專利名稱：帶有表面處理基底的熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及一種處于有機(jī)朗肯循環(huán)(organic rankine cycle)的熱交換器， 并且更具體而言，涉及一種帶有用于提高熱交換效率的表面處理基底(surface-treated substrate)的熱交換器。
背景技術(shù)：
大多數(shù)有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(0RC)被運(yùn)用作為小型和中型燃?xì)廨啓C(jī)的改型，以在發(fā) 動(dòng)機(jī)的基線輸出之上從連續(xù)的燃?xì)廨啓C(jī)的熱煙氣(fluegas)中獲取附加動(dòng)力。典型地，在 這些循環(huán)中所使用的工作流體為帶有比由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)所定義的在大氣壓力下 的溫度略高的沸騰溫度的碳?xì)浠衔?。由于考慮到如果直接暴露在高溫(約500°C )燃?xì)?輪機(jī)排氣流中這種碳?xì)浠衔锪黧w可發(fā)生分解，因此中間熱油回路系統(tǒng)一般用于將來(lái)自廢 氣的熱量傳送至向朗肯循環(huán)鍋爐。熱油回路系統(tǒng)導(dǎo)致了可代表整個(gè)循環(huán)的成本的四分之一 的附加的投資成本。而且，結(jié)合熱油回路系統(tǒng)導(dǎo)致熱源的可利用溫度水平的顯著降低。此 外，中間流體系統(tǒng)和熱交換器需要更高的溫差，從而導(dǎo)致尺寸增大和總效率降低。因此，期望一種改進(jìn)的0RC系統(tǒng)以解決上述問(wèn)題中的一個(gè)或多個(gè)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，提供了一種通過(guò)使用工作流體的閉合回路以用于回收 和利用來(lái)自廢熱源的廢熱的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。該有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)包括至少一個(gè)蒸發(fā) 器。蒸發(fā)器還包括表面處理基底以用于促進(jìn)工作流體的泡核沸騰(nucleate boiling)從 而將工作流體的溫度限制在預(yù)定溫度以下。蒸發(fā)器還構(gòu)造成通過(guò)利用來(lái)自廢熱源的廢熱使 工作流體蒸發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，提供了一種表面處理基底以用于促進(jìn)工作流體的泡核 沸騰從而在熱交換器中將工作流體的溫度限制在預(yù)定溫度以下。該表面處理基底包括用于 促進(jìn)工作流體中的氣泡(bubble)的形成并且懸浮在基質(zhì)中的多個(gè)微?；蚨嗍w維。該表 面處理基底還包括熱傳導(dǎo)結(jié)合劑以用于使多個(gè)微?；蚨嗍w維結(jié)合。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施例，提供了一種處理熱交換器的沸騰表面以用于促進(jìn)流過(guò) 熱交換器的工作流體的泡核沸騰從而將工作流體的溫度限制在預(yù)定溫度以下的方法。該方 法包括為了一個(gè)或多個(gè)非均勻(non-uniformity)制備(pr印are)熱交換器的表面。該方 法還包括在熱交換器的表面上沉積涂層。


當(dāng)在參考附圖(在其中，在整個(gè)圖中相同的符號(hào)表示相同的部件)的情況下來(lái)閱 讀下面的詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明的這些及其它特征、方面以及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，其中圖1是具有直接式蒸發(fā)器的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意性的流程圖。圖2是熱交換器管的透視圖，其中，剖開(kāi)(broken away)的管的部分示出了根據(jù)本發(fā)明的示范性的實(shí)施例的表面處理基底。圖3描述了用于在熱交換器管的沸騰側(cè)上產(chǎn)生處理表面的示意性的框圖。部件列表10有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)12直接式蒸發(fā)器14工作流體16 渦輪18冷凝器20 泵22膨脹的工作流體24冷凝的工作流體26增壓的工作流體30直接式蒸發(fā)器管32表面處理基底34微?