BR112015008522B1

BR112015008522B1 - placa de troca de calor e trocador de calor

Info

Publication number: BR112015008522B1
Application number: BR112015008522-9A
Authority: BR
Inventors: Barry R. Cole; Laurence Jay Shapiro; Barry Noel; Hoseong Lee; Yunho Hwang; Daniel Latimer Wilkins
Original assignee: The Abell Foundation, Inc.
Priority date: 2012-10-16
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2021-01-19
Also published as: BR112015008522A2; EP2920538A4; KR102175003B1; KR20200127055A; JP6827062B2; US10619944B2; KR20150074082A; JP2021060193A; IN2015DN04028A; US20150260464A1; JP2015535069A; KR102317701B1; US20210108867A1; CN107883792A; EP2920538A1; CN104937363B; JP2019060604A; WO2014062653A1; CN104937363A; JP6554036B2

Abstract

TROCADOR DE CALOR INCLUINDO UM MANIFOLDE. A presente invenção refere-se a um trocador de calor incluindo placas de trocador de calor em um arranjo empilhado, de modo que cada placa de trocador de calor fique espaçada da placa de trocador de calor adjacente. O espaço entre placas de trocador de calor define uma passagem externa de fluído e cada passagem externa de fluído sendo configurada para receber um primeiro fluído. Cada placa de trocador de calor inclui uma borda periférica, e uma passagem interna de fluído para receber um segundo fluído. A passagem interna de fluído inclui uma entrada e uma saída que se abrem na borda periférica. O trocador de calor adicionalmente inclui um manifolde, tendo uma câmara de alimentação de manifolde que faz comunicação fluída com a entrada em cada placa de trocador de calor, e uma câmara de descarga que faz comunicação fluída com a saída de cada placa de trocador de calor.

Description

Aplicações Relacionadas

[0001] A presente invenção reivindica prioridade para Pedido de Patente Provisional No 61/720,591 depositado em 31 de outubro de 20212 e Pedido de Patente Provisional No 61/714,538 depositado em 16 de outubro de 2012, ambos incorporados nesta, por referência, em sua integralidade.

Campo Técnico

[0002] A presente invenção refere-se à transferência de calor entre fluídos, e, mais especificamente, à transferência de calor entre fluídos usando placas de trocador de calor.

Antecedentes

[0003] Os mares e oceanos tropicais do planeta constituem um recurso energético renovável único. A chamada "Conversão Energética Térmica Oceânica" (OTEC de Ocean Thermal Energy Conversion) é uma maneira de produzir energia renovável usando a energia solar armazenada na forma de calor nos oceanos nas regiões tropicais. O processo OTEC usa a diferença de temperatura que há entre a superfície e as profundezas do oceano para mover um motor, para produzir energia elétrica. A água quente necessária para motores de calor OTEC é encontrada na superfície até uma profundidade de 30,48 (100 pés) ou menos. A fonte constante de água fria pode ser encontrada entre uma profundidade de 762 m e 1280,16 m (2700 pés e 4200 pés) ou mais. Uma vez que tais profundidades não são tipicamente encontradas próximas de grandes centros populacionais ou mesmo de grandes massas de terra, uma usina oceânica (off-shore) é requerida.

[0004] Usinas flutuantes OTEC para ondas pequenas tendo sistemas de trocador de calor de alta eficiência vêm sendo propostas, onde dutos de água quente e água fria e trocadores de calor são integrados estruturalmente a uma plataforma flutuante, e usados para mover um motor térmico. O motor térmico, por sua vez, move um gerador através do que é produzida energia elétrica.

Sumário

[0005] Em alguns aspectos, uma usina geradora de energia elétrica usa processos de conversão de energia térmica oceânica como fonte de energia.

[0006] Aspectos adicionais relacionam-se a usinas de energia elétrica OTEC de onda pequena tendo sistemas de trocador de calor multi-estágio de alta eficiência, onde dutos de alimentação de água quente e fria, e módulos trocadores de calor são estruturalmente integrados a uma plataforma ou estrutura flutuante da usina elétrica.

[0007] Em alguns aspectos das implementações da invenção, um trocador de calor inclui duas ou mais placas de trocador de calor em um arranjo empilhado, de modo que cada placa de trocador de calor seja espaçada da placa de trocador de calor adjacente, sendo que o espaço entre placas adjacentes define uma passagem externa de fluído, cada passagem externa de fluído configurada para receber um primeiro fluído. Cada placa de trocador de calor inclui uma borda periférica, uma passagem interna de fluído configurada para receber um segundo fluído, e uma entrada para a passagem interna de fluído que se abre na borda periférica, e um coletor faz comunicação fluída com a entrada de cada placa de trocador de calor.

[0008] Em outras implementações exemplares da invenção, o trocador de calor inclui um ou mais dos seguintes componentes: o coletor inclui uma câmara de coletor que se estende em uma direção normal ao plano definido por uma placa de trocador de calor. O coletor inclui uma aba que se estende de uma porção da borda periférica de cada placa de trocador de calor, onde cada aba inclui uma passagem de aba que faz comunicação fluída com a passagem interna, cada aba incluindo uma abertura que intercepta sua passagem de aba, as aberturas de cada aba ficam alinhadas em uma direção normal ao plano definido pela placa de trocador de calor e define uma câmara de coletor, e a superfície interna da câmara de coletor inclui juntas que correspondem a uma conexão entre uma primeira superfície de uma passagem de aba de uma aba e uma segunda superfície de uma passagem de aba de uma aba adjacente. As abas de cada placa são encapsuladas em um material impermeável a fluído. As abas de cada placa são encapsuladas em um material rígido. O coletor é configurado para ser conectado a um coletor de um segundo trocador de calor, de modo que os respectivos coletores fiquem em comunicação fluída.

[0009] Ainda outras implementações exemplares da invenção podem incluir um ou mais dos seguintes componentes: cada placa compreende uma primeira superfície externa de troca de calor e uma segunda superfície externa de troca de calor oposta à primeira superfície externa de calor, as primeira e segunda superfícies externas de troca de calor fazem contato fluído com o primeiro fluído, quando o trocador de calor se encontra em uso. O trocador de calor compreende uma saída a partir da passagem interna de fluído, a abertura de saída na borda periférica e o coletor fazem comunicação fluída com a saída de cada placa de troca de calor, e o coletor compreende uma primeira câmara de coletor, que é configurada para suprir um segundo fluído à entrada da passagem interna de fluído, e uma segunda câmara de coletor configurada para receber um segundo fluído a partir da saída da passagem interna de fluído, sendo que a primeira câmara de coletor é isolada da segunda câmara de coletor. A primeira câmara de coletor tem um volume diferente da segunda câmara de coletor. A passagem interna é definida entre uma superfície interna plana da placa de trocador de calor e uma superfície interna não plana da placa de trocador de calor. Cada placa de trocador de calor compreende uma primeira superfície de troca de calor não plana e uma segunda superfície de troca de calor, oposta à primeira superfície de troca de calor, que é plana, e o arranjo empilhado das placas de trocador de calor compreende arranjar as placas de trocador de calor, de modo que a primeira superfície de troca de calor de uma placa da pilha fique voltada para a segunda superfície de troca de calor de uma placa adjacente da pilha. A passagem interna de fluído se expande para fora a partir de um lado da placa, através do que o primeiro lado da placa inclui regiões se estendendo para fora, que correspondem à localização de uma passagem interna de fluído, e o segundo lado da placa é não deformado. A passagem interna de fluído inclui diversos mini-canais.

[00010] Em algumas implementações, as duas ou mais placas de trocador de calor são empilhadas verticalmente. Em outros aspectos, as duas ou mais placas de trocador de calor são empilhadas horizontalmente. As placas de trocador de calor podem ser arranjadas de maneira que seja provida um espaço entre cada placa de trocador de calor para permitir que o fluído envolva e passe através de cada placa de trocador de calor.

[00011] Em implementações exemplares adicionais, o trocador de calor inclui placas de trocador de calor em um arranjo empilhado, onde cada placa de trocador de calor é espaçada da placa de trocador de calor adjacente, o espaço entre as placas de trocador de calor adjacentes define uma passagem externa de fluído, sendo que cada passagem externa de fluído é configurada para receber um primeiro fluído. Cada placa de trocador de calor inclui uma borda periférica, uma passagem interna de fluído configurada para receber um segundo fluído, uma entrada para a primeira extremidade da passagem interna de fluído, a abertura de entrada na borda periférica, e uma saída a partir da segunda extremidade da passagem interna de fluído, a abertura de saída na borda periférica, e um coletor tendo uma câmara de alimentação em comunicação fluída com a entrada de cada placa de trocador de calor, e uma câmara de descarrega, em comunicação fluída com a saída de cada placa de trocador de calor.

[00012] Outras implementações da invenção incluem um ou mais dos seguintes componentes: a câmara de alimentação de coletor e a câmara de descarga de coletor, cada uma delas se estendendo em uma direção normal ao plano definido por uma placa de trocador de calor. O coletor inclui uma aba que se estende de uma porção da borda periférica de cada placa de trocador de calor, sendo que cada aba inclui uma passagem de entrada de aba em comunicação fluída com a entrada de fluído interna e uma passagem de saída de aba em comunicação fluída com a saída de passagem interna de fluído, cada aba incluindo uma abertura de entrada de aba, as aberturas de entrada de aba de cada aba definem uma câmara de alimentação de coletor e a superfície interna da câmara de coletor inclui juntas que correspondem à conexão entre uma primeira superfície de uma passagem de entrada de aba de uma aba e uma segunda superfície de uma passagem de entrada de aba de uma aba adjacente, e as aberturas de saída de aba de cada aba definem uma câmara de descarga de coletor, e a superfície interna da câmara de descarga de coletor inclui juntas que correspondem, a uma conexão entre primeira superfície de uma passagem de saída de aba de uma aba e uma segunda superfície de uma passagem de saída de aba de uma aba adjacente. As abas de cada placa são encapsuladas em um material rígido. As abas de cada placa são encapsuladas em material impermeável a fluído. O coletor é pelo menos encapsulado em material rígido. O coletor é configurado para ser conectado a um coletor de um segundo trocador de calor de modo que os respectivos coletores fiquem em comunicação fluída. Cada placa compreende uma primeira superfície de troca de calor exterior e uma segunda superfície de troca de calor exterior oposta à primeira superfície externa de troca de calor as primeira e segunda superfícies externas de troca de calor contatam fluidicamente o primeiro fluído, quando o trocador de calor se encontra em uso. A câmara de alimentação de coletor tem um volume diferente da câmara de descarga de coletor.

[00013] Ainda outras implementações exemplares da invenção podem incluir um ou mais dos seguintes componentes: uma passagem interna definida entre uma superfície interna plana da placa de trocador de calor e uma superfície interna não plana da placa de trocador de calor. Cada placa de trocador de calor compreende uma primeira superfície de troca de calor não plana e uma segunda superfície de troca de calor plana oposta à primeira superfície de troca de calor, e o arranjo empilhado das placas de trocador de calor compreende arranjar as placas de trocador de calor de modo que a primeira superfície de troca de calor de uma placa da pilha fique voltada para a segunda superfície de troca de calor de uma placa adjacente da pilha. A passagem interna de fluído expande para fora a partir de somente um lado da placa, através do que primeiro lado da placa inclui regiões se estendendo para fora que correspondem à localização da passagem interna de fluído, e um segundo lado da placa é não deformado. A passagem interna de fluído inclui diversos minicanais.

[00014] Em algumas implementações da invenção, um trocador de calor inclui placas de trocador de calor, cada placa de trocador de calor compreende uma passagem interna de fluído configurada para receber um primeiro fluído, uma primeira superfície externa, e uma segunda superfície externa oposta à primeira superfície externa. A primeira superfície externa é plana, a segunda superfície externa inclui regiões protuberantes que correspondem à localização da passagem interna em cada placa de trocador de calor, e as placas de trocador de calor são empilhadas ao longo de um eixo geométrico perpendicular à primeira superfície externa, de modo que a primeira superfície externa de uma placa de trocador de calor fique voltada para a segunda superfície externa de uma placa de trocador de calor adjacente.

[00015] Implementações exemplares adicionais incluem um ou mais dos seguintes componentes: as placas de trocador de calor são arranjadas de modo que a primeira superfície externa de uma placa de trocador de calor seja espaçada da segunda superfície externa de uma placa de trocador de calor adjacente. Cada uma das primeira e segunda superfícies externas contata um segundo fluído, quando o trocador de calor se encontra em uso.

[00016] Em alguns aspectos da invenção, um método para fabricar um trocador de calor inclui prover uma placa de trocador de calor tendo uma primeira superfície externa de troca de calor e um segundo lado oposto ao primeiro lado, e prover uma segunda superfície externa de troca de calor e uma passagem interna de fluído; cortar uma abertura na placa, de modo que a abertura cortada intercepte a passagem interna; repetir as etapas acima para formar uma pluralidade de placas cortadas, empilhar as placas cortadas ao longo de um eixo geométrico de alinhamento, para prover uma pilha de placa tendo aberturas cortadas alinhadas, e unir as bordas cortadas, de modo que o primeiro lado de uma placa seja ligada a um segundo lado de uma placa adjacente, de modo que uma câmara de coletor seja formada em um volume definido pelo menos em parte pelas respectivas aberturas unidas, a câmara de coletor faz comunicação fluída com cada passagem interna.

