具有集成热回收的蒸发器的制作方法

本公开涉及从用于兰金循环系统的操作流体在产生蒸汽的蒸发器中的热回收，并且更具体地涉及将用于回收这种系统中的热能的热交换器集成到紧凑、热效率高且有成本效益的组件中。

背景技术：

兰金循环是所有发电厂的基本操作循环，其中操作流体连续地蒸发和冷凝。一种封闭的兰金循环系统包括用于蒸发操作流体的锅炉或蒸发器、被供给蒸汽以驱动发电机或其它负载的涡轮机(或其它膨胀器)、用于将来自涡轮机的排气蒸汽冷凝回液体的冷凝器、以及用于将冷凝流体再循环到锅炉/蒸发器的泵。用于兰金循环系统的操作流体包括水和有机制冷剂，例如r-245fa或r134a。操作流体的选择主要取决于兰金循环系统将操作所处的温度范围，其中有机制冷剂最适合于较低的操作温度，而水/水蒸气最适合于较高的操作温度。在废热回收应用中，低操作温度可能是普遍的，而在被构造用于住宅或小型商业结构的一些小型系统中，低操作温度可能是期望的。高操作温度可导致更高的效率，但存在热遏制和回收的问题。低操作温度和高操作温度之间的分配通常为约300°f(148℃)至350°f(177℃)。

水蒸气用于各种各样的过程，并且通常用作兰金循环系统中的操作流体，以将热能转换成机械功，机械功可用于发电。产生水蒸气的最常见方式是燃烧燃料以释放热量，该热量在可被称为锅炉的热交换器中被传递到水。水蒸气锅炉通常将水分离到通道或管中，以扩大表面面积并增强到水的热传递。许多水蒸气锅炉采用在气体已经用于产生水蒸气之后从废气回收热量的布置。锅炉通常采用壳体和隔热件来容纳来自燃烧的热量，并将热量集中在容纳水的管上。采用水蒸气管的不同布置来增强从热燃烧气体到水的热传递。

可以以范围从212℉(100℃)至高于900℉(500℃)温度的温度产生用于输送的水蒸气。在低压环境中，水蒸气可以以低于212℉(100℃)的温度形成，但是可能具有有限的效用。对于加热应用，优选低温“饱和”水蒸气，而对于发电和涡轮机，优选高温“过热”水蒸气。过热水蒸气是温度高于其在测量温度的绝对压力下的蒸发(沸腾)点的水蒸气。显然，产生温度高于350°f的过热水蒸气比产生低温饱和水蒸气需要更高的热强度。与较低温度的系统相比，产生用于涡轮机的过热水蒸气所需的集中的热量在热遏制和回收方面产生了挑战。例如，离开产生过热水蒸气的燃烧室的废气将至少与水蒸气一样热，这意味着必须从废气回收大量能量以维持系统的效率。由传导和辐射造成的热损失可损坏敏感的系统部件和周围的材料，并且代表潜在的系统效率低下。

在使用水蒸气发电的系统中，过热水蒸气被输送到膨胀器，例如水蒸气涡轮机。当水蒸气穿过涡轮机时，其传递动力以转动发电机，并且作为处于较低温度和压力的水蒸气离开涡轮机。在穿过膨胀器之后，水蒸气在被称为“冷凝器”的专用于该目的热交换器中被冷却并冷凝回液态水。然后将该液态水泵送回水蒸气发生器以完成循环。冷凝器可被构造成将从涡轮机排气回收的热量输送到另一系统，例如家用热水、循环加热系统或蒸发冷却系统，例如吸收式制冷机。通常还从离开水蒸气发生器的废气回收热量。

通常，热电联合系统采用三个热交换组件：热源/水蒸气管交换器；冷凝器；以及废气热回收热交换器。这三个热交换器通常作为单独的组件提供，其占据相当大的空间，在制造成本方面效率低，增加了潜在故障点的数量，并且允许通过辐射和传导至周围环境的热泄漏。大型水蒸气驱动的发电机通常位于专用的特制结构中，并且由受过训练的人员操作。设计用于安装在家庭或小企业的机械室中的小规模微型chp设备必须非常紧凑，并且向周围环境释放少量的热量。