；蚶w維36 涂層38沸騰表面40用于在直接式蒸發(fā)器管的沸騰表面上制備處理表面的方法42處理表面44為一個(gè)或多個(gè)非均勻制備熱交換器或直接式蒸發(fā)器的表面的步驟46在熱交換器或直接式蒸發(fā)器管的沸騰表面上沉積涂層的步驟48通過(guò)化學(xué)腐蝕(chemical etching)為非均勻制備直接式蒸發(fā)器壁的表面的步 驟50通過(guò)機(jī)械加工為非均勻制備直接式蒸發(fā)器壁的表面的步驟52通過(guò)噴涂(spray)多個(gè)微粒或多束纖維在熱交換器或直接式蒸發(fā)器管的沸騰 表面上沉積涂層的步驟54通過(guò)燒結(jié)在熱交換器或直接式蒸發(fā)器管的沸騰表面上沉積涂層的步驟
具體實(shí)施例方式本技術(shù)一般針對(duì)用于通過(guò)使用工作流體的閉合回路來(lái)回收和利用來(lái)自廢熱源的 廢熱的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)。具體而言，有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的實(shí)施例包括帶有用于促進(jìn)工 作流體的泡核沸騰的表面處理基底的熱交換器，從而將工作流體的溫度限制在預(yù)定溫度以 下。本技術(shù)也針對(duì)處理熱交換器的沸騰表面以用于促進(jìn)流過(guò)熱交換器的工作流體的泡核沸 騰的方法。在介紹本發(fā)明的各種實(shí)施例的元件時(shí)，冠詞“一”、“一個(gè)”、“該”以及“所述”意在
表示存在一個(gè)或多個(gè)元件。術(shù)語(yǔ)“包含”、“包括”以及“具有”意為包含性的并表示除了所 列出的元件之外還可存在附加元件。操作參數(shù)的任何實(shí)例不排除所公開(kāi)的實(shí)施例的其它參數(shù)。圖1是用于通過(guò)使用工作流體14的閉合回路來(lái)回收和利用來(lái)自廢熱源的廢熱的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)10的一個(gè)示范性的實(shí)施例的示意性的流程圖。系統(tǒng)10使用有機(jī)的、高 分子量的工作流體14，其中，工作流體允許從包括來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)的排放煙氣流的溫度源中 的熱量回收。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)10可包括從低溫?zé)嵩?例如工業(yè)廢熱、地?zé)?、太?yáng)能池 等)中的熱量回收。系統(tǒng)10還將低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)換成仍然可進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電的有用功。這通 過(guò)使用至少一個(gè)渦輪16以用于使工作流體14膨脹從而產(chǎn)生軸功率和膨脹的工作流體22 來(lái)實(shí)現(xiàn)。渦輪16可包括用于使工作流體14膨脹的二級(jí)徑流式渦輪。在工作流體14的膨 脹期間，來(lái)自直接式蒸發(fā)器12的可回收的熱能的相當(dāng)大的部分(significant part)轉(zhuǎn)化 為有用功。渦輪16中的工作流體14的膨脹導(dǎo)致工作流體14的溫度和壓力的降低。此外，膨脹的工作流體22進(jìn)入冷凝器18以用于通過(guò)流過(guò)冷凝器18的冷卻流體來(lái) 冷凝，以產(chǎn)生處于更低壓力下的冷凝的工作流體24。在一實(shí)施例中，可通過(guò)處于環(huán)境溫度下 的空氣流動(dòng)來(lái)完成膨脹的工作流體22的冷凝?？墒褂蔑L(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)完成處于環(huán)境溫度下 的空氣的流動(dòng)從而引起溫度降低，其可為近40攝氏度的降低。在另一實(shí)施例中，冷凝器18 可使用冷卻水作為冷卻流體。冷凝器18可包括具有用于使膨脹的工作流體22通過(guò)的多個(gè) 管程(tube pass)的典型的熱交換器段。在一個(gè)實(shí)施例中，使用電動(dòng)風(fēng)扇來(lái)吹動(dòng)環(huán)境空氣 通過(guò)熱交換器段。在這樣的過(guò)程中，膨脹的工作流體22的潛熱被釋放出來(lái)并傳遞到在冷凝 器18中使用的冷卻流體。從而，膨脹的工作流體22冷凝成處于更低溫度和壓力下的處于 液相的冷凝的工作流體24。冷凝的工作流體24進(jìn)一步由泵20從低壓提升(pump)為高壓。