[00017] Aspectos exemplares da invenção podem incluir um ou mais dos seguintes componentes: afixar um flange às aberturas cortadas da pilha de placas e encapsular uma porção das placas unidas e uma porção de virola do flange de plástico. O trocador de calor adicionalmente compreende uma aba que se estende de uma porção da borda periférica de cada placa e a abertura cortada de cada placa é localizada na aba. As abas de trocador de calor são encapsuladas em um material de encapsulamento diferente do material usado para formar as abas. As abas do trocador de calor são encapsuladas em plástico. O empilhamento inclui arranjar as placas de modo que o lado de uma placa fique voltado para o segundo lado de uma placa adjacente. Prover uma placa de trocador de calor tendo uma passagem interna de fluído inclui prover um primeiro e segundo painéis em um pré-determinado arranjo; aplicar um agente inibidor de união a uma superfície do primeiro painel em um pré-determinado arranjo; empilhar o primeiro e segundo painéis e modo que o agente de união fique entre a primeira e a segunda folhas; unir por rolagem primeiro e segundo painéis empilhados para formar uma placa; e expandir a placa de modo a formar uma passagem interna que corresponda ao pré-determinado arranjo. Durante a etapa de expandir a placa, o segundo painel é deformado pela pressão de ar injetado, e o primeiro painel se mantém não deformado pela pressão de ar injetado. Expandir a placa compreende injetar ar entre o primeiro painel e o segundo painel. Unir as bordas cortadas das aberturas cortadas compreende unir primeiro painel de uma placa com um segundo painel de uma placa adjacente. Empilhar as placas inclui dispor de um gabarito de alinhamento, e colocar as placas no gabarito de alinhamento para prover uma pilha de placas tendo bordas periféricas e aberturas cortadas alinhadas. Depois do empilhamento, o gabarito de alinhamento fica com a pilha de placa.

[00018] Métodos exemplares também podem incluir um ou mais dos componentes adicionais: unir um conector com as aberturas cortadas dos lados voltados para fora das placas extremas da pilha de placas. A passagem interna inclui uma entrada e uma saída, a etapa de cortar uma abertura na placa inclui cortar uma abertura de entrada que intercepta a extremidade de entrada da passagem interna e cortar uma abertura de saída que intercepta a extremidade de saída da passagem interna, e a etapa de unir e a etapa de unir as bordas cortadas inclui unir as bordas cortadas das aberturas de entrada de modo que um primeiro lado de uma placa se junte a um segundo lado de uma placa adjacente, e de modo que uma câmara de alimentação de coletor seja formada em um volume definido, pelo menos em parte, pelas respectivas aberturas de alimentação de coletor, a câmara de alimentação de coletor fazendo comunicação fluída com a extremidade de entrada da passagem interna, e unir as bordas cortadas das aberturas de saída de modo que um primeiro lado de uma placa seja unido a um segundo lado de uma placa adjacente. E de modo que uma câmara de descarga de coletor seja formada em um volume definido pelo menos em parte pelas respectivas aberturas de saída unidas, câmara de descarga de coletor fazendo comunicação fluída com a extremidade de saída da passagem interna. A câmara de alimentação de coletor e câmara de descarga de coletor ficam dentro de um único coletor de modo a não haver nenhuma comunicação de fluído entre a câmara de alimentação de coletor e a câmara de descarga de coletor. Os trocadores de calor descritos nesta provêem uma eficiência de troca de calor aumentada e, por conseguinte, por exemplo, aumentam a eficiência do motor térmico OTEC que usa um ciclo térmico altamente eficiente para prover a máxima eficiência para produção de energia elétrica. A troca de calor nos processos de ebulição e condensação assim como os materiais e projeto de trocador de calor limitam a quantidade de energia que pode ser extraída de cada libra (unidade de peso) de água quente. No entanto, os trocadores de calor usados no evaporador e condensador usam grandes volumes de água e fluxo de água quente com baixa perda de carga para limitar cargas parasitas. Os trocadores de calor também proveem elevados coeficientes de transferência de calor para aumentar a eficiência. Os trocadores de calor incorporam materiais e desenhos ajustados para temperaturas de entrada de água quente e água fria para aumentar a eficiência. O desenho do trocador de calor emprega um método de construção simples que usa uma pequena quantidade de material que reduz custos e volumes.

[00019] Em algumas configurações exemplares da invenção, o fluído de trabalho é suprido e descarregado de cada placa dos trocadores de calor ao longo de uma borda lateral periférica de placa, através de um coletor, no qual as conexões de entrada e saída são formadas integradas com a placa e soldadas à placa adjacente durante o processo de montagem. O coletor inclui conexões soldadas encapsuladas no epóxi que flui entre as placas na região do coletor para prover um reforço estrutural ao conjunto e impedir que a água venha a contatar a superfície soldada. Isto constitui um melhoramento em relação aos trocadores de calor de tubo, uma vez cada tubo pode ser firmemente conectado à placa de trocador de calor ou a uma linha de alimentação. Por exemplo, em algumas configurações, tanto quanto quatro conexões de entrada e oito conexões de saída são requeridas per placa do trocador de calor. Em densidades de aproximadamente 20 placas per pé linear, tanto quanto 488 conexões individuais poderiam ser requeridas em um módulo de 6,09 m (20 pés). Isto causa um problema logístico, assim como um problema de controle de qualidade. As conexões também ficam expostas ao ambiente marinho. Vantajosamente, usando o coletor na borda periférica lateral do trocador de calor, se elimina inteiramente o uso de conexões de tubo e os correspondentes problemas logísticos e de controle de qualidade.

[00020] Em outras configurações da invenção, os trocadores de calor descritos nesta são formados de placas que são expandidas para formar uma passagem interna de fluído, onde as regiões expandidas se estendem em somente um lado da placa deixando o outro lado essencialmente plano. Isto permite que o espaçamento máximo e mínimo consistente entre placas, a despeito de se expansão ocorrer ao longo da extensão da placa. Usando placas onde regiões expandidas se estendem em somente um lado da placa (aqui placas de uma face) amenizam o impacto de inconsistência dimensional no sentido da largura associada com o processo de fabricação de fusão por rolagem usado para formar as placas. O processo de fusão por rolagem para fundir metais entre rolos tem questões inerentes com respeito à repetibilidade dimensional no sentido da largura embora a altura seja consistente. Quando placas unidas por rolagem nas quais as regiões expandidas se estendem em ambos lados da placa (chamadas aqui de placas de dupla face) são empilhadas em um trocador de calor, a variação dimensional pode resultar em configurações nas quais as seções expandidas de placas adjacentes são posicionadas diretamente opostas entre si, resultando em pontos de pinçamento com perdas de pressão mais altas e transferência de calor mais baixas que aqueles esperados. Provendo placas de uma face e arranjando as placas no trocador de calor, então o lado que se estende de uma placa voltada para o lado plano da placa adjacente, evitam-se os efeitos negativos da variação dimensional. Em adição, os resultados de laboratório dão que as perdas de pressão para uma placa de uma face são significativamente reduzidas, em fluxo e espaçamento nominal iguais às placas de dupla face.

[00021] As implementações, configurações, e exemplos da invenção descritos nesta poderão ser combinadas como descrito, ou em outras combinações de componentes.

[00022] Os detalhes de uma ou mais configurações serão estabelecidos na descrição a seguir e desenhos anexos. Outros componentes, objetivos e vantagens serão aparentes àqueles habilitados na técnica a partir da descrição a seguir e desenhos anexos e reivindicações.

Descrição dos Desenhos

[00023] A Figura 1 ilustra um motor térmico OTEC exemplar;

[00024] A Figura 2 ilustra uma usina de energia elétrica OTEC exemplar;

[00025] A Figura 3 ilustra outra usina de energia elétrica OTEC exemplar;

[00026] A Figura 4 ilustra uma vista seccional de um arranjo de trocador de calor da usina de energia elétrica OTEC da Figura 3;

[00027] A Figura 5 ilustra um trocador de calor de carcaça e tubo;

[00028] A Figura 6 ilustra um trocador de calor de placa;

[00029] A Figura 7 ilustra outro trocador de calor de placa;

[00030] A Figura 8 ilustra esquematicamente um sistema de troca de calor multi-estágio;

[00031] A Figura 9 ilustra um módulo de troca de calor de um sistema de troca de calor multi-estágio;

[00032] A Figura 10 ilustra uma vista em perspectiva de um sistema de troca de calor de quatro estágios;

[00033] A Figura 11 uma vista em perspectiva de um módulo de troca de calor do sistema de troca de calor multi-estágio da Figura 10;

[00034] A Figura 12 ilustra uma vista em perspectiva de um arranjo simples de trocador de calor;

[00035] A Figura 13 ilustra uma vista em perspectiva em seção transversal do arranjo de trocador de calor, como visto ao longo das linhas 13-13 da Figura 12;

[00036] A Figura 13A ilustra uma vista ampliada de uma porção da Figura 13;

[00037] A Figura 14 ilustra uma vista em planta da placa de troca de calor;

[00038] A Figura 15A ilustra uma vista de extremidade de um conector de flange;

[00039] A Figura 15B ilustra uma vista explodida do conector de flange da Figura 15A;

[00040] A Figura 16 ilustra um vista seccional lateral de uma porção de coletor incluindo conectores de flange;

[00041] A Figura 17 ilustra uma vista em perspectiva de um grampo;

[00042] A Figura 18 ilustra uma vista seccional lateral de uma porção do arranjo de trocador de calor;

[00043] A Figura 19 ilustra um diagrama P-h de um ciclo de potência vapor de alta pressão convencional;

[00044] A Figura 20 ilustra um diagrama P-h de um ciclo térmico;

[00045] A Figura 21 ilustra uma vista seccional de uma porção expandida de uma placa de dupla face;

[00046] A Figura 22 ilustra uma vista seccional de uma porção expandida de uma placa de uma face;

[00047] A Figura 23 é um fluxograma de etapas de método para fabricar um arranjo de trocador de calor incluindo um coletor;

[00048] A Figura 24 ilustra uma vista em planta esquemática de uma placa incluindo uma entrada de injeção de ar;

[00049] A Figura 25 ilustra uma vista em planta esquemática de outra placa incluindo uma entrada de injeção de ar;

[00050] A Figura 26 ilustra uma vista em planta de uma porção de uma placa incluindo a aba;

[00051] A Figura 27 ilustra uma placa de placas e um gabarito de alinhamento usado para alinhar as placas na pilha;

[00052] A Figura 28 ilustra uma vista seccional ao longo das linhas 28-28 da Figura 26;

[00053] A Figura 29 ilustra uma vista seccional da Figura 28 depois de cortar e unir placa para formar câmara de coletor;

[00054] A Figura 29A é uma vista seccional parcial de uma câmara de alimentação de coletor incluindo juntas sobrepostas;

[00055] A Figura 30 ilustra uma vista explodida de um envasamento;

[00056] A Figura 31 ilustra uma vista lateral esquemática da pilha de trocador de calor arranjada com a porção de aba do envasamento;

[00057] A Figura 32 ilustra uma vista lateral de dois arranjos de trocador de calor, nos quais os conectores de flange dos coletores são conectados usando um grampo;

[00058] A Figura 33 ilustra uma vista em perspectiva em corte longitudinal de uma unidade de evaporação parcialmente montada;

[00059] A Figura 34A ilustra uma vista de extremidade explodida de outro conector de flange;

[00060] A Figura 34B ilustra uma vista lateral explodida do conector de flange da Figura 34A;

[00061] A Figura 35 é uma vista seccional de um coletor de condensador ilustrando outros conectores de flange;

[00062] A Figura 36 é uma vista em perspectiva de topo de uma placa de trocador de calor de evaporador;

[00063] A Figura 37 é uma vista seccional de uma porção da placa de troca de calor da Figura 36, como visto ao longo da linha 37-37;

[00064] A Figura 38 é uma vista de topo da placa de troca de calor da Figura 36;

[00065] A Figura 39 é uma vista em perspectiva de topo de placa de troca de calor de condensador;

[00066] A Figura 40 é uma vista seccional de uma porção da placa de troca de calor da Figura 38, como visto ao longo da linha 40-40;

[00067] A Figura 41 é uma vista de topo da placa de troca de calor da Figura 39;

[00068] A Figura 42 é uma vista seccional de uma porção da placa de troca de calor, como visto ao longo da linha 42-42 das Figuras 38 e 41;

[00069] A Figura 43 é uma vista seccional de uma porção da placa de troca de calor, como visto ao longo da linha 42-42 das Figuras 38 e 41;

[00070] A Figura 44 é uma vista seccional de uma porção da placa de troca de calor, como visto ao longo da linha 42-42 das Figuras 38 e 41;

[00071] A Figura 45 é uma vista seccional de uma porção da placa de troca de calor, como visto ao longo da linha 42-42 das Figuras 38 e 41;

[00072] A Figura 46 é uma vista de topo de uma placa de troca de calor ilustrando a localização das zonas 1, 2, 3 com respeito à placa;

[00073] A Figura 47 é uma vista de extremidade de topo de um arranjo encerrado em um casulo;

[00074] A Figura 48 é uma vista em perspectiva do arranjo e casulo da Figura 47;

[00075] A Figura 49 é uma vista em perspectiva de arranjo e casulo da Figura 48 incluindo um manípulo;

[00076] Ao longo dos vários desenhos os mesmos símbolos de referência indicam elementos similares.

Descrição Detalhada

[00077] Dispositivos e sistemas de trocador de calor multiestágio de alta eficiência serão descritos nesta. Uma configuração exemplar é provida onde são usados dispositivos e componentes de troca de calor multi- estágio em uma usina de energia elétrica OTEC, na qual dutos de alimentação de água quente e dutos de alimentação de água fria e trocadores de calor são estruturalmente integrados em uma plataforma flutuante ou terrestre e usados para acionar um motor térmico. Como discutido acima, um processo OTEC é um processo que usa energia térmica do sol armazenada nos oceanos para gerar eletricidade. O processo OTEC usa a diferença de temperatura entre a água quente da superfície e a água fria das profundezas em regiões tropicais para operar um ciclo Rankine, onde a água quente da superfície serve como fonte de calor e a água fria das profundezas serve como dissipador de calor. Turbinas do ciclo Rankine movem geradores para produzir energia elétrica.