小型或“微型”热电联合(chp)系统正在被开发用于住宅结构和小型企业。这些系统产生水蒸气并使用水蒸气涡轮机来发电，其中从废气和冷凝器回收的热量供家庭或商业所有者使用。微型chp系统在单个系统中提供备用发电、低成本电力和热量，使得它们成为传统加热系统的有吸引力的替代。此外，当可再生源将过量的电力置于电网上时，微型chp系统可以被连接以彼此通信并且提供对峰值电力需求或负载吸收的协调响应。

需要一种适合于安装在住宅和小型商业结构中的微型chp系统的水蒸气发生器、涡轮机和热交换器的紧凑且成本有效的布置。

需要一种紧凑且热效率高的热交换器的布置，用于限制释放到周围环境的热量的微型chp系统。

技术实现要素：

一种具有集成热回收的蒸发器，蒸发器在由水套包围的燃烧室中结合有蒸汽管。水套与废气热交换器流体连通。冷却剂循环穿过废气热交换器以从离开燃烧室的废气回收热量，然后循环穿过围绕燃烧室的水套以回收未被传递至操作流体的热量。

蒸发器的壳体围绕燃烧室和废气热交换器，并限定水套的外边界。燃烧室可以是圆柱形的，水套可以包括围绕燃烧室的环形空间。燃烧室可以具有竖直定向，在燃烧室的顶部处具有用于燃料燃烧器的开口，并且在燃烧室的底部处具有用于燃烧气体的出口。蒸汽管包括用于接收操作流体的入口端和汽相操作流体穿过其离开蒸汽管的出口端。蒸汽管的入口端和出口端可位于蒸发器壳体的外部。燃料燃烧器布置成将热量和热的燃烧气体释放到燃烧室中，在燃烧室中，热量传递到蒸汽管中的操作流体。燃烧室可包括至少部分地围绕蒸汽管的热障。

废气热交换器包括从燃烧室接收加热的燃烧气体的排气管。排气管被冷却剂围绕以从废气回收未被传递到操作流体的热量。冷却剂进入壳体并且首先循环穿过废气热交换器，然后在离开壳体之前穿过冷却剂套。

所公开的蒸汽管是将燃烧室中产生的热量传递到操作流体以产生蒸汽的热交换器的一种形式，但是用于该目的热交换器的其它形式与所公开的蒸发器兼容。蒸汽管可以是连续长度的管道，连续长度的管道形成为围绕圆柱形空间的螺旋线圈。燃料燃烧器可被布置成将热量和热的燃烧气体释放到由蒸汽管围绕的圆柱形空间中。蒸汽管可在其外表面上包括翅片，以扩大用于热交换的表面面积。蒸汽管可以是形成为两个同心螺旋线圈的连续长度的管道，第一线圈包括操作流体入口，第二线圈包括蒸汽出口，线圈在它们的下端处连接。螺旋线圈可以具有竖直定向并且在圆柱形燃烧室内是同心的。螺旋线圈可以在相反的方向上缠绕，并且从蒸发器壳体外部的入口/出口端到它们连接的下端具有向下的螺距。一个螺旋线圈的环可以与另一个螺旋线圈的环径向地间隔开，并且当从径向方向观察时可以以锐角彼此交叉。每个螺旋线圈的环彼此平行并且与另一个螺旋线圈的环同心，但是不与另一个螺旋线圈的环平行。缠绕式蒸汽管的相邻环可以由从蒸汽管的外表面突出的翅片的高度间隔开。燃烧室可以包括燃烧挡板，该燃烧挡板横跨由螺旋蒸汽管围绕的圆柱形空间的下端。燃烧挡板可包括热障。

在一些实施方式中，蒸发器可以在壳体内结合有冷凝器，并且与废气热交换器和水套流体连通。冷凝器包括用于已经穿过膨胀器的饱和蒸汽的入口，以及用于冷凝的操作流体的冷凝液出口。冷凝器是被构造成从饱和蒸汽移除热量的热交换器。冷却剂循环穿过冷凝器以移除热量。冷却剂在循环穿过废气热交换器和水套之前可在冷凝器处进入蒸发器壳体。冷凝器可以具有与废气热交换器类似的热交换构造，或者可以具有不同的构造。

