2500W/m²K。然而，为了在OTEC系统中实现该级别的热传递，高的泵送动力是必需的，以迫使海水通过换热器，从而克服可能超过5psi的压降(3.5m的压头损失)。而且，传热系数的上方值收到如下因素限制：采用的材料，例如高合金钢或钛(其具有相对较差的导热性，但是减轻了暴露于腐蚀性材料例如氯化物等所引起的效应)，为成型板设计所需的最小板厚度，和保持可接受的压降所需的相对较低的水流速度。

OTEC优化的管设计也落入紧凑式换热器分类内。这些包括垂直纵槽管和折叠管换热器。两者都具有比板框式设计稍高的U值：典型地在大约2700-3400W/m²K的范围内。但是实质的压降和停滞流动区域中的裂隙腐蚀的可能性是优化管设计中的问题。

钎焊的铝翅片换热器在整个低温工业中采用。这些换热器在液态天然气(LNG)再气化设备中有大规模的海洋应用。在1980年代，在阿尔贡国立实验室(ANL)中，开发了钎焊的铝翅片换热器并将其测试用于OTEC应用中。参见美国专利第4,276,927号(“板型换热器”)和4,478,277号(“具有均匀表面温度和改进的结构强度的换热器”)。

然而关于钎焊翅片换热器的使用存在几个技术挑战。第一，用于连接翅片的钎焊接头在暴露于海水时极其易于受到腐蚀。因此，这些接头必须与海水通道隔离开，以减小腐蚀的可能性。在一些情形下，添加铝挤出件以用于防止钎焊接头暴露于海水中。然而添加这样的抗腐蚀挤出件的成本可能是令人却步的。

第二，在典型的钎焊翅片换热器中发现的小通道易于生物淤积。

第三，对换热器进行维护，例如整修、修理和翻新是一个挑战，因为达到它们的内部区域是困难的。