[00078] Embora os dispositivos e sistemas de troca de calor sejam descritos nesta com referência a usinas de energia elétrica OTEC, os dispositivos e sistemas troca de calor não se limitam ao uso em usinas de energia elétrica OTEC. Por exemplo, os dispositivos e sistemas de troca de calor descritos nesta podem ser úteis em outras aplicações que requeiram uma troca de calor de alta eficiência, tal como condensadores de descarga de vapor e outros dispositivos de conversão de calor residual e sistemas de resfriamento passivo de usinas nucleares, assim como usinas solares de dessalinização. A Figura 1 ilustra um típico motor térmico ciclo Rankine OTEC 10 que inclui entrada de água quente do mar 12, evaporador 14, saída de água quente do mar 15, turbina 16, entrada de água fria do mar 18, condensador 20, saída de água fria do mar 21, duto de fluído de trabalho 22, e bomba de fluído de trabalho 24.

[00079] Em operação, o motor 10 pode usar qualquer um de um número de fluídos de trabalho, por exemplo, refrigerantes comerciais, tal como amônia. Outros fluídos de trabalho podem incluir propileno, butano, R-22 e R-134a, e seus substitutos. A água quente do mar entre aproximadamente 23,88°C e 29,44°C (75°F e 85° F) ou mais é captada na superfície do oceano ou de logo abaixo da superfície do oceano através da entrada de água quente do mar 12 e por sua vez aquece o fluído de trabalho amônia que passa através do evaporador 14. A amônia ferve para uma pressão de vapor de aproximadamente 942,32 KPa (9,3 atm). O vapor é conduzido ao longo do duto de fluído de trabalho 22 em direção à turbina 16. O vapor de amônia expande ao passar pela turbina 16 produzindo energia para mover gerador elétrico 25. O vapor de amônia, então, entra no condensador 20, onde é resfriado para a condição líquida pela água fria do mar captada a uma profundidade de aproximadamente 914,4 m (3000 pés). A água fria do mar entra no condensador a uma temperatura de aproximadamente 40°F. A pressão de vapor do fluído de trabalho amônia a uma temperatura de aproximadamente 10,55°C (51°F) no condensador 20 é 618,08 KPa (6,1 atm). Assim, um diferencial de pressão significativo é disponível para mover a turbina 16 e gerar energia elétrica. À medida que o fluído de trabalho amônia condensa o fluído de trabalho, o líquido é bombeado de volta para o evaporador 14 pela bomba de fluído de trabalho 24 via duto de fluído de trabalho 22.

[00080] O motor térmico 10 da Figura 1 é essencialmente igual a um motor do ciclo Rankine usado na maior parte das turbinas a vapor, exceto com respeito ao fato de usar diferentes fluídos em temperaturas e pressões mais baixas. O motor térmico 10 da Figura 1, que é similar àqueles de instalações de refrigeração comercial (por exemplo, uma bomba térmica usando energia elétrica) exceto com respeito ao fato de o ciclo OTEC ser realizado na direção oposta da fonte térmica (por exemplo, água quente do mar) e o dissipador de calor (por exemplo, água das profundezas do oceano) são usados para produzir energia elétrica.

[00081] A Figura 2 ilustra os componentes de uma usina de energia elétrica OTEC flutuante convencional 200 que inclui uma embarcação ou plataforma 210, entrada de água quente do mar 212, bomba de água quente 213, evaporador 214, saída de água quente do mar 215, um turbo gerador 216 tubo de água fria 217, entrada de água fria 218, bomba de água quente 219, condensador 220, saída de água fria 221, duto de fluído de trabalho 222, bomba de fluído de trabalho 224, e conexões de tubo 230. A usina OTEC 200 também pode incluir sistemas de geração, transformação, e transmissão, sistemas de controle de posição, equipamentos de propulsão, ou sistemas de atracação, assim como vários sistemas suporte e auxiliares (por exemplo, para alojar pessoal, sistemas de emergência, sistemas de água potável, preta e cinza, sistemas de incêndio, sistemas de controle de danos, flutuação, e outros sistemas navais ou marítimos).

[00082] Implementações de usinas de energia elétrica OTEC usam um motor térmico básico e os sistema das Figuras 1 e 2 têm uma eficiência global relativamente baixa de 3% ou menos. Por causa desta baixa eficiência térmica, a operação OTEC requer o fluxo de grandes volumes de água através do sistema de energia elétrica per kW de energia gerada. Isto, por sua vez, requer grandes trocadores de calor, tendo uma grande superfície de troca de calor.

[00083] O sistema e soluções descritas atendem desafios técnicos para melhorar a eficiência de operações OTEC e reduzir os custos de construção e operação.

[00084] O motor térmico OTEC 10 descrito nesta usa um ciclo térmico de alta eficiência para produção de energia elétrica com máxima eficiência. A transferência de calor em processos de ebulição e condensação, assim como materiais e projetos de troca de calor limitam a quantidade de energia que pode ser extraída de cada libra de água quente do mar. Os trocadores de calor usados no evaporador 214 e condensador 220 usam um grande volume de água quente e água fria com baixa perda de carga para limitar cargas parasíticas. Os trocadores de calor também proveem elevados coeficientes de transferência de calor para aumentar a eficiência. Os trocadores de calor incorporam materiais e desenhos ajustados às temperaturas de entrada de água quente e água fria, para aumentar a eficiência. O desenho do trocador de calor deve prover uma construção simples, usando uma pequena quantidade de material com vista a reduzir volume e custo.

[00085] Os turbo-geradores 216 são muito eficientes e apresentam um nível reduzido de perda interna, e também podem ser ajustados para um fluído de trabalho para aumentar adicionalmente a eficiência.

[00086] A Figura 3 ilustra uma implementação de sistema OTEC que aumenta a eficiência de usinas de energia elétrica OTEC anteriores e superam muitos dos desafios técnicos associados. Esta implementação compreende uma coluna de embarcação ou plataforma com trocadores de calor e tubulação de água quente e água fria associados, integrados com a coluna.

[00087] A coluna 310 aloja um sistema de troca de calor multi-estágio integral para uso com uma usina de energia elétrica OTEC. A coluna 310 inclui uma plataforma 360 sobreposta a uma porção submersa 311 sob a linha de água 305. A porção submersa 311 compreende uma porção de captação de água quente 340, porção de evaporador 344, porção de descarga de água quente 346, porção de condensador 348, porção de captação de água fria 350, tubo de água fria 351, porção de descarga de água fria 352, porção de deque de maquinário 354.

[00088] Em operação, a água fria do mar a uma temperatura de 23,88°C e 29,44°C (75°F a 85°F) é captada através de porção de captação de água fria 340 e desce a coluna 310 através de duto de água fria, estruturalmente integrada à coluna (não mostrada). Devido ao requisito de grande volume de fluxo de água de motor térmico OTEC, os dutos de água fria direcionam o fluxo para a porção de evaporador 344 entre 500,000 e 6,000,000 gpm. Os dutos de água fria têm um diâmetro de 1,82 m a 10,66 m (6 a 35 pés) ou mais. Devido a seu tamanho, os dutos de água fria constituem membros estruturais verticais da coluna 310. Os dutos de água fria podem ser tubos de grande diâmetro com resistência suficiente para suportar verticalmente a coluna 310. Alternativamente, os dutos de água fria podem ser passagens integradas à construção da coluna 310.

[00089] A água fria, então, flui através da porção de evaporador 344 que aloja um ou mais trocadores de calor multi-estágio empilhados configurados para operar evaporadores 314 para aquecer fluído de trabalho para a condição de vapor. A água do mar quente, então, é descarregada da coluna 310 via descarga de água quente 346. A descarga de água quente pode ser localizada ou direcionada via tubo de descarga de água quente para uma profundidade próxima da camada térmica do oceano tendo aproximadamente a mesma temperatura da descarga de água quente, para limitar qualquer impacto ambiental. A descarga de água quente pode ser direcionada para uma profundidade suficiente para evitar uma recirculação térmica quer com a captação de água quente ou captação de água fria.

[00090] Água fria do mar é captada a uma profundidade entre 762 m e 1280,16 m (2500 e 4200 pés) ou mais, a uma temperatura de aproximadamente 40°F via tubo de água fria 351. A água fria do mar entra na coluna 310 via porção de água fria 350. Devido ao requisito de grande volume de fluxo de água dos motores térmicos OTEC, os dutos de água fria do mar direcionam um fluxo de 500,000 a 6,000,000 gpm para porção de condensador 348. Tais dutos de água fria do mar têm um diâmetro entre 1,82 m e 10,66 (6 e 35 pés) ou mais. Devido a seu tamanho, os dutos de água fria do mar são membros estruturais verticais da coluna 310. Dutos de água fria podem ser tubos de grande diâmetro tendo uma resistência suficiente para suportar verticalmente a coluna 310. Alternativamente, os dutos de água fria podem ser passagens integradas à construção da coluna 310.

[00091] A água fria do mar, então, sobe através da porção de condensador 348, que aloja trocadores de calor multiestágio empilhados, que são configurados para operar como condensadores 320 onde a água fria do mar resfria o fluído de trabalho para a condição líquida. A água fria do mar, então, é descarregada da coluna 310 via descarga de água fria do mar 352. A descarga de água fria pode ser localizada ou direcionada via tubo de descarga de água fria do mar para uma profundidade ou próxima de uma camada térmica do oceano que se encontra aproximadamente na mesma temperatura da descarga da água fria do mar. A descarga de água fria pode ser direcionada para uma profundidade suficiente para evitar uma recirculação térmica quer com captação de água quente ou captação de água fria.

[00092] A porção de deque de maquinário 354 pode ser disposta verticalmente entre a porção de evaporador 344 e a porção de condensador 348. Posicionando a porção de deque de maquinário 354 sob a porção de evaporador 344 permite que a água quente flua em uma linha quase reta da captação, através dos evaporadores multi- estágio, para a descarga. Posicionando a porção de deque de maquinário 354 acima da porção de condensador 348 provê um fluxo de água fria em uma linha quase reta da captação, através dos condensadores multiestágio, e para a descarga. A porção de deque de maquinário 354 inclui turbo-geradores 356. Em operação, o fluído de trabalho quente aquecido para a condição de vapor flui da porção de evaporador 344 para um ou mais turbo-geradores 356. O fluído de trabalho expande no turbo-gerador 356, daí movendo a turbina e produzindo energia elétrica. O fluído de trabalho, então, flui para a porção de condensador 348, onde é resfriado para a condição líquida e bombeado para a porção de evaporador 344.

[00093] A Figura 4 ilustra uma implementação de um sistema, onde diversos trocadores de calor multiestágio 420 são arranjados em torno da periferia da coluna 310. Em particular, os trocadores de calor são arranjados de modo a se estenderem ao longo de um raio na coluna 310, em uma configuração raiada. Os trocadores de calor 420 podem ser evaporadores ou condensadores usados em um motor térmico. O leiaute periférico dos trocadores de calor pode ser usado com uma porção de evaporador 344 ou porção de condensador 348 da coluna 310. O arranjo periférico pode suportar qualquer número de trocadores de calor 420 (por exemplo, um trocador de calor, entre 2 e 8 8 a 16 ou 32 ou mais trocadores). Um ou mais trocadores de calor 420 podem ser arranjados perifericamente em um deque ou múltiplos deques (por exemplo, 2, 3, 4, 5 ou 6 ou mais) da coluna 310. Um ou mais trocadores podem ser perifericamente deslocados entre dois ou mais deques, de modo que dois trocadores não fiquem verticalmente alinhados sobrepostos. Um ou mais trocadores de calor podem ser arranjados perifericamente, de modo que os trocadores em um deque fiquem verticalmente alinhados com trocadores em um deque adjacente.

[00094] Trocadores de calor adjacentes 420 podem compreender um sistema de troca de calor multiestágio (por exemplo, sistemas de troca de calor de 2, 3, 4, 5, 6 ou mais estágios). Em algumas configurações, trocadores de calor individuais 420 são construídos para prover uma baixa perda de pressão ao longo do fluxo de água quente, fluxo de água fria, e fluxo de fluído de trabalho para cada trocador de calor.

[00095] Descobriu-se que sistemas de troca de calor multi-estágio permitem uma transferência de energia elevada para o fluído de trabalho a partir de um fluído de não trabalho (por exemplo, água) dentro de um diferencial de temperatura relativamente reduzido, por exemplo, de um motor térmico OTEC. A eficiência termodinâmica de uma usina OTEC depende de quão próxima a temperatura do fluído de trabalho se aproxima da temperatura da água. A física da transferência de calor determina que a área requerida para transferir a energia aumenta à medida que a temperatura do fluído de trabalho se aproxima da temperatura da água. Aumentando a velocidade da água correspondentemente aumenta o coeficiente de transferência de calor para compensar o aumento da área superficial. No entanto, o aumento da velocidade da água pode aumentar grandemente a energia de bombeamento requerida, daí aumentando a carga elétrica parasítica na usina OTEC.