蒸发器可以包括电阻加热器，电阻加热器被布置为当连接到电力时加热所述冷却剂。电阻加热器可以位于由冷凝器和/或废气热交换器围绕的中央空间中，并且与冷却剂接触。

附图说明

图1是根据本公开的方面的具有集成热回收的蒸发器的第一实施方式的截面图；

图2是图1的蒸发器的分解立体图；

图3是根据本公开的方面的替代蒸发器的截面立体图；以及

图4是结合了所公开的热回收构造的微型chp系统的示意图。

具体实施方式

本公开涉及一种用于产生汽相操作流体的具有集成热回收的蒸发器。汽相操作流体可被输送到膨胀器，例如涡轮机，膨胀器将汽相操作流体中的热能转换成机械功。本公开中描述的蒸发器是水蒸气发生器，但是所公开的结构、关系和制造方法适用于与诸如有机制冷剂的操作流体一起使用的蒸发器。在本公开的上下文中，术语“水蒸气发生器”可与“蒸发器”互换，并且对水蒸气的引用可与汽相有机制冷剂互换。下面，术语“水”和“供给水”是与所公开的蒸发器兼容的一种操作流体的实施例。

图1和图2示出了根据本公开的方面的具有集成热回收的水蒸气发生器(蒸发器)的第一实施方式。水蒸气发生器10容纳在包括顶板14、侧壁16和底板18的壳体12中。顶板14限定了用于燃料燃烧器(未示出)的火焰管组件的开口20，并且连接到侧壁16以形成壳体12的顶部。燃烧室22由圆柱形燃烧室壁24限定，该燃烧室壁在其上端连接到顶板14的底表面。隔热件26至少围绕燃烧室22的顶部和侧面的上部分。顶板14还限定了用于水蒸气(蒸汽)管28的端部28a、28b的两个开口。在本公开的上下文中，术语"水蒸气管"可与"蒸汽管"互换，并且通常是指将热量传递至操作流体以产生蒸汽相操作流体的热交换结构。如图2中最佳示出的，水蒸气管28是具有圆形横截面的管，水蒸气管28弯曲以形成悬挂在顶板14下方的两个同轴线圈。缠绕的水蒸气管28占据燃烧室22的在隔热件26内部的一部分，其中燃烧室的中心可用于燃料燃烧器(未示出)的火焰管。在燃烧室22中燃烧的燃料产生热量和热的废气，热量和热的废气填充燃烧室并加热水蒸气管28。隔热件26保持燃烧室22中的热量以使传递到水蒸气管28中的水和水蒸气的热量最大化。

盘形燃烧挡板30横跨限定在水蒸气线圈28内的圆柱形空间32的下端。燃烧挡板30支撑与水蒸气管28的下端间隔开的圆形件的隔热件26。燃烧挡板30和隔热件26在水蒸气管28附近容纳热量和热的燃烧气体，以促进热传递。燃烧挡板30阻挡了燃烧气体远离燃烧器(未示出)的最直接的路线，迫使热的燃烧气体在水蒸气管28的线圈之间径向向外流动。

