[发明专利]具有液态中间体的紧凑、高效气体-气体复合回流换热器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2007年12月21日提出的美国申请号为61/016,247和在2008年3月5日提出的美国申请号为61/034,148的权益，将上述二者作为参考文件引入本申请。

技术领域

本发明的领域是热交换器，特别是，利用具有液态中间体的复合回流换热器，实现洁净气体间高效、紧凑的气体-气体换热，该气体具有相似的热容率。

背景技术

具有高热效率及在成本效益上有数量级提高的气体-气体换热对满足全球能量需求是至关重要的，如在至少两个共同待决专利申请中所示。从制造前景上讲，存在的难题是：生产在管的内部和外部均具有紧密间隔的翅片的热交换器是不切实际的，且迄今为止可供替代的方法未取得很大成就。

在过去的四十年里，为实现各种目的，大量热交换器已经被很好地优化。然而，在两股流体的热容率相近的情况下，绝大多数热交换器未能实现高热效率ε。流体的热容率(heat capacity rate)W定义为GC_p(其国际单位制单位为W/K)，其中G为质量流率(kg/s)，C_p为比热(J/kg-K)。根据ε的标准定义(传导的热量与理论极限的比值)，高ε值在W_min(较弱流体的)远远小于W_max(较强流体的)时最易实现。然而，只有在W_min接近W_max时，才能使热损耗最小。术语“回流换热器(recuperator)”和“回热器(regenerator)”通常意味着流体具有相似的W值，这正是本发明中主要关注的用途和条件。然而，流体不必处于相同状态，一种可以为液体，而另一种为气体。

常见的低成本但具有高热损耗的热交换器包括：汽车散热器和空调冷凝器。例如，在汽车散热器中，加热的空气在温度远低于热水流入温度的情况下流出。因此，大多数水的热(能量可用性)被损耗了，不管人们如何选择来精确限定其损耗量。其它用于不相关目的的低成本紧凑型换热器包括微通道，紧凑型流体冷却系统，如美国专利US 6,907,921中所示。

致力于高ε值的流体热交换器的子集主要有以下情况中的一种：冷凝蒸气-液体、冷凝蒸气-气体、沸腾液体-液体、沸腾液体-气体、液体-气体、或液体-液体。在所有这些情况中，至少一侧的流体的导热系数，k_t，W/m-K，相当大(通常大于0.2W/m-K)，或者有一侧产生相变带动小型湍流。普通的气体-气体交换应用是在蒸汽动力-发电过热器中。然而，此处蒸汽具有高导热系数和相对高的密度(例如，在10Mpa，650K下为0.067W/m-K和40kg/m³)。此外，这里的高ε值并非要到的目的，因为烟气随后被用以实现沸腾。气体-气体交换有时还能使用于蒸汽动力发电装置的空气预热器中。此时，尽管通常烟气温度的最低值为～400K以限制酸冷凝时的腐蚀，而这限制了这些换热器的ε值，但仍可以得到适当高的ε值。

使用低泵送功率在气体-气体交换中实现高热效率已经成为一项挑战，因为体积比热要比液体的低得多且导热系数通常要低。在使用刚刚超过倾点温度时粘度值便非常高的有机液体的回流换热器中实现高ε值同样是一项挑战。

Doty在美国专利U.S.4,676,305中公开了一种对具有相似W值气体以低压降实现高效换热的简捷方法。然而，这种微管回流换热器还不能与钎焊板翅式进行商业上的竞争，钎焊板翅式可以在30-250kW及偶尔高至25MW的范围广泛应用于回热式开式布雷顿循环(Brayton cycle)。可见，例如，可以从加利福尼亚州(CA)的查兹沃斯(Chatsworth)的凯普斯通涡轮公司(Capstone TurbinesCorporation)得到微涡轮。这些同样具有有限的成本效益，且对在高温时(高于～750K)两种流体之间具有大的压差(大于～0.7MPa)情况下的应用有限制。

优化的，紧凑型高ε值气体-气体回流换热器要求低流速(声速的百分之几)，总的流程换热长度在0.1至2m的范围内，并且通道水力直径(hydraulicdiameter)为0.5-8mm，较大直径相应于将近0.1Mpa的压力，较小尺寸相应于高于0.5Mpa的压力。它们还要求使用具有相对低导热系数的建筑材料，而本发明未有此要求。