[00096] Em algumas configurações, um ciclo de troca de calor em cascada híbrido de quatro estágios melhora a eficiência termodinâmica do motor térmico, e daí reduzindo a quantidade de energia que precisa ser transferida entre os fluídos. Isto, por sua vez, reduz a quantidade de superfície de troca de calor requerida. Um ciclo de troca de calor em cascata híbrido está descrito em detalhes no Pedido de Patente co- pendente US No 13/ 209,944 intitulado "Staved Ocean Thermal Energy Conversion Power Plant - Cold Water Pipe Connection", e Pedido de Patente co-pendente US No 13/ 209,865 intitulado "Ocean Thermal Energy Conversion Power Plant, ambos incorporados nesta, por referência, em sua integralidade.

[00097] O desempenho de trocadores de calor é afetado pela diferença de temperatura entre os fluídos, assim como pelo coeficiente de transferência de calor nas superfícies de trocador de calor. O coeficiente de transferência de calor geralmente varia com a velocidade do fluído que passa pelas superfícies de trocador de calor. Velocidades de fluído mais altas correspondentemente requerem uma energia de bombeamento mais alta, daí reduzindo a eficiência líquida da usina. Um sistema de troca de calor multi-estágio em cascata híbrido empregando arranjos de trocador de calor de placa de fluxo-aberto sem gaxetas proveem velocidades de fluído mais altas e eficiências mais altas para a usina, uma vez que os arranjos de trocador de calor de fluxo-aberto sem gaxetas são empilhados ao longo da direção do fluxo de fluído, permitindo um fluxo livre para o fluído para/ através do sistema como discutido adicionalmente abaixo. Assim, as perdas de pressão associadas à alimentação de fluído para o arranjo de trocadores de calor de placa são substancialmente eliminadas, e velocidades relativamente altas são conseguidas através das superfícies de transferência de calor das placas no arranjo. Isto pode ser comparado com arranjos de trocadores de placa tradicionais, onde ocorrem perdas de pressão elevadas, enquanto fluídos são supridos para a placa, particularmente nas linhas de alimentação e aberturas entre as linhas e arranjo de trocadores de placa. Em tais arranjos de trocadores de placa tradicionais, as perdas de pressão que ocorrem enquanto um fluído é suprido às placas permitem uma velocidade de fluído relativamente baixa através das superfícies de transferência de calor das placas no arranjo, provendo uma transferência de calor correspondente relativamente baixa. O desenho de trocador de calor multiestágio em cascata híbrido também provê uma queda de pressão menor ao longo do trocador e o arranjo vertical da instalação provê uma queda de pressão mais baixa ao longo de todo o sistema.

[00098] Uma usina de energia OTEC multiestágio integrada pode produzir eletricidade usando diferencial de temperatura entre água da superfície e a água nas profundezas em regiões tropicais e subtropicais. Tubulações tradicionais para a água do mar podem ser eliminadas usando estruturas em embarcações ou plataformas como duto ou passagem de fluxo. Alternativamente, as tubulações de água fria/ água quente podem usar dutos ou tubos de tamanho e resistência suficiente, para prover um suporte vertical ou outro suporte estrutural à embarcação ou plataforma. Estas seções, duto ou passagens integradas são formados como membros estruturais da embarcação ou plataforma, daí reduzindo os requisitos de uma quantidade de aço adicional. Como parte de passagens de água do mar integradas, um sistema de troca de calor multiestágio provê múltiplos estágios de evaporação de fluído de trabalho, sem requerer bocais externos ou conexões de tubulação. Usinas OTEC multiestágio integradas permitem água fria/ água quente do mar flua em sua direção natural. A água quente do mar desce através da coluna à medida que é resfriada, antes de ser descarregada em uma zona mais fria do oceano. De maneira similar, a água fria do mar da profundeza do oceano sobe através da coluna à medida que é aquecida, antes de ser descarregada na zona mais quente do oceano. Este arranjo evita a necessidade de mudar a direção do fluxo e as consequentes perdas por pressão. Este arranjo também reduz a energia de bombeamento requerida.

[00099] Sistemas de trocador de calor multiestágio permitem o uso de um ciclo OTEC em cascata híbrido. Em sistemas de trocador multi- estágio, os trocadores de calor são empilhados para formar múltiplos estágios de trocador de calor ou seções tendo água do mar passando através deles em série ou condensando o fluído de trabalho, como apropriado. Na seção de evaporador, a água do mar passa através de um primeiro estágio, onde uma parte do fluído de trabalho ferve à medida que a água do mar é resfriada. A água quente, então, desce a pilha adicional para o próximo estágio de trocador de calor e ferve a uma pressão e temperatura ligeiramente mais baixa. Isto acontece sequencialmente na pilha. Cada estágio ou seção do sistema de troca de calor supre vapor de fluído de trabalho a uma turbina dedicada para gerar energia elétrica. Cada estágio de evaporador tem um correspondente estágio de condensador na saída da turbina. A água fria passa através das pilhas de condensador em ordem invertida com respeito aos evaporadores.

[000100] Sistemas OTEC por sua natureza requerem grandes volumes de água, por exemplo, uma usina elétrica de 100 MW pode requerer, por exemplo, uma quantidade de água que é maior em ordens de magnitude que aquela requerida por uma usina a carvão de tamanho similar. Em uma implementação, uma usina elétrica de 25 MW pode requerer cerca de 1,000,000 gpm de água quente para os evapora- dores, e aproximadamente 875,000 gpm de água fria para os condensadores. A energia requerida para bombear água com pequenas diferenças de temperatura 1,6°C a 7,22°C (35°F a 45°F) atua para baixar a eficiência, enquanto aumenta o custo da construção.

[000101] Trocadores de calor presentemente disponíveis são insuficientes para lidar com grandes volumes de água e altas eficiências requeridas para operações de trocadores OTEC. Como na Figura 5, trocadores de carcaça e tubo têm uma série de tubos. Um conjunto de tubos contém fluído de trabalho que deve ser aquecido ou resfriado. O segundo fluído de não trabalho corre ao longo dos tubos que estão sendo aquecidos/ resfriados, de modo que possam introduzir ou absorver calor, como requerido. O conjunto de tubos é um feixe de tubos e pode ser feito de diversos tipos de tubos quer lisos ou aletados etc.. Trocadores de carcaça e tubo são tipicamente usados para aplicações de alta pressão. Isto porque os trocadores de calor de carcaça e tubos são robustos devido a sua forma. Trocadores de carcaça e tubo não são ideais para a natureza de pequeno diferencial de pressão, baixa pressão, e volume elevado de operações OTEC. Por exemplo, para suprir grandes volumes de fluído requeridos em operações OTEC, trocadores de carcaça e tubo tradicionais requerem um arranjo de tubulação complicado, que é associado a perdas elevadas de pressão que aumenta a energia de bombeamento. Em adição, trocadores tradicionais de carcaça e tubo são difíceis de fabricar, instalar, e manter, particularmente em ambientes dinâmicos, tal como plataformas oceânicas. Trocadores de calor também requerem uma montagem precisa, em particular com respeito às conexões da carcaça com tubos e suportes internos. Ademais, os trocadores de carcaça e tubo frequentemente têm um coeficiente de transferência de calor baixo e são restringidos com respeito ao volume de água que podem acomodar.

[000102] A Figura 6 mostra um trocador de calor de placa e quadro. Trocadores de calor de placa e quadro podem incluir múltiplas placas finas ligeiramente separadas tendo uma grande área superficial e passagens de fluxo de fluído para transferência de calor. Esta placa empilhada pode ser mais efetiva em um dado espaço que o trocador carcaça e tubo. Avanços na tecnologia de gaxetas e brazagem vêm tornando trocadores tipo-placa cada vez mais práticos. Quando usados em laço aberto, estes trocadores são normalmente do tipo gaxeta para permitir desmontagem, limpeza e inspeção periódica. Trocadores de placa montados em caráter definitivo tal como com placas brazadas por imersão e brazadas a vácuo, frequentemente especificados para aplicações de laço fechado, tal como refrigeração. Trocadores de placa também diferem com respeito ao tipo de placa usada e configurações das placas. Algumas placas podem ser estampadas com uma gravação "chevron" ou outros desenhos, e outras ainda podem ter aletas e/ou ranhuras usinadas.

[000103] Trocadores de calor de placa e quadro (plate and frame), no entanto, têm desvantagens significativas em aplicações OTEC. Por exemplo, estes tipos de trocadores requerem arranjos de tubulação complicados, que não acomodam facilmente os grandes volumes de água requeridos pelos sistemas OTEC. Frequentemente, gaxetas devem ser ajustadas com precisão e mantidas entre os pares de placas, e forças compressivas substanciais aplicadas às placas e gaxetas com parafusos são necessários para manter os selos de gaxeta. Trocadores de placa tipicamente requerem sua completa desmontagem para inspecionar e reparar uma placa defeituosa. Materiais requeridos para trocadores de calor podem ser limitados a titânio e aço inoxidável, que são materiais caros. Estes tipos de trocadores de placa inerentemente provêem áreas de fluxo relativamente iguais para o fluído de trabalho e fluído de não trabalho. Razões de fluxo entre os fluídos tipicamente são 1:1. Como visto na Figura 6, passagens de admissão e descarga são tipicamente providas em cada face da placa, reduzindo a área superficial do trocador de calor e complicando a trajetória de fluxo de fluído de trabalho e fluído de não trabalho. Ademais, trocadores de calor de placa e quadro incluem uma complexa circuitagem interna para bocais que penetram todas as placas. As complexas trajetórias de fluxo também provocam uma significativa perda de pressão, que não contribui para transferência de calor.

[000104] Referindo-se à Figura 7, é proposto nesta, com vista a superar as limitações dos trocadores de placa descritos acima a utilização de trocadores de calor nos quais o fluído de trabalho é suprido e descarregado de cada placa através de tubos unidos à borda lateral das placas, de modo a reduzir uma obstrução na face da placa ou um impedimento ao fluxo de placa de trocador de calor pelo fluído de trabalho. Nestas placas de trocador de calor, uma extremidade de cada tubo é unida à placa usando uma conexão soldada enquanto a outra extremidade do tubo é unida a um cabeçote usando uma conexão de junta soldada ou mecânica. Como discutido adicionalmente abaixo, cada placa requer tanto quanto quatro conexões de entradas e oito conexões de saída. Em densidades de aproximadamente 20 placas per pé linear tanto, quanto 4800 conexões individuais podem ser requeridas em um módulo de 6,06 m (20 pés). Isto causa problemas com respeito à logística e controle de qualidade. Quando usado em motor térmico OTEC 10, as conexões também ficam expostas ao ambiente da água do mar.

[000105] Para superar as limitações dos trocadores de calor descritos acima, é provido um trocador de calor de fluxo-aberto sem gaxeta. Em algumas implementações, placas individuais são alinhadas horizontalmente em um gabinete, de modo a prover um espaço entre cada placa. Uma trajetória para o fluído de trabalho segue através do interior de cada placa, em um arranjo que provê uma alta transferência de calor (por exemplo, serpentina alternada, chevrons, arranjo z, e similares). O fluído de trabalho entra em cada placa através de um coletor provido na lateral das placas, de modo a reduzir obstruções na face da placa ou impedimentos ao fluxo de água pelo fluído de trabalho, como discutido adicionalmente abaixo. O fluido de não trabalho, tal como água, flui verticalmente através do gabinete, e enche o espaço entre cada uma das placas de fluxo-aberto. Em algumas implementações, o fluido de não trabalho faz contato com todos os lados das placas de fluxo-aberto ou com apenas as superfícies frontal e posterior das placas de fluxo- aberto.

[000106] O trocador de calor de fluxo-aberto sem gaxeta incluindo um coletor para suprir e descarregar o fluído de trabalho elimina inteiramente o uso de conexões de tubo para o cabeçote. Em alguns casos, as conexões de entrada e saída são formadas integradas com a placa e soldadas à placa adjacente durante o processo de montagem. Uma vez soldadas as conexões, o conjunto pode ser encapsulado em epóxi, qual epóxi flui entre os cartuchos para prover um reforço estrutural ao conjunto, e impedir que a água do mar contate as superfícies soldadas, como discutido adicionalmente abaixo.

[000107] Referindo-se à Figura 8, um sistema de troca de calor multiestágio 520 inclui módulos de trocador de calor múltiplos 521, 522, 523, 524 em uma configuração verticalmente empilhada. Nesta configuração, cada um dos módulos 521, 522, 523, 524 corresponde a um estágio do sistema 520. Em algumas implementações, por exemplo, quando usado como evaporador 314 na coluna 310, os módulos de trocador de calor empilhados acomodam a água quente do mar 570 que desce através do sistema 520, do primeiro módulo evaporador 521 para o segundo módulo evaporador 522, terceiro módulo evaporador 523, e quarto módulo evaporador 524 (Figura 8). Em outras implementações, por exemplo, quando usado como condensador 320 na coluna 310, a água quente do mar sobe através do sistema 520 do primeiro módulo condensador 531, para segundo módulo condensador 532, terceiro módulo condensador 533, e quarto módulo condensador 534. Em uma configuração, o fluído de trabalho 580 flui através de dutos de fluído de trabalho em cada módulo de troca de calor horizontalmente, em comparação com o fluxo vertical da água quente do mar ou água fria do mar. O desenho de trocador de calor multiestágio vertical do sistema de troca de calor 520 facilita o desenho de embarcação de trocador de calor integrado (isto é uma coluna) elimina os requisitos para interconectar tubulação entre estágios de trocador de calor; e garante que virtualmente toda queda de pressão dos sistemas de trocador de calor ocorra sobre a superfície de transferência de calor. Assim, a direção do fluxo pode ser do topo para o fundo, ou do fundo para o topo. Em algumas configurações a direção do fluxo pode ser a direção natural da água enquanto a água é aquecida ou resfriada. Por exemplo, quando um fluído de trabalho é condensado, a água pode fluir através do arranjo de módulo empilhado verticalmente do fundo para o topo, na direção natural de convecção à medida que a água é aquecida. Em outro exemplo, quando um fluído de trabalho evapora, a água pode fluir do topo para o fundo, à medida que a água resfria. Em ainda outras configurações, o fluxo de fluido de não trabalho pode ser horizontal no sistema, isto é, da esquerda para a direita ou direita para a esquerda. Em outras configurações, o fluxo direito pode ser vertical ou horizontal, ou uma combinação de horizontal e vertical.