在图1和图2的实施方式中，水蒸气管28由单一长度的不锈钢管构成，该不锈钢管具有大约40’(英尺)的总长度、0.652”(英寸)的内径、983in²(平方英寸)的内表面面积以及大约160in³(立方英寸)的内部容积。水蒸气管28的外径为0.75”(英寸)，水蒸气管的外表面面积约为1,700in²(平方英寸)。该管道形成为在相反的方向上缠绕的两个同心螺旋线圈，其中内部线圈29与水蒸气管20的一个端部28a处的供给水入口相关联。在本公开的上下文中，线圈的每个回转被称为“环”，即使每个回转的端部轴向偏移并且连接到线圈的前面的和后面的环。内部线圈29被缠绕成使得内部线圈29的每个环以由相对于垂直于水蒸气管28的中心轴线的平面的大约5°的锐角限定的斜度向下成角度。这允许输送到水蒸气管28的端部28a的供给水在重力作用下沿管流动和扩散。内部线圈29的最下面的环径向向外交叉以与外部线圈31的最下面的环连接。外部线圈31缠绕以形成螺旋线圈，其中外部线圈的每个环以由相对于垂直于水蒸气管28的中心轴线的平面的大约5°的锐角限定的斜度向上成角度。内部线圈29可以被描述为“右旋的”螺旋，而外部线圈31可以被描述为“左旋的”螺旋。这种构造的结果是两个同心的螺旋，内螺旋具有略微向下的轨迹，而外螺旋具有略微向上的轨迹。当从侧面观察时，内部线圈29的环以大约10°的角度或线圈的斜度的两倍的角度与外部线圈31的环交叉。

在图1和图2的水蒸气发生器中，水蒸气管28在其外表面上包括翅片，以增加用于热传递的表面面积。每个线圈的环之间以及内部线圈29和外部线圈31之间的间隔由翅片的高度指定。所公开的水蒸气管构造的一个目的是在紧凑空间中提供足够的热传递表面面积和内部容积。在本公开中公开和描述的水蒸气管28是可用于产生汽相操作流体的热交换结构的一个实施例。其它热交换结构可以与所公开的蒸发器兼容。

如图1和图2所示，燃烧室壁24的下端连接到排气歧管，该排气歧管包括从燃烧室22向下延伸的排气管34。排气歧管包括上盘33、排气管34和下盘36。上盘33横跨燃烧室22的下端，并且连接到燃烧室壁24的底端以形成将废气引导到排气管34中的密封容器。排气管34通过诸如焊接或钎焊的方法结合到上盘33，从而形成牢固的密封连接。排气管34被压平并成形以增加它们的表面面积。排气管34的下端通过诸如焊接或钎焊的方法结合到下盘36，从而形成牢固的密封连接。在下盘36和壳体12的底板18之间形成有排气出口室38。下盘36的外周通过诸如焊接或钎焊的方法结合到壳体12的侧壁，以在下盘36和壳体12的侧壁16之间形成永久的密封连接。热的废气从燃烧室22穿过排气管34进入排气出口室38，从该排气出口室它们离开水蒸气发生器10。如图2中最佳地示出，压平的排气管34以交错的径向模式围绕中央空间布置，其中一些排气管34比其它排气管更靠近中央空间。压平的排气管34被布置成具有与从壳体12的中心延伸到侧壁16的半径平行的长的尺寸。

壳体12包括与围绕燃烧室22和排气管34的冷却剂套44连通的冷却流体入口40和冷却流体出口42。冷却剂套44从顶板14延伸到排气出口室38处的下盘36。冷却流体循环穿过冷却剂套40以从废气和燃烧室22回收未用于产生水蒸气的热量。在所公开的实施方式中，用作冷却剂的流体是水，但也可以使用其它冷却剂流体。冷却流体入口40在下盘36的正上方进入冷却剂套44，并在顶板14的正下方离开冷却剂套44。挡板46以盘旋的径向进出路径引导冷却流体围绕排气管34，以增强从废气到冷却流体的热传递。挡板46与压平的排气管的径向定向协同工作，以促进冷却流体以增强来自排气管34、上盘33和下盘36、燃烧室壁24和壳体12的顶板14的热回收的模式循环。冷却流体流动穿过壳体12的侧壁16和燃烧室壁24之间的并在顶板14下方的环形空间。该环形空间中的冷却流体冷却顶板14，并且与隔热件26结合防止过多的热量通过水蒸气发生器10的上端逸出到周围环境。

燃烧室22的顶部、侧面和底部处的隔热件26提供了热障，以将热量集中在燃烧室22中，从而产生温度在450°f和900°f之间的水蒸气。顶板14下方的隔热件26与和顶板14接触的冷却流体结合，防止顶板14变得过热，过热将导致来自水蒸气发生器10的不期望的热辐射。本公开中使用的术语“隔热件”是指“用于降低热传递速率的材料或结构”。“隔热件”可以简单地为气隙，或者可以包括在炉中使用的任何已知类型的隔热件，例如耐火陶瓷纤维、矿物纤维等。密封的真空空间也可用于提供热传导速率的期望降低。