然后，如圖1所示 的那樣，增壓的工作流體26可進(jìn)入直接式蒸發(fā)器或鍋爐12并且穿過(guò)與工作流體14的閉合 回路處于流體連通的多個(gè)管。直接式蒸發(fā)器12可包括用于來(lái)自廢熱源的、以用于對(duì)通過(guò)直 接式蒸發(fā)器12中的多個(gè)管的增壓的工作流體26進(jìn)行直接加熱的廢氣的通道。進(jìn)入直接式蒸發(fā)器12的增壓的工作流體26可包括帶有低沸點(diǎn)溫度的碳?xì)浠?物。在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)10的直接式蒸發(fā)器12中的工作流體14的熱力學(xué)特征(如高溫 穩(wěn)定性)可能難以維持，因?yàn)楣ぷ髁黧w14的溫度可遭受在直接式蒸發(fā)器12的管的熱交換 器表面處的分解臨界溫度，從而導(dǎo)致工作流體14發(fā)生熱分解。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)10的 直接式蒸發(fā)器12或冷凝器18可為用于熱機(jī)循環(huán)中的典型的熱交換器。圖2顯示了直接式蒸發(fā)器管30的透視圖，其中，剖開(kāi)的管部分示出了根據(jù)本發(fā)明 的一個(gè)示范性的實(shí)施例的表面處理基底32。圖1的直接式蒸發(fā)器12可包括多個(gè)直接式蒸 發(fā)器管30。直接式蒸發(fā)器管30中的表面處理基底32促進(jìn)工作流體的泡核沸騰，從而將工 作流體14(圖1)的溫度限定在預(yù)定溫度以下。因此，通過(guò)使用表面處理基底32以用于促 進(jìn)泡核沸騰(其進(jìn)一步增強(qiáng)了沸騰過(guò)程中的熱通量以便實(shí)現(xiàn)對(duì)直接式蒸發(fā)器管30的沸騰 表面38的更好的冷卻)來(lái)避免直接式蒸發(fā)器12的管壁的沸騰表面38中的高溫。因此，本 技術(shù)改善了從直接式蒸發(fā)器的受熱表面到沸騰工作流體14的傳熱。下面詳細(xì)討論借助于 表面處理表面32引起的泡核沸騰的現(xiàn)象。 在一個(gè)實(shí)施例中，表面處理基底32包括設(shè)在直接式蒸發(fā)器管30的沸騰表面38上 且用于促進(jìn)工作流體的泡核沸騰從而在直接式蒸發(fā)器12中將工作流體的溫度限制在預(yù)定 溫度以下的涂層36。在一個(gè)實(shí)施例中，工作流體的預(yù)定溫度可從約200°C變化至約300°C。 表面處理基底32可包括懸浮(suspend)在基質(zhì)(matrix)中的多個(gè)微粒或多束纖維34。在 一個(gè)實(shí)施例中，表面處理基底32也可包括懸浮在基質(zhì)中的多束纖維。在操作時(shí)，微粒或纖
5維34作為當(dāng)工作流體將被蒸發(fā)時(shí)用于氣泡形成的種核(seed)。這造成更多這樣的部位， 即，在這些部位處同時(shí)形成蒸汽泡從而導(dǎo)致更高的熱通量，如所知道的那樣，到達(dá)正發(fā)生相 變的流體的熱通量達(dá)到比通過(guò)對(duì)流到達(dá)流體的熱量高的量值(magnitude)。較高的熱通量 有助于更有效率地冷卻熱交換器表面，這導(dǎo)致熱交換器表面的較低的平衡溫度，同時(shí)熱側(cè) 上的傳熱系數(shù)基本保持一樣。此外，由于較高的溫度梯度熱通量將輕微增加。作為蒸發(fā)種 核的金屬微粒34同樣有助于破壞氣泡對(duì)熱交換器表面的附著張力，以使得蒸汽泡在其仍 然較小時(shí)就從表面上分離(dissolve)，從而導(dǎo)致在熱交換器壁的冷側(cè)上的熱通量進(jìn)一步增 加。這種蒸發(fā)種核不僅促進(jìn)泡核沸騰，與光滑表面相比還加強(qiáng)了表面潤(rùn)濕，并從而易于抑制 膜態(tài)沸騰(film boiling)的發(fā)生。促進(jìn)蒸汽泡從沸騰表面脫離的另一有利方面在于，其阻 止了氣泡合并為否則可大幅度降低對(duì)流傳熱的連續(xù)蒸汽膜，因?yàn)樵谡羝麑油ㄟ^(guò)對(duì)流引起的 傳熱為低于在液體膜中的傳熱的量值。相反地，在光滑沸騰表面的情況下，僅存在少數(shù)起泡點(diǎn)(bubbl印oint)，并且由于 在很小的氣泡上的液體表面張力的壓力，氣泡增長(zhǎng)的引發(fā)需要很大程度的過(guò)熱。用于氣泡 增長(zhǎng)的熱量必須通過(guò)對(duì)流和傳導(dǎo)從光滑沸騰表面?zhèn)鬟f到遠(yuǎn)處的基本上完全由大量(bulk) 液體圍繞的氣泡的汽液界面(liquid-vapor interface)。因此，可以說(shuō)，由于基底處理表面 引起的熱交換器壁的不均勻的表面增加了沸騰或蒸發(fā)側(cè)上的熱通量，從而導(dǎo)致圖1的熱交 換器或直接式蒸發(fā)器12的較低的壁溫，這又導(dǎo)致0RC工作流體14的分解率較低。