[000108] A Figura 9 ilustra esquematicamente detalhes de um módulo de troca de calor único 524 do sistema de troca de calor multiestágio 520. O módulo de troca de calor 524 suporta múltiplas placas de trocador de calor 1022. O fluido de não trabalho 570 flui verticalmente através do módulo de troca de calor 524 e passa por cada uma das placas 1022. As setas cheias indicam a direção do fluxo do fluido de não trabalho 570 que, neste caso, é água.

[000109] O módulo de troca de calor de fluxo-aberto 524 inclui uma face de gabinete 1030 e lado de gabinete 1031. Oposta à face de gabinete 1030 pode ser encontrada a face de gabinete 1032 (não mostrada), e oposto ao lado de gabinete 1031 pode ser encontrado o lado de gabinete 1033. As faces de gabinete 1030, 1032, e lados de gabinete 1031 e 1033 formam um plenum ou duto de água através do qual o fluido de não trabalho flui com pouca (ou nenhuma) perda de pressão devido à tubulação. Em contraste com um trocador de placa com gaxeta, descrito acima com respeito à Figura 6, o módulo de troca de calor de fluxo-aberto 524 usa lados e faces de gabinete para formar uma câmara de fluxo contendo o fluido de não trabalho 570 (por exemplo, água do mar), ao invés de usar gaxetas entre placas para formar a câmara de fluxo contendo o fluido de não trabalho 580. Assim, o módulo de troca de calor de fluxo-aberto 524 efetivamente não tem gaxeta. Este aspecto deste sistema provê vantagens significantes em relação a outros trocadores de placa e quadro que confiam em gaxetas para isolar o fluído de trabalho da mídia que provê energia (isto é, água do mar). Por exemplo, o teste de corrosão de trocadores de placa e quadro de alumínio realizado em NELHA nos anos 80 e 90, teve que ser interrompido depois de apenas seis meses devido à quantidade de vazamentos que ocorreu ao redor das gaxetas, onde depósitos biológicos causaram uma corrosão intensa. Trocadores de placa e quadro usando gaxeta se baseiam em forças de compressão para selar as gaxetas contra as placas. Para montar a unidade é requerido um espaço adicional para inserir placas e gaxetas não comprimidas, e, então, um arranjo parafusos é apertado até cerca de 50% de seu comprimento original. Os depositantes desta identificaram problemas de gaxeta como obstáculo mais importante para o uso de desenho placa e quadro em um sistema OTEC.

[000110] Em adição, a solução do módulo com passagens de entrada e saída montadas na borda lateral para as placas de trocador de calor elimina a necessidade de passagens de admissão e descarga tipicamente providas na face dos sistemas de trocador de calor de placa (ver ,por exemplo, Figura 5). Esta solução aumenta as áreas superficiais de trocador de calor total de cada placa assim como simplifica a trajetória de fluxo de fluído de trabalho e fluido de não trabalho. A remoção das gaxetas entre as placas também elimina obstruções significante que causam resistência ao fluxo. Os módulos de trocador de calor de fluxo-aberto sem gaxeta reduzem a contra-pressão e a demanda de bombeamento associada, assim reduzindo a carga parasítica associada a instalação OTEC, propiciando um aumento na produção de energia elétrica, que pode ser transmitida à companhia utilitária.

[000111] No caso de um condensador OTEC 320, o módulo 524 é aberto no fundo para alimentação de água fria bruta e aberta no topo para prover uma comunicação de fluído desobstruída com o módulo 523 acima. O módulo final na série vertical 521 fica aberto no topo para o sistema de descarga de água bruta.

[000112] No caso de um evaporador OTEC 314, o módulo 521 é aberto no topo para alimentação de água quente bruta e aberta no fundo para prover uma comunicação de fluído desobstruída ao módulo 522 abaixo. O módulo final 524 na série vertical é aberto no fundo para o sistema de descarga de água quente bruta.

[000113] Referindo-se à Figura 10, uma configuração exemplar de um sistema de troca de calor multiestágio 520 usado em um evaporador 314 inclui quatro módulos de trocador de calor 521, 522, 523, 524. Nesta configuração, cada módulo de troca de calor corresponde a um estágio dos quatro estágios do sistema de troca de calor 520. Os quatro módulos de trocador de calor 521, 522, 523, 524 são suportados em um quadro suporte 540 que por sua vez é suportado na porção de evaporador 344 por um pilar 550. Os quatro módulos de trocador de calor 521, 522, 523, 524 são idênticos, e, portanto, somente o módulo inferior 524 será descrito em detalhes.

[000114] Referindo-se à Figura 11, o módulo de troca de calor 524 inclui diversos arranjos de trocador de calor 1000 suportados em um suporte 1002. O suporte 1002 é configurado para cooperativamente engatar o quadro suporte 540, quando montado no sistema de troca de calor multiestágio 520.

[000115] Referindo-se às Figuras 9 e 12 a 13, cada arranjo de trocador de calor 1000 inclui múltiplas placas de trocador de calor de fluxo-aberto 1022. Cada placa de fluxo-aberto 1022 tem uma face frontal 1040 uma face posterior 1042 e uma f face periférica 1044. Em cada um dos arranjos de trocador de calor 1000, as placas de trocador de calor 1022 são empilhadas segundo um eixo geométrico 1005 que se estende perpendicularmente à face frontal e face posterior 1040, 1042. Na configuração ilustrada, o eixo geométrico de alinhamento 1005 se estende horizontalmente, de modo que as placas de trocador de calor 1022 sejam arranjadas alinhadas horizontalmente. Em adição, um espaço 1025 é provido entre placas adjacentes 1022.

[000116] A face frontal 1040 e face posterior 1042 proveem superfícies de transferência de calor de fluido de não trabalho para cada placa 1022. A passagem interna de fluído de trabalho 1055 descrita adicionalmente abaixo provê superfícies de transferência de calor de fluído de trabalho para cada placa 1022. A eficiência da superfície de transferência de calor pode ser melhorada usando forma, tratamento, e espaçamento de superfície descritas nesta. A seleção de material, tais como ligas de alumínio, oferece um desempenho econômico superior em relação a desenhos baseados em titânio. A superfície de transferência de calor compreende ligas de alumínio Série 100, 3000, ou 5000. A superfície de transferência de calor pode compreender titânio e ligas de titânio.

[000117] A borda periférica 1044 de cada placa 1022 inclui uma borda de topo 1045, borda de fundo 1046, borda direita (ou traseira) 1048, como na Figura 14. Como usado nesta, referências à direção isto é "frente" e "trás", "topo e "fundo", "esquerda" e "direita" são providas com respeito à orientação do arranjo mostrado na Figura 12, que ilustra uma configuração de evaporador e não são limitantes. Por exemplo, quando o módulo 524 é usado em uma configuração de condensador, o módulo 524 é invertido (girado 180° no espaço em torno do eixo geométrico de alinhamento 1005) de modo que a borda de topo 1045 da placa se torne a borda de fundo 1045' (não mostrada).

[000118] As placas 1022 são arranjadas em pilhas alinhadas horizontalmente de modo que a face posterior 1042 de uma primeira placa 1051 fique voltada para a face frontal 1040 de uma segunda placa 1052 adjacente e imediatamente atrás da primeira placa 1051, e as respectivas bordas periféricas 1044 de cada placa ficam alinhadas. Para garantir que um espaçamento uniforme seja provido entre placas adjacentes 105, 1052 (por exemplo, para garantir que cada espaço 1025 tenha a mesma dimensão) placas ranhuradas de suporte 1006, 1008 são providas nos lados da frente e atrás da pilha. A primeira placa de suporte 1006 é disposta ao longo do lado da frente da pilha e se estende da aba 1070 para a borda de fundo das placas 1022. A segunda placa de suporte 1008 é disposta ao longo do lado de trás da pilha e se estende da borda de topo para a borda de fundo das placas 1022. As superfícies voltadas para a pilha das placas de suporte 1006, 1008 incluem ranhuras que recebem as respectivas bordas laterais frontais 1048 ou bordas laterais posteriores 1047 de cada placa na pilha, sendo que o espaçamento de ranhura corresponde ao espaçamento de placa desejado.

[000119] O fluído de trabalho 580 é suprido e descarregado da passagem de fluído de trabalho 1055 na borda periférica de cada placa 1022 usando coletor 1080 (Figura 12) para evitar um obstáculo ao fluxo da água bruta através dos espaços 1025 à medida que o fluido de não trabalho passa face frontal 1040 e face posterior 1042 da pluralidade de placas 1022 no suporte 1022. Por exemplo, na configuração ilustrada, o coletor 1080 é provido ao longo da borda direita 1048.

[000120] Cada uma das placas 1022 inclui uma passagem de fluído de trabalho 1055 interna à placa. O coletor 1080 faz comunicação fluída com a passagem do fluxo de fluído de trabalho 1055 de cada placa 1022 do arranjo de trocador de calor 1000 e supre fluído de trabalho a cada placa 1022 do arranjo de trocador de calor.

[000121] Referindo-se à Figura 14, a passagem de fluído de trabalho 1055 pode ser formada de diversos minicanais 1912. Os minicanais que provêm trajetórias de fluxo internas em cada placa de fluxo aberta são arranjados em um arranjo de serpentina alternado de modo que o fluxo de fluído de trabalho 580 seja substancialmente perpendicular ou em fluxo cruzado com a direção do fluxo n do fluido de não trabalho 570. Em adição, a progressão do fluído de trabalho 580 através do arranjo de serpentina pode ser geralmente paralela ao fluxo de fluido de não trabalho 570 ou oposta à direção de fluxo do fluido de não trabalho 570. Em algumas configurações, palhetas guia e dimensões variáveis de trajetória de fluxo podem ser implementadas para regularizar a distribuição de fluxo entre canais, para direcionar suavemente o fluído para canais subsequentes, quando à direção do fluxo estiver invertida. Estes e outros componentes e configurações de canal estão descritos no Pedido de Patente US No 13/ 209,944 com nome Staved Ocean Thermal Energy Conversion Power Plant - Cold Water Pipe Connection, incorporado nesta, por referência, em sua integralidade.

[000122] Descobriu-se que o fluído de trabalho muda de fase de líquidos para vapor ao longo da trajetória de fluxo e consequentemente a queda de pressão de fluído de trabalho aumenta significativamente se a mesma área de passagem de fluxo for usada ao longo de toda placa de trocador de calor. Para reduzir a o aumento de queda de pressão de fluído ao longo do fluxo associado à mudança de qualidade de vapor, o número de passagens de fluxo paralelas per passe pode ser aumentado ao longo da trajetória de fluxo do fluído de trabalho. Por exemplo, a placa de trocador de calor 1022 na Figura 14 tem duas passagens de entrada 1911, cada uma delas alimentando os correspondentes minicanais 1912 adjacentes à borda de fundo 1046. Os minicanais 1912 se estendem ao longo da placa no primeiro ponto de transição 1914. O fluxo a partir de dois minicanais alimenta seis minicanais em um primeiro ponto de transição 1914. O fluxo a partir de quatro minicanais alimenta seis minicanais em um segundo ponto de transição 1916. O fluxo a partir de seis minicanais alimenta oito minicanais em um terceiro ponto de transição 1920 e a partir de oito minicanais para dez minicanais em um quarto ponto de transição 1922. O fluxo a partir de dez minicanais alimenta doze minicanais em um quinto ponto de transição 1924. Os doze minicanais resultantes descarregam através das saídas de fluído 1918.

[000123] As duas passagens de entrada 1911 são supridas com fluído de trabalho 580 pelo coletor 1080. Em particular, o coletor 1080 inclui uma câmara de suprimento de coletor 1084 que se estende em uma direção paralela ao eixo geométrico de alinhamento 1005 e faz comunicação fluída com cada uma das quatro passagens de entrada 1911 de cada placa 1022 do arranjo de trocador de calor 1000. Em adição, o coletor 1080 inclui uma câmara de descarga de coletor 1086 que se estende em uma direção paralela ao eixo geométrico 1005, e é separada e isolada da câmara de descarga de coletor 1086 no coletor 1080. Cada uma das quatro passagens de entrada 1918 de cada placa 1051, 1052 faz comunicação fluída com a câmara de descarga de coletor 1086 e o fluído de trabalho 590 é descarregado das oitos passagens de saída para a câmara de descarga de coletor 1086.

[000124] Para facilitar a conexão das entradas e saídas de fluído de trabalho para com o coletor 1080, o coletor 1080 inclui abas 1070 que conectam a borda lateral direita 1078 da placa 1022. Cada aba 1070 é coplanar com a correspondente placa 1022 e inclui passagens de entrada de aba interna 1911 da placa 1022. Em adição, cada aba 1070 inclui passagens de saída de aba interna 1074 que faz comunicação fluída e forma extensões de cada passagem de saída de fluído de trabalho 1918 da placa 1022. Uma abertura de entrada 1076 é formada em cada aba, que define uma porção da câmara de descarga de coletor 1084, e uma abertura de saída 1078 é formada em cada aba, que define uma porção da câmara de descarga de coletor, como discutido abaixo.