图1和图2中所示的水蒸气发生器的水蒸气管28包括内部线圈29，其中每个环具有向下的斜度。内部线圈29的环的向下的斜度允许进入水蒸气管28的水通过重力沿着内部线圈29的内部流动。当水沿着内部线圈29流动时，它从水蒸气管28吸收热量，并转变成水蒸气。内部线圈29的长度和燃烧室22的温度确保进入水蒸气管28的所有水在到达水蒸气管28的底部之前转变成水蒸气。这种布置防止了液态水在水蒸气管28的底部处积聚，这种积聚会导致系统不稳定。内部线圈29的最下面的环径向向外盘旋以与外部线圈31的最下面的环连接。当形成在内部线圈中的水蒸气穿过水蒸气管28的外部线圈31时，该水蒸气继续吸收热量，作为过热干水蒸气离开水蒸气管28，该过热干水蒸气可用于驱动膨胀器，例如水蒸气涡轮机。

图1和图2的水蒸气发生器10将围绕燃烧室22的水套44与废气热回收热交换器35集成在共同的壳体12中，以提供有效地容纳在燃烧室22中形成水蒸气所需的高温的紧凑构造。所公开的水套水蒸气发生器10还将来自废气的热回收到热回收流体中，其中回收的热量可以用于其它目的，提高结合有所公开的水蒸气发生器10的系统的总效率。

图1和图2示出了延伸到水套44中的电阻加热器50。电阻加热器50从施加的电流产生热量。电阻加热器50产生的热量被传递到在水套44中循环的冷却流体。在一些系统构造中，将过量的电能转换成可在安装有水蒸气发生器10的设施中存储或使用的热量可以是有利的。在具有从诸如风力涡轮机或太阳能面板的源产生的电力的相当大部分的电网中可能出现“转储”过量电能的需要。已知的是，风力涡轮机和太阳能面板有时会产生与峰值能量需求不一致的过量电能，从而导致必须管理电网上的过量电力的情况。将电阻加热器50结合到所公开的水蒸气发生器10中允许水蒸气发生器10将过量的电能转化为可在当地存储或使用的热量。

图3示出了水蒸气发生器100的替代实施方式，水蒸气发生器100在壳体112内结合了水蒸气冷凝器160。图3的构造在水蒸气发生器是微型热电联合系统的一部分的系统中是有用的，该微型热电联合系统使用由水蒸气发生器100产生的水蒸气来驱动膨胀器例如水蒸气涡轮机以发电。在这样的系统中，离开涡轮机(或其它膨胀器)的水蒸气必须冷凝回液态水，液态水可再循环穿过水蒸气发生器100和涡轮机。冷凝器通常是与水蒸气发生器分开的专用热交换器，需要用于水蒸气、冷却剂和冷凝液的导管和连接，以及使冷却剂流体循环以从水蒸气去除热量的壳体。将水蒸气冷凝器160与水蒸气管128和废热回收热交换器135合并到同一壳体112中降低了系统的成本，并且使系统更紧凑。一些流体连接和流动路径可以被集成到单个组件中，从而减少泄漏位置的数量。共同的壳体112还通过消除将从单独的结构和必要的流体导管损失到周围环境的热量来增强热回收。