在一種實(shí)施例中，微粒的大小可從1微米變化到100微米。此外，涂層36促進(jìn)蒸汽 泡從沸騰表面38上分開(kāi)從而增加了傳熱的有效表面區(qū)域并因此還導(dǎo)致了較高的熱通量。 表面處理基底32還包括熱傳導(dǎo)結(jié)合劑以用于使多個(gè)微粒或多束纖維34結(jié)合。在另一實(shí)施 例中，熱傳導(dǎo)結(jié)合劑包括從1W m—1 K-1變化到300W m—1 K-1的高導(dǎo)材料。在另一實(shí)施例 中，纖維34包括玻璃纖維、石英、礦物晶體(mineral crystal)以及金屬化合物。在又一實(shí) 施例中，纖維34可包括陶瓷化合物。此外，在一種實(shí)施例中，涂層36可包括親水層，該親水層還包括注入的離子。離子 的注入可改變表面能，并從而影響表面是親水的還是疏水的。在另一種實(shí)施例中，多離子可 包括氮基離子。氮基離子是較為常用的離子種類中的一種，可使表面注有該離子以提高液 體的附著性。圖3是示出了用于在圖2中的直接式蒸發(fā)器管30的沸騰表面38上制備處理表面 42的不同實(shí)施例的示意性的框圖40?？驁D40主要示出了處理直接式蒸發(fā)器12 (圖1)的 沸騰表面38以用于促進(jìn)流過(guò)直接式蒸發(fā)器管30的工作流體的泡核沸騰的方法。在如方框 44所表示的一種實(shí)施例中，顯示了為一個(gè)或多個(gè)非均勻制備熱交換器或直接式蒸發(fā)器12 的表面的方法。在如方框46所表示的另一實(shí)施例中，顯示了用于在熱交換器或直接式蒸發(fā) 器管30的沸騰表面38上沉積如圖2中所顯示的涂層36的方法。在另一實(shí)施例中，涂層36 可層壓(laminate)在直接式蒸發(fā)器管30的沸騰表面38上，增壓的工作流體在沸騰表面38 上蒸發(fā)。在又一實(shí)施例中，為非均勻制備直接式蒸發(fā)器壁的表面可包括如方框48中所表示 的化學(xué)腐蝕。在再一實(shí)施例中，為非均勻制備直接式蒸發(fā)器壁的表面可包括如方框50中所 顯示的機(jī)械加工。機(jī)械加工包括軋制、銑削、磨削或車削工藝中的至少一種。在另一實(shí)施例中，在熱交換器或直接式蒸發(fā)器管30的沸騰表面38上沉積涂層包 括如圖3的方框52中所示的在熱交換器的表面上噴涂多個(gè)微粒或多束纖維。在一具體的實(shí)施例中，如圖2中所示的多個(gè)微粒34可包括金屬微粒。在另一實(shí)施例中，在熱交換器或 直接式蒸發(fā)器管30的沸騰表面38上沉積涂層包括如圖3的方框54中所示出的燒結(jié)。在 一具體實(shí)施例中，燒結(jié)54可包括將金屬微粒加熱到其熔點(diǎn)以下直至金屬微粒相互粘附或 熔合。在操作時(shí)，微?；蚶w維34可作為用于泡核沸騰的種核，以使得可形成較小的蒸汽而 非較大的氣泡。這種現(xiàn)象導(dǎo)致在直接式蒸發(fā)器12的熱交換壁上的熱通量增加。有利地，本發(fā)明介紹了一種在有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)的直接式蒸發(fā)器中的包括涂層或 機(jī)加工表面或化學(xué)處理表面的表面處理基底以用于從熱交換器的沸騰或蒸發(fā)表面到工作 流體14的高(substantial)傳熱效率。因此，熱交換器或直接式蒸發(fā)器12的沸騰表面的 溫度保持相對(duì)較低以避免工作流體14的分解。本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)在于，除去了中間熱油環(huán) 路系統(tǒng)，這使得本發(fā)明復(fù)雜程度較低并更加經(jīng)濟(jì)。通過(guò)除去中間熱油回路系統(tǒng)可使0RC系 統(tǒng)的投資費(fèi)用減少了總投資費(fèi)用的四分之一。應(yīng)理解的是，根據(jù)任何具體實(shí)施例不必實(shí)現(xiàn)上文所描述的所有這樣的對(duì)象或優(yōu) 點(diǎn)。因此，例如，本領(lǐng)域中的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本文中所描述的系統(tǒng)和技術(shù)可以這樣的方 式具體化或執(zhí)行，即，該方式實(shí)現(xiàn)或優(yōu)化如本文中所教導(dǎo)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)或一組優(yōu)點(diǎn)而不必實(shí) 現(xiàn)如可在本文中所教導(dǎo)或建議的其它對(duì)象或優(yōu)點(diǎn)。雖然本文中僅示出并描述了本發(fā)明的某些特征，但是本領(lǐng)域中的技術(shù)人員可想到 很多修改和變化。因此，應(yīng)理解的是，所附權(quán)利要求意在覆蓋落在本發(fā)明的真正精神范圍內(nèi) 的所有這樣的修改和變化。