[000125] Embora a câmara de alimentação de coletor 1084 e câmara de descarga de coletor 1086 sejam estruturalmente similares, a câmara de alimentação de coletor 1084 para um arranjo de trocador de calor 1000 usada como evaporador é menor que a correspondente câmara de descarga de coletor 1086. Isto é conseguido formando a abertura de entrada de aba 1076 com diâmetro menor que das aberturas de saída de aba 1078. Esta diferença de tamanho reflete o fato de o fluído de trabalho 580 entrar no evaporador na condição líquida e de o mesmo fluído sair do evaporador na condição de gás. Por conseguinte, quando o arranjo de trocador de calor 1000 for empregado como condensador, a câmara de alimentação de coletor 1084 é maior que a correspondente câmara de descarga de coletor 1086.

[000126] Em uso, a câmara de alimentação de coletor 1084 para o arranjo de trocador de calor 1000 usado como evaporador é localizada mais baixa (por exemplo, a seguir da borda de topo da placa 1045) que a câmara de descarga de coletor 1086. Isto porque o fluído de trabalho 580 entra na placa 1022 a partir da câmara de alimentação de coletor 1084 na condição líquida e sai na condição de gás para a câmara de descarga de coletor 1086. Portanto, quando o arranjo de trocador de calor 1000 é empregado em um condensador as posições relativas da câmara de alimentação de coletor 1084 e câmara de descarga de coletor 1086 com respeito à borda de topo 1045 estão invertidas e a aba 1070 é deslocada para oi fundo da placa. O orifício 1085 no conden-sador, então, faz comunicação com os canais 1911, que abre o gás de fluído de trabalho para o topo do cartucho para se comunicar com os canais 1918. O gás muda de fase e o fluído de trabalho na condição líquida cai e é coletado no fundo do cartucho nos canais 1912 em comunicação com o orifício 1084 através do que o fluído de trabalho na condição líquida é descarregado.

[000127] O coletor 1080 inclui um alojamento de coletor 1088 alojando todas as abas 1070 das placas 1020 dentro do arranjo de trocador de calor 1000. O alojamento 1088 tem uma periferia externa em forma de caixa e pode ser formado a partir de um material rígido tal como resina epóxi baseada em polissulfato (doravante "epóxi"). Encapsulando as abas 1070 incluindo câmara de alimentação de coletor 1084 e câmara de descarga de coletor 1086 (evaporador; alimentação e descarga são invertidos para o condensador) em epóxi, soldas providas entre abas adjacentes 1070 são reforçadas e hora secundária contra vazamento do fluído de trabalho são providas. Em adição, o encapsulamento das abas 1070 em epóxi serve para ajustar e manter o espaçamento da placa, e estruturalmente reforçar o coletor 1080 uma vez que o epóxi atua com reforço enrijecedor. Ademais, vantajosamente, o encapsulamento também sela todas as juntas do contato com fluido de não trabalho 580 (por exemplo, água do mar).

[000128] Referindo-se às Figuras 15A e 15B, os coletores 1080 de arranjos de trocador de calor adjacentes 1000 dentro de módulo de troca de calor 524 são conectados usando conectores de flange 2000 que permitem a comunicação fluída entre coletores adjacentes 1080, ou conexão com uma linha alimentação de fluído. Em particular, um conector de flange 2000 é provido em cada extremidade da câmara de alimentação de coletor 1084 e em cada extremidade da câmara de descarga de coletor 1086. Cada conector de flange 2000 é um tubo frusto-cônico incluindo uma parede lateral 2016 conformada de modo que a primeira extremidade do conector 2002 seja maior dimensional-mente que a segunda extremidade de conector oposta 2010 e que as paredes laterais de conector sejam curvadas entre a primeira extremidade de conector 2002 e a segunda extremidade de conector 2010.

[000129] Referindo-se às Figuras 12, 15, 16 e 17, a primeira extremidade de conector é usada para unir o conector de flange interno 2000 com o correspondente conector de flange 2000a de um coletor adjacente 1080 ou a uma linha de alimentação ou descarga 2020. O primeiro conector 2002 inclui um aro 2004 e um anel em O 2007 é provido em uma ranhura 2006 na face de extremidade 2008 da primeira extremidade do conector 2002. O anel em O 2007 provê um selo que impede o vazamento de fluído de trabalho 580 na superfície de conexão. Em uso, um grampo 2022 (Figuras 16 e 17) é usado para fixar a primeira extremidade de conector 2002 de um conector de flange 2000 à primeira extremidade de conector 2002 do conector de flange adjacente 2000a de modo que as respectivas segundas faces 2008 se topem, e uma comunicação fluída seja provida entre as correspondentes câmaras de coletor. Um grampo exemplar para este propósito é um grampo sanitário de alta pressão de dois parafusos.

[000130] A segunda extremidade de conector 2010 tem um diâmetro externo ligeiramente maior que aquele da correspondente câmara de alimentação de coletor 1084 ou câmara de descarga de coletor 1086, e inclui uma porção escalonada ou virola 2014 que se estende longitudinalmente para fora de uma face de extremidade 2021 da segunda extremidade de conector 2010. A porção escalonada 2014 tem um diâmetro externo que corresponde ao diâmetro interno da câmara de alimentação de coletor 1084 ou câmara de descarga de coletor 1086. Em uso, a porção escalonada 2014 é recebida na correspondente câmara de alimentação de coletor 1084 ou câmara de descarga de coletor 1086, e a segunda extremidade de conector 2010 é fixada ao coletor 1080. Em algumas configurações, a segunda extremidade de coletor 2010 é soldada ao coletor 1080.

[000131] Deve ser apreciado que os módulos de trocador de calor 524, 523, 522, e 521 têm componentes similares e são verticalmente alinhados, de modo que as placas horizontalmente alinhadas 1022 em um módulo se alinhem verticalmente sobre as placas no módulo abaixo. Os espaços 1025 entre placas 1022 em um módulo se alinham verical- mente aos espaços 1025 entre as placas 1022 no módulo abaixo.

[000132] Referindo-se à Figura 18, que ilustra uma vista de seccional de parede lateral de uma porção do líquido de trocador de calor 524, uma implementação exemplar do arranjo de placa em um arranjo de trocador de calor 1000 inclui pelo menos uma primeira placa de trocador de calor de fluxo-aberto 1051 tendo uma superfície externa incluindo pelo menos uma face frontal 1041 e uma face posterior 1042. Em uso, a superfície externa faz comunicação fluída e é envolvida pelo fluido de não trabalho 570, tal como água fria bruta. A primeira placa de fluxo- aberto 1051 também inclui uma passagem interna 1055 em comunicação fluída com um coletor 1080 e configurada para receber fluído de trabalho 580 via coletor 1080. Pelo menos uma segunda placa de trocador de calor de fluxo-aberto 1052 é alinhada horizontalmente com a primeira placa de trocador de calor de fluxo-aberto 1051, de modo que a face externa frontal 1040 da segunda placa 1052 fique voltada para a face externa posterior 1042 da primeira placa 1051. A primeira placa de fluxo-aberto 1051 é substancialmente idêntica à segunda placa de fluxo- aberto 1052. Ou seja, como a primeira placa 1051 as superfícies externas da segunda placa 1052 fazem comunicação fluída e são envolvidas pelo fluido de não trabalho 570. Em adição, a segunda placa 1080 é configurada para receber o fluído de trabalho 580.

[000133] A primeira placa de trocador de calor de fluxo-aberto 1051 é separada da segunda placa de trocador de calor 1052 através do espaço 1025, e o fluido de não trabalho 570 flui através deste espaço 1025. O fluído de trabalho 580 flui através das passagens de fluxo de fluído de trabalho 1055.

[000134] Como descrito acima em algumas implementações, um módulo isolado de trocador de calor 524 pode ser dedicado a um estágio de um ciclo OTEC em cascata híbrido. Em algumas implementações, quatro módulos de trocador de calor 521, 522, 523, 524 são alinhados verticalmente, como representado e descrito nas Figuras 8 e 10. Em algumas implementações, módulos tendo linhas de alimentação de fluído de trabalho e linhas de descarga de fluído de trabalho conectadas a um coletor 1080 são localizados na borda periférica 1044 de cada placa. Isto evita que dutos de fluído de trabalho fiquem localizados nas faces 1040, 1042 e impede o fluxo de fluído de trabalho nas faces das placas 1051, 1052 e fluido de não trabalho nas faces das placas 1040 e 1042.

[000135] Por exemplo, um sistema de troca de calor multiestágio sem gaxeta pode incluir o primeiro estágio do módulo de troca de calor compreendendo placas de fluxo-aberto em comunicação fluída com primeiro fluído de trabalho fluindo através de uma passagem interna em cada uma das uma ou mais placas de fluxo-aberto. O fluído de trabalho pode ser suprido e descarregado de cada placa via primeiro coletor, incluindo uma câmara de alimentação de fluído 1084 e uma câmara de descarga de fluído 1086, cada câmara conectada a uma borda periférica de cada placa individual. Um segundo estágio do módulo de troca de calor alinhado verticalmente com o primeiro estágio do módulo de troca de calor também é incluído. O segundo estágio do módulo de troca de calor inclui uma ou mais placas de fluxo-aberto em comunicação fluída com um segundo fluído fluindo através de uma passagem interna em cada uma das placas de fluxo-aberto. De novo, o segundo fluído de trabalho é suprido e descarregado de/ para cada placa individual via um segundo coletor incluindo uma câmara de alimentação de fluído 1084 e câmara de descarga de fluído 1086, cada câmara conectada à borda periférica de cada placa individual. Um fluido de não-trabalho, tal como água, flui primeiro através do primeiro estágio do módulo de troca de calor ao redor de cada uma das placas de fluxo-aberto, permitindo uma troca de calor com o primeiro fluído de trabalho. O fluido de não- trabalho, então, passa através do segundo estágio do módulo de troca de calor ao redor de cada uma das placas de fluxo-aberto, permitindo uma troca de calor com o segundo fluído de trabalho.

[000136] O primeiro estágio do módulo de troca de calor inclui uma pluralidade de placas de fluxo-aberto alinhadas horizontalmente tendo um espaço entre cada placa. O segundo estágio do módulo de troca de calor também inclui uma pluralidade de placas de fluxo-aberto alinhadas horizontalmente tendo um espaço entre cada placa dentro do módulo de troca de calor de segundo estágio. A pluralidade de placas de fluxo- aberto e os espaços no segundo estágio do módulo de troca de calor são alinhados verticalmente com a pluralidade de placas de fluxo aberto e espaços no módulo de troca de calor de primeiro estágio. Isto reduz as perdas de pressão no fluxo do fluido de não trabalho através dos de módulos de trocador de calor de primeiro e segundo estágios. As perdas de pressão no fluido de não trabalho também são reduzidas pelo fato de o fluido de não trabalho ser descarregado diretamente de um módulo para o módulo seguinte, daí eliminando a necessidade de um sistema de tubulação extensivo e massivo. Em algumas configurações, placas suporte 1006, 1008 usadas para manter espaçamento de placas individuais 1022 no arranjo 1000, e dispostas adjacentes às bordas lateral de placa 1047, 1048, formam o duto através do qual o fluido de não trabalho flui.

[000137] Devido ao arranjo de fluxo-aberto das placas em cada arranjo de cada estágio de um sistema exemplar de quatro estágios OTEC, a razão de fluxo do fluído de não trabalho em relação ao fluído de trabalho é aumentada a partir da razão 1:1 típica de sistemas de trocador de calor de placa convencional. Em algumas implementações, a razão de fluxo de fluido de não trabalho é maior que 1:1 (por exemplo,, maior que 2:1, maior que 10:1, maior que 20:1, maior que 30:1, maior que 40:1, maior que 50:1, maior que 60:1, maior que 70:1, maior que 80:1, maior que 90:1, ou maior que 100:1).

[000138] Quando um arranjo multiestágio dos módulos de trocador de calor é usado como condensador o fluido de não trabalho (por exemplo, água fria do mar) entra no primeiro estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura mais baixa que a temperatura em que o fluido de não trabalho entra no módulo de troca de calor de segundo estágio, e o fluido de não trabalho, então, entra no segundo estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura mais baixa que a temperatura em que o fluido de não trabalho entra no módulo de troca de calor de terceiro estágio; e o fluido de não trabalho entra no terceiro estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura geralmente mais baixa que a temperatura que o fluído de fluido de não trabalho entra no módulo de troca de calor de quarto estágio.

[000139] Quando o arranjo multiestágio de módulos de trocador de calor são usados como evaporador o fluido de não trabalho (por exemplo, água quente do mar) geralmente entra no primeiro estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura mais alta que quando o fluido de não trabalho entra no segundo estágio do módulo de troca de calor e o fluido de não trabalho então entra no terceiro estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura mais alta que quando o fluido de não trabalho entra no módulo de troca de calor de terceiro estágio; e o fluido de não trabalho entra no terceiro estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura geralmente mais alta que ele entra no quarto estágio do módulo de troca de calor.

[000140] Quando um arranjo multiestágio dos módulos de trocador de calor é usado como condensador, o fluido de não trabalho (por exemplo, amônia) geralmente sai do primeiro estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura mais baixa que a temperatura em que o fluído de trabalho sai do módulo de troca de calor de segundo estágio, e o fluído de trabalho sai do segundo estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura mais baixa que a temperatura em que o fluído de trabalho sai o módulo de troca de calor de terceiro estágio; e o fluído de trabalho sai do terceiro estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura geralmente mais baixa que a temperatura em que o fluído de trabalho sai do módulo de troca de calor de quarto estágio.