水蒸气发生器100以类似于图1和图2的水蒸气发生器10的方式构造和运作，并且将仅关于其与水蒸气发生器10的区别进行详细描述。燃烧室122和水蒸气管128如同它们在图1和图2的水蒸气发生器10中那样被构造和运作。在顶板114中的开口120中示意性地示出了燃料燃烧器110。限定排气歧管的下端的下盘136位于壳体112向下大约一半的位置，在壳体的底部处为水蒸气冷凝器160留出空间。排气出口室138限定在下盘136和水蒸气冷凝器160的顶壁162之间。如图3所示，水蒸气冷凝器160具有与上述水蒸气发生器10的废热回收构造的热交换构造类似的热交换构造。水蒸气冷凝器160包括在冷凝器上盘166和冷凝器下盘168之间延伸的压平的冷凝器管164。水蒸气进气室170限定在顶壁162和上盘166之间。离开涡轮机的水蒸气进入水蒸气进气室170，并且穿过冷凝器管164，冷凝器管164被在入口140处引入的冷却流体围绕。水蒸气被冷凝成水，并且从水蒸气移除的热量被捕获在冷却流体中。冷凝水室172限定在冷凝器下盘168和壳体底板118之间。从水蒸气冷凝的水积聚在冷凝水室172中，并且被泵送回到水蒸气管入口128a以转化为水蒸气。

在图3的水蒸气发生器100的实施方式中，废热回收热交换器135和冷凝器160具有类似的构造，两者都采用由冷却流体围绕的压平的管。废热回收热交换器135和冷凝器160都不限于所公开的热交换器构造，并且废热回收热交换器135和冷凝器160中的每一个都可以具有与另一个不同的构造。壳体112可以竖直地或径向地延伸以提供容纳废气热交换器135和冷凝器160两者所必需的内部容积。

如图3所示，水蒸气发生器100的冷却剂套144围绕冷凝器160、废热回收热交换器135，并填充围绕燃烧室壁124的环形空间。冷却剂在冷却剂入口140处进入冷凝器160，并且穿过将冷凝器160的冷却剂容积连接到废气热交换器135的冷却剂容积的冷却剂管道174。冷却流体在冷却剂出口142处离开水蒸气发生器之前循环穿过废气热交换器135并穿过围绕燃烧室壁124的环形空间。水蒸气发生器100还包括电阻加热器150，电阻加热器150由冷却流体围绕，但与排气出口室138、水蒸气入口室170和冷凝水室172隔离。

图4是水蒸气发生器10、100与水蒸气涡轮机180结合的示意图，示出了部件之间的热关系。附图标记10表示使用图1和图2的水蒸气发生器10的系统中的热关系。水蒸气发生器10包括围绕水蒸气管28的燃烧室22，燃烧室限定热交换器，其中燃烧室集中加热的燃烧气体以加热水蒸气管28并将液体攻击水转换成过热的干水蒸气，该过热的干水蒸气用于驱动诸如涡轮机180的膨胀器。水蒸气发生器10将燃烧室22和水蒸气管28与废气热交换器35一起结合到壳体中。冷凝器160被示出在单独的壳体中，具有用于涡轮机排气、供给水和冷却流体的管线，该管线表示将冷凝器160连接到水蒸气发生器10的流体流动导管。供给水被输送到水蒸气管28，在那里它吸收热量并且转变成过热干水蒸气，该过热干水蒸气被供给到涡轮机180。涡轮机排气被供给到冷凝器160，冷凝器160将涡轮机排气水蒸气冷凝成水，水在闭合回路中返回到水蒸气管28。冷却水在冷凝器160中从涡轮机排气水蒸气吸收热量，然后被输送到废热回收热交换器35以从燃烧室废气吸收热量。加热的冷却剂流体被输送到其它系统以用于诸如循环加热、家用热水生产或用于吸收型空调系统的加热。可以观察到，水蒸气发生器10需要用于冷凝器160的单独结构和流体连接，它们在水蒸气发生器10的外部。

附图标记100表示水蒸气发生器100，水蒸气发生器100将冷凝器160连同燃烧室122、水蒸气管128和废气热交换器135一起结合到同一壳体112中。在这种构造中，用于冷却流体的流体连接位于壳体112的内部。离开冷凝器160的冷却流体通过内部流体流动路径被引导到废气热交换器135和围绕燃烧室122的冷却剂套144。将废气热交换器135和冷凝器160放在同一壳体中降低了制造成本，使系统更紧凑，并减少了来自单独系统部件的热损失。还可以结合流动路径和供给泵(未示出)，用于将水从冷凝器160供给到进入壳体112中的水蒸气管128，进一步减少壳体112外部的连接。

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