權(quán)利要求
一種通過(guò)使用工作流體(14)的閉合回路以用于回收和利用來(lái)自廢熱源的廢熱的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(10)，所述系統(tǒng)包括至少一個(gè)包括表面處理基底(32)的蒸發(fā)器(12)，所述表面處理基底(32)用于促進(jìn)所述工作流體(14)的泡核沸騰，從而將所述工作流體(14)的溫度限制在預(yù)定溫度以下，所述蒸發(fā)器(12)還構(gòu)造成通過(guò)利用來(lái)自所述廢熱源的廢熱使所述工作流體(14)蒸發(fā)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述表面處理基底(32)包括設(shè)在所 述蒸發(fā)器(12)的沸騰側(cè)上的涂層(36)，其中，所述涂層(36)還包含用于所述蒸發(fā)器(12) 中的工作流體形成氣泡的微粒或纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述表面處理基底(32)還包括用于 所述蒸發(fā)器(12)中的工作流體(14)形成氣泡的非均勻表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(10)，其特征在于，所述涂層(36)還包括親水層，所述 親水層還包含多個(gè)氮基離子。
5.一種用于促進(jìn)工作流體(14)的泡核沸騰從而在熱交換器中將所述工作流體(14)的 溫度限制在預(yù)定溫度以下的表面處理基底(32)，所述表面處理基底(32)包括用于促進(jìn)所述工作流體(14)中氣泡的形成且懸浮在基質(zhì)中的多個(gè)微粒或多束纖維 (34)，以及用于使所述多個(gè)微?；蚨嗍w維結(jié)合的熱傳導(dǎo)結(jié)合劑。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表面處理基底(32)，其特征在于，所述微粒(34)的大小從約 1 μ m變化至約100 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表面處理基底(32)，其特征在于，所述工作流體(14)的預(yù)定 溫度從約200°C變化至約300°C。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的表面處理基底(32)，其特征在于，所述纖維(34)包括玻璃纖 維、石英、礦物晶體、金屬或陶瓷化合物。
9.一種處理熱交換器的沸騰表面(38)以用于促進(jìn)流過(guò)所述熱交換器的工作流體的泡 核沸騰從而將所述工作流體(14)的溫度限制在預(yù)定溫度以下的方法(40)，所述方法(40) 包括為一個(gè)或多個(gè)非均勻制備所述熱交換器的表面，其中，制備所述熱交換器的表面包括 化學(xué)腐蝕；以及在所述熱交換器的表面上沉積(46)涂層，其中，所述沉積包括在所述熱交換器的沸騰 表面上噴涂金屬微粒和燒結(jié)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法(40)，其特征在于，所述制備所述熱交換器的表面包括 機(jī)械加工。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有表面處理基底的熱交換器，具體而言，提供了一種通過(guò)使用工作流體(14)的閉合回路以用于回收和利用來(lái)自廢熱源的廢熱的有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(10)。有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)(10)包括至少一個(gè)蒸發(fā)器(12)。蒸發(fā)器(12)還包括表面處理基底(32)以用于促進(jìn)工作流體(14)的泡核沸騰從而將工作流體(14)的溫度限制在預(yù)定溫度以下。蒸發(fā)器(12)還構(gòu)造成，通過(guò)利用來(lái)自廢熱源的廢熱使工作流體(14)蒸發(fā)。
文檔編號(hào)F28F13/18GK101892905SQ20101016781
公開(kāi)日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者G·阿斯特, M·A·勒哈, R·奧曼, S·W·弗羅伊恩德, T·J·弗里 申請(qǐng)人:通用電氣公司