[000141] Quando um arranjo multiestágio dos módulos de trocador de calor é usado como evaporador, o fluído de trabalho (por exemplo, amônia) geralmente sai do primeiro estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura mais alta que a temperatura em que o fluído de trabalho sai do módulo de troca de calor de segundo estágio, e o fluído de trabalho sai do segundo estágio do módulo de troca de calor em uma temperatura geralmente mais alta que a temperatura em que o fluído de trabalho sai do módulo de troca de calor de terceiro estágio; e o fluído de trabalho sai do terceiro estágio do módulo de troca de calor a uma temperatura geralmente mais alta que a temperatura em que o fluído de trabalho sai do módulo de troca de calor de quarto estágio.

[000142] Um equilíbrio de calor exemplar de uma implementação de ciclo OTEC de quatro estágios é descrito nesta, e geralmente ilustra estes conceitos.

[000143] Em algumas implementações, um sistema de troca de calor sem gaxeta inclui um primeiro estágio do módulo de troca de calor tendo placas de fluxo-aberto cada placa inclui uma superfície externa tendo pelo menos uma face frontal e uma face posterior envolvidas por um fluido de não trabalho. Cada placa também inclui uma passagem interna em comunicação fluída com um primeiro fluído de trabalho fluindo através da passagem interna. O fluído de trabalho é suprido e descarregado de cada placa por linhas de suprimento e descarga dedicadas a cada placa.

[000144] O sistema de troca de calor de quatro estágios também inclui um segundo estágio do módulo de troca de calor verticalmente alinhado com o primeiro estágio do módulo de troca de calor de; segundo estágio do módulo de troca de calor inclui uma ou mais placas de trocador de calor de fluxo-aberto substancialmente similares àquelas do primeiro estágio, e verticalmente alinhadas com as placas do primeiro estágio.

[000145] Um terceiro estágio do módulo de troca de calor substancialmente similar aos módulos de trocador de calor de primeiro e segundo estágios também é incluído e sendo verticalmente alinhado com o segundo estágio módulo de troca de calor. Um quarto estágio de trocador de calor de substancialmente similar aos primeiro, segundo, e terceiro estágios de módulo de troca de calor é incluído e verticalmente alinhado ao terceiro estágio do módulo de troca de calor.

[000146] Em operação, o fluido de não trabalho flui através do primeiro estágio do módulo de troca de calor, e envolve cada placa de fluxo- aberto, para interação com o primeiro fluído de trabalho que flui dentro das passagens de fluxo em cada placa. O fluido de não trabalho, então, flui através do segundo estágio do módulo de troca de calor, para interação térmica com o segundo fluído de trabalho. O fluido de não trabalho, então, flui através do segundo estágio do módulo de troca de calor para interação térmica com o segundo fluído de trabalho, antes de fluir através do terceiro estágio do módulo de troca de calor, para interação térmica com o terceiro fluído de trabalho. O fluido de não trabalho flui através do terceiro estágio do módulo de troca de calor para interação térmica com o terceiro fluido de trabalho antes de fluir através do quarto estágio do módulo de troca de calor para interação térmica com o quarto fluído de trabalho. O fluido de não trabalho, então, é descarregado do sistema de troca de calor.

[000147] O pequeno diferencial de temperatura de operações OTEC (tipicamente entre 35° F e 85° F) requer um desenho de placa de trocador de calor sem obstruções para o fluxo de fluido de não trabalho e fluído de trabalho. Ademais, a placa deve prover uma área superficial suficiente para suportar a conversão de energia de elevação de baixa temperatura do fluído de trabalho.

[000148] Componentes convencionais de geração de energia elétrica tipicamente usam um processo de combustão com um grande sistema de elevação de temperatura, tal como ciclo de potência-vapor. Uma vez que questões ambientais e questões de suprimento de combustível fóssil não compensados vêm ganhando importância, sistemas de Conversão de Energia de Elevação de Baixa temperatura (LTLEC de Low Temperature Lift Energy Conversion), tal como implementações de sistemas OTEC descritas nesta, que usam fontes de energia renováveis, tal como solar, e oceânica, correspondentemente vão ganhando importância. Embora ciclos de potência-vapor usem gás de processos de combustão, e usualmente em temperaturas muito altas, o ciclo LTLEC usa fontes de energia de baixa temperatura variando de 30°C a 100°C. Por conseguinte, a diferença de temperatura entre fonte de calor e dissipador de calor do ciclo LTLEC é muito menor que de ciclo de vapor.

[000149] A Figura 19 mostra o processo de um ciclo de potência vapor de alta temperatura em diagrama pressão-entalpia (P-h). A eficiência térmica do ciclo de vapor se encontra na faixa de 30% a 35%.

[000150] Em contraste, a Figura 20 mostra diagrama de um ciclo LTLEC tal como aqueles usados em operações OTEC. Eficiência térmica para um ciclo LTLEC é 2% a 10%. Isto é quase um terço ou um décimo de um ciclo de potência vapor de alta temperatura. Assim, um ciclo LTLEC precisa trocadores de calor muito maiores que de ciclo de potência convencional.

[000151] As placas de trocador de calor descritas nesta provêem um alto desempenho de transferência de calor, também uma baixa queda de pressão no lado da fonte de calor e dissipador de calor para limitar os requisitos de energia que afetam a eficiência do sistema. Estas placas de trocador de calor projetadas para ciclos OTEC e LTLEC podem incluir os seguintes componentes: 1 uma trajetória de fluxo de fluído de trabalho tendo um desenho de mini-cana - isto pode ser provido uma placa de trocador de calor de alumínio fundidos por rolagem, e provê uma grande área de transferência de calor entre o fluído de trabalho e o fluido de não trabalho; 2 um espaço provido entre as placas de modo a reduzir significativamente a queda de pressão na fonte de calor e disjuntor de calor de fluídos de não trabalho - Assim, pode ser provida uma área de fluxo de fluído relativamente ampla para fonte de calor e dissipador de calor, enquanto mantendo uma área de fluxo de fluído relativamente estreita para o fluído de trabalho do ciclo de potência; 3 uma configuração de progressivamente mudar o números de canais per passagem dentro das passagens de fluxo do fluído de trabalho pode reduzir a queda de pressão do fluído de trabalho mudando de fase ao longo do fluxo - o número de canais na placa pode ser projetado de acordo com o fluído de trabalho condições operacionais e geometria de trocador de calor; 4 uma configuração de passagem ou canal de fluxo de fluído de trabalho ondulado pode aumentar o desempenho de transferência de calor; 5 dentro dos canais de fluxo de fluído e entre canais paralelos, ambas as extremidades de paredes internas de canais do canal de fluxo podem ser curvadas para direcionar o fluído suavemente para os canais subsequentes, quando a direção do fluxo é invertida e distância não uniformes a partir das extremidades das paredes internas de canal para a parede lateral podem ser usadas entre os canais paralelos.

[000152] Os aspectos acima podem reduzir a potência de bombea- mento requerida para o sistema, e melhorar o desempenho de transferência de calor.

[000153] Referindo-se de novo às Figuras 13, 13A e 18, placas de trocador de calor unidas por rolagem minicanal 1051 e 1052 são mostradas em perspectiva. Um contrafluxo entre o fluído de trabalho 580 e o fluido de não trabalho 570 é provido. Quando usado como evaporador, o fluido de não trabalho 570 (por exemplo, água do mar) entra na borda de topo 1045 das placas 1051, 1052 e sai da borda de fundo 1046 das placas 1051, 1052. O fluído de trabalho 580 (por exemplo, amônia) entra na borda direita 1048 das placas via coletor 1080 na condição líquida e evapora, e, finalmente, passa para condição de vapor absorvendo energia térmica de fluido de não trabalho 570 a uma temperatura maior. O vapor gerado sai das placas pela borda direita 1048 via coletor.

[000154] As placas 1051, 1052 podem ser formadas usando processo de fusão por rolagem, de modo que canais de fluxo de fluído de trabalho 1055 sejam dispostos na própria placa. A fusão por rolagem é um processo de fabricação através do qual dois painéis metálicos se fundem por calor e pressão, e, então, expandidos com ar sob alta pressão, de modo a criar canais de fluxo entre dois painéis. Antes da fusão, um material baseado em carbono é impresso em uma superfície externa de um primeiro painel em um arranjo que corresponde à trajetória desejada dos canais de fluxo de fluído de trabalho. O segundo painel, então, é aplicado sobre o primeiro painel e os dois painéis, então, são rolados através de uma prensa de rolo para formar uma única placa onde os dois painéis são fundidos completamente em todos os lugares exceto onde houver um material de carbono. Pelo menos um canal é impresso na borda periférica onde um mandril vibratório é inserido entre os dois painéis, criando um orifício no qual é inserido ar pressurizado. O ar pressurizado faz o metal se deformar e expandir de modo a criar canais internos, sendo que dois painéis são impedidos de fundir um no outro. Há dois meios através dos quais uma fusão por rolagem pode ser feita, um processo contínuo, onde uma folha metálica corre continuamente através de rolos, e um processo descontínuo, onde painéis pré- cortados são processados individualmente.

[000155] Referindo-se à Figura 21, em algumas configurações, dois painéis idênticos 1060 são fundidos por rolagem para formar a placa 1022'. Por exemplo, os painéis têm aproximadamente uma espessura de 1,05-1,2 mm comprimento de 1545 mm e largura de 350 mm e feitos a partir do mesmo material. Canais são formados entre os painéis metálicos unidos, tendo um arranjo que corresponde à trajetória desejada dos canais de fluxo de fluído de trabalho por moldagem por sopro como discutido acima. Os canais 1055 são formados com largura entre 12 e 13,5 mm e altura de cerca de 2 mm. Uma vez os painéis usados para formar os canais internos sendo idênticos, ambos canais 1060 são deformados durante expansão, para formar os canais internos, e os canais se expandem para fora uniformemente em cada painel 1060. Ambos os lados (por exemplo, face frontal 1040 e face posterior 1042) da placa resultante 1051 são perfilados e incluem regiões que se estendem para fora, que correspondem a seções expandidas no local do canal de fluxo de fluído de trabalho 1055. A configuração da placa resultante é chamada de dupla-face.

[000156] Quando uma primeira placa 1051 e segunda placa 1052 cada uma delas tendo uma configuração de placa de dupla face são colocadas adjacentes em uma configuração empilhada em um arranjo de trocador de calor 1000, as placas 1051 e 1052 podem ser recebidas em uma configuração aninhada. Em uma configuração aninhada, as placas 1051 e 1052 podem ser arranjadas ligeiramente deslocadas uma da outra, de modo que as regiões protuberantes de uma placa 1051 fiquem dentro dos espaços entre as regiões protuberantes da placa adjacente 1052. No entanto, embora o processo de fusão por rolagem provenha uma placa tendo uma altura consistente, há questões inerentes de repetibilidade dimensional na direção do comprimento. Isto resulta que a localização de cada porção dos canais não pode ser confiavelmente controlada. Por exemplo, em alguns casos, as regiões protuberantes das placas não se encontram na distância de projeto a partir da borda de topo 1045 da placa 1051. Durante testes de laboratório de trocadores de calor empregando placas de face dupla, descobriu-se que resultaram variações dimensionais em regiões protuberantes de placas adjacentes localizadas em direções opostas umas das outras resultando em pontos de pinçamento na separação de placa 1025, ocasionando perda de pressão mais alta e transferência de calor mais baixa que esperado.

[000157] Referindo-se à Figura 22, em algumas configurações, dois painéis não idênticos 1060, 1062 tendo a mesma forma periférica são fundidos por rolagem para formar a placa 1022, que atende aos problemas de variabilidade dimensional descritos acima com respeito à configuração de placa de face dupla. Os dois painéis 1060 e 1062 são não idênticos pelo fato de apresentarem diferentes limites de escoamento. Isto pode ser realizado, por exemplo, provendo painéis 1060 e 1062 tendo espessuras diferentes ou feitos de materiais diferentes. Canais são formados entre os painéis metálicos fundidos tendo um arranjo que corresponde à trajetória desejada de canais de fluxo de fluído de trabalho 1055 por moldagem de sopro, como discutido acima.

[000158] Os canais de fluxo de fluído de trabalho 1055 têm uma largura relativamente larga w uma altura relativamente baixa h para aumentar a área de transferência de calor ativa entre os dois fluídos enquanto reduz o volume de toda a placa de trocador de calor. A largura w de canais pode variar entre cerca de 10 mm e cerca de 15 mm (por exemplo,, mais que 11 mm, mais que 12 mm, mais que 13 mm, menos que 14 mm, menos que 13 mm, e/ou menos que 12 mm). A altura h dos canais pode variar entre cerca de 1 mm e cerca de 3 mm (por exemplo,, mais que 1,25 mm, mais que 1,5 mm, mais que 1,75 mm, mais que 2 mm, menos que 2,75 mm, menos que 2,5 mm, menos que 2,25 mm e/ou menos que 2 mm). O espaçamento entre canais pode estar entre cerca de 4 mm e cerca de 8 mm (por exemplo,, mais que 4,5 mm, mais que 5 mm, mais que 5,5 mm, menos que 7,5 mm, menos que 7 mm, e/ou menos que 6,5 mm).

[000159] A diferença do limite de escoamento dos painéis usados para formar a placa é controlada, de modo que apenas um dos painéis 1060 seja deformado durante expansão para formar canais internos. Neste caso, os canais expandem para fora de apenas um lado da placa 1022, resultando e, uma placa 1022 na qual um lado (isto é a face frontal 1040) inclui regiões protuberantes para fora que correspondem à localização do canal de fluxo do fluído de trabalho 1055, e no qual o outro lado (isto é a face posterior 1042) é não deformado, e assim permanece geralmente plano. A configuração de placa resultante é chamada placa de uma face.

[000160] Na configuração ilustrada nas Figuras 10 a 14, as placas 1051 e 1052 são formadas com uma configuração de placa de uma face. Quando as placas 1051 e 1052 são colocadas adjacentes em uma configuração empilhada em um arranjo de trocador de calor 1000, as placas 1051, 1052 são arranjadas de modo a face frontal 1041 de uma placa 1052, tendo regiões protuberantes que correspondem a seções expandidas na localização do canal de fluxo de fluído de trabalho, fique voltada para a face posterior 1042 da placa adjacente 1051, que é geralmente plana. Em adição, as placas adjacentes 1051, 1052 são arranjadas de modo que um espaço seja formado entre a face frontal 1040 de uma placa 1052 e a face posterior 1042 da placa adjacente 1051. Em uma configuração exemplar, as placas adjacentes 1051, 1052 têm um espaçamento de borda de 8 mm provendo uma dimensão de espaço mínimo entre as placas 1051, 1052 de 2,2 mm em locais que correspondem às regiões protuberantes, e uma dimensão de espaço máximo entre as placas 1051, 1052 de 4,8 mm em locais entre as regiões protuberantes.

[000161] A configuração de placa de uma face ameniza o impacto de inconsistência dimensional na direção da largura devido ao processo de fusão por rolagem. Nesta configuração, o espaçamento entre placas adjacentes tem espaço máximo e espaço mínimo, a despeito de onde ocorre a expansão ao longo do comprimento. Resultados de laboratório confirmaram que as perdas de pressão são significativamente reduzidas em relação à configuração de placa de face dupla para fluxos de fluído e espaçamento nominal igual.

[000162] Em adição, quando são formados arranjos de trocador de calor de placas tendo configuração de placa de face dupla, não há necessidade de aninhar, de modo que as regiões protuberantes de uma placa 1051 fiquem dentro dos espaços entre as regiões protuberantes da placa adjacente 1052. Ao invés, as placas de uma face 1051, 1052 são arranjadas, de modo que a face frontal 1040 de uma placa 1052 tendo regiões protuberantes fique voltada para a face posterior geralmente plana 1042 da placa adjacente 1051. Em adição, as regiões protuberantes são alinhadas em uma direção paralela ao eixo geométrico de alinhamento 1005. Embora a transferência de calor na superfície plana seja geralmente mais baixa que em uma superfície tendo regiões protuberantes, este efeito é compensado, pelo menos parcialmente, pela turbulência no espaço 1025 entre placas, causada pela presença de regiões protuberantes na trajetória de fluxo de fluído, resultando em uma baixa queda de pressão, mas em uma velocidade aumentada no espaço 1025.

[000163] Em todas as configurações, é provida uma área de fluxo de fluido de não trabalho mais ampla que a área de fluxo de fluído de trabalho nos canais de fluxo de fluído de trabalho 1055. Este arranjo reduz a queda de pressão nos lados de fluído da fonte de calor e dissipador de calor.

[000164] Referindo-se à Figura 23, um método para fabricar um arranjo de trocador de calor 1000 será descrito.

[000165] Na etapa 3000, o método inclui prover uma placa de trocador de calor 1022 tendo uma passagem interna de fluído 1055 arranjada em um pré-determinado desenho que corresponde à trajetória de fluxo desejada do fluído de trabalho 580. Em algumas configurações, a placa de trocador de calor 1022 é provida provendo um primeiro painel 1060 e um segundo painel 1062 e aplicando um agente inibidor de aderência à superfície do primeiro painel 1060 em um pré-determinado desenho. Os primeiro e segundo painéis, então, são empilhados, de modo que um agente de fusão fique entre os primeiro e segundo painéis. Os primeiro e segundo painéis empilhados 1060 e 1062, então, são fundidos por rolagem para formar uma placa 1022.

[000166] A placa fundida por rolagem 1022 é expandida injetando ar entre os primeiro e segundo painéis 1060, 1062 de modo a formar uma placa expandida 1022 tendo uma passagem interna 1055. Para controlar a quantidade de expansão (por exemplo, h) da passagem interna 1055, e permitir diferentes quantidades de expansão em diferentes regiões da placa 1022, a placa 1022 é colocada em um gabarito de expansão (não mostrada) durante expansão da passagem. O gabarito de expansão inclui um par de placas rígidas arranjadas em paralelo as placas rígidas tendo zonas com espaçamento diferente entre elas. A placa 1022 é colocada no gabarito de modo a ser sanduichada entre as placas rígidas, enquanto o ar é injetado. As placas rígidas limitam a quantidade de expansão de passagem durante injeção de ar de acordo com o arranjo da zona. Por exemplo, em algumas configurações, a primeira zona correspondente à localização da aba 1070 tem uma primeira altura h1 que é maior que uma segunda altura h2 de uma segunda zona que corresponde à localização de minicanais 1912.

[000167] Referindo-se à Figura 24, a entrada de injeção de ar 1930 é provida na placa 1022 para facilitar a injeção de ar. A entrada de injeção de ar 1930 é formada em uma aba de injeção de ar 1932 localizada em uma borda periférica 1044 da placa 1022. Em uma configuração ilustrada, a aba de injeção de ar 1932 e entrada de injeção de ar 1930 são localizadas em uma borda lateral 1048 da placa 1022. Esta posição é vantajosa, uma vez que fica fora da trajetória de fluxo do fluido de não trabalho 570, e, assim, não afeta negativamente a pressões de fluxo e ao longo do fluído. No entanto, a aba de injeção de ar 1032 e a entrada de injeção de ar 1032 podem ser providas em outros locais na borda periférica 1045 ou extremidade de fundo 1046 (mostrada na Figura 25).

[000168] Depois de expandida a placa 1022, a entrada de injeção de ar 1930 é fechada, por exemplo, pinçando a aba de injeção de ar e, então, sendo fundida, por exemplo, por soldagem. Este procedimento é realizado em todas as placas 1022 usadas para a pilha (como discutido abaixo) exceto para as placas extremas da pilha. Nas duas placas extremas da pilha, a entrada de injeção de ar permanece aberta permitindo a ventilação de gases formados nas placas durante etapas subsequentes de fabricação tal como brazagem; no entanto, as entradas de injeção de ar são subsequentemente fechadas e fundidas. Em algumas configurações, a aba de injeção de ar 1032 também é usada como local de conexão, para conectar o ar de trocador de calor 1000 às estruturas de montagem no módulo de troca de calor 524.

[000169] Em configurações onde uma configuração de placa de uma face é empregada o método adicionalmente inclui prover um primeiro painel 1060 tendo um limite de escoamento menor que o segundo painel 1062. Então durante a etapa de injetar ar na placa o primeiro painel 1060 é deformado pela pressão do ar injetado e o segundo painel permanece não deformado pela pressão do ar injetado.

[000170] Na etapa 3001, referindo-se à Figura 26, aberturas são cortadas na placa expandida 1022 que interceptam a passagem interna 1055. Mais especificamente, uma abertura de entrada de aba 1076 é formada na aba 1070 em um local que intercepta todas as passagens de entrada de aba 1072. Em adição, uma abertura de entrada de aba 1078 é formada na aba 1070 em um local que intercepta todas as passagens de saída de aba 1074. Como visto na Figura 26, o agente inibidor de fusão é aplicado em um arranjo (ver áreas hachuradas) que permite um reforço adequado para permitir o corte preciso da placa. Por exemplo, a área circular que corresponde ao espaço interno da abertura de entrada e abertura de saída à maneira expandida, mas, ao invés, inclui porção fundida. Em algumas configurações, o corte é conseguido, por exemplo, usando uma serra de alta velocidade tendo uma pastilha de furação piloto, que ajuda a manter o alinhamento durante corte ou outros processos de corte, tal como usinagem ou jato de água.

[000171] Em algumas configurações, o uso de uma configuração de placa de uma face, na qual o primeiro painel 1060 expande em relação ao segundo painel 1062, a abertura de corte é feita maior no primeiro painel 1060 (por exemplo, no lado expandido da placa 1022) que no segundo painel 1062 (por exemplo, no lado não expandido da placa 1022).

[000172] Na etapa 3002, as etapas de prover uma placa de trocador de calor 1022 tendo uma passagem interna de fluído 1055 e aberturas de corte na placa 1022 são repetidas para cada placa 1022 do arranjo de trocador de calor 1000, até alcançar o número desejado de placas cortadas 1022.

[000173] Na etapa 3003, as placas cortadas 1022 são empilhadas para uso na formação de um arranjo de trocador de calor 1000. Na configuração ilustrada, 48 placas 1022 são empilhadas de modo a se arranjadas uma no topo de outra, onde as faces frontais 1040 ficam voltadas na mesma direção e normal ao eixo geométrico de alinhamento 1005. Em particular, as placas 1022 são arranjadas em um gabarito de alinhamento, para prover uma pilha de placa 2030 tendo bordas periféricas 1044 e aberturas de corte 1076 e 1078 alinhadas. Deve ser entendido que um número maior ou menor de placas 1022 pode ser empilhado, e que o número de placas na pilha 2030 é determinado pela aplicação específica.

[000174] Referindo-se à Figura 27, um alinhamento preciso das placas 1022 pode ser conseguido, empilhando placas cortadas no gabarito de alinhamento, incluindo um ou mais dispositivos de alinhamento. Na configuração ilustrada, dispositivos de alinhamento incluem hastes retangulares 2032 e mandris cilíndricos 2034, estrategicamente arranjados no gabarito. Quando as placas 1022 são colocadas no gabarito, as aberturas cortadas 1076, 1078 são colocadas sobre os mandris 2034 e a borda periférica 1044 é colocada, de modo que as hastes 2032 topem os cantos internos 2036 providos na borda periférica 1044 de cada placa 1022.

[000175] Em configurações onde as placas empilhadas empregam uma configuração de placa uma face, a etapa de empilhar adicionalmente compreende arranjar as placas 1022, de modo que a primeira superfície de troca de calor externa de uma placa (isto é face frontal 1040) e fique voltada para a segunda superfície externa de troca de calor (isto é face posterior 1042) de uma placa adjacente. Para garantir que um espaçamento uniforme seja provido entre placas adjacentes, são providas placas estrutura suporte ranhuradas 1006, 1008 na frente e atrás da pilha, como discutido acima.

[000176] Com as placas cortadas 1022 empilhadas e alinhadas, os mandris 2034 são removidos do gabarito de alinhamento para permitir a formação da câmara de alimentação de coletor 1084 e câmara de descarga de coletor 1086 dentro da correspondente abertura como discutido na etapa 3004. As hastes 2032 permanecem no lugar para manter a pilha alinhada nas etapas subsequentes. Em adição, o gabarito de alinhamento permanece com o conjunto de pilha para formar um encapsulamento tipo casulo para o arranjo 1000, para protegê-lo de danos, e, em cooperação com painéis suporte 1006, 1008 serve para canalizar o fluxo de fluido de não trabalho para os espaços 1025 entre as placas 1022, e sobre a área superficial ativa de transferência de calor.

[000177] Referindo-se à Figura 29, na etapa 3004, as bordas cortadas das aberturas cortadas 1076, 1078 de uma primeira placa 1051 são unidas às correspondentes bordas cortadas de uma placa adjacente 1052. Quando as placas estão alinhadas na etapa 3003, as regiões expandidas, que correspondem às passagens de entrada de aba 1072 e passagens de saída de aba 1074, também estão alinhadas em uma direção paralela ao eixo geométrico de alinhamento 1005. Em adição, referindo-se às Figuras 26, 28 e 29, durante expansão da placa, pelo menos um painel 1060 que forma a placa é deformado de modo que os respectivos painéis 1060, 1062 fiquem localmente espaçados para prover a passagem do fluído de trabalho 1055. Em consequência, a face posterior 1042 de uma placa 1051 topa (ou quase topa) a face frontal 1040 de uma segunda placa 1052 adjacente e subjacente à primeira placa 1051. Em cada placa 1022 na pilha 2030, a face frontal 1040 é unida à face posterior 1042 da placa acima dela ao longo de toda circunferência de cada abertura cortada de entrada 1076 e abertura cortada de saída 1078. Em adição, a face posterior de cada placa na pilha 2030 é unida à face frontal 1040 da placa subjacente ao longo de toda circunferência de cada abertura cortada de entrada 1076 e abertura cortada de saída 1078. As respectivas faces 1040 e 1042 são unidas continuamente para formar juntas anulares impermeáveis a fluído 1082, por exemplo, com solda TIG (solda com eletrodo de tungstênio protegida por gás inerte) (solda TIG) solda TIG autógena, solda TIG por deposição (sputter) ou solda laser. Na Figura 29, as soldas estão representadas por linhas em zig-zag.

[000178] Este procedimento resulta em uma câmara de alimentação de coletor 1084 dentro da pilha 2030 definida em parte pela série de juntas anulares formadas na conexão de cada placa adjacente ao longo de aberturas cortadas 1076 e uma câmara de descarga de coletor 1086 (mostrada na Figura 29) definida em parte pelas juntas anulares 1082 que correspondem à conexão de cada placa adjacente ao longo das aberturas cortadas de saída 1078. Em cada placa da pilha 2030, a região expandida em cada uma das aberturas cortadas em comunicação fluída com os canais 1012 da passagem de fluído de trabalho 1055 como discutido acima. Por exemplo, a câmara de alimentação de coletor 1084 faz comunicação fluída com a passagem de entrada 1922 via passagem de entre de aba 1072. Em adiçãos, a câmara de descarga de coletor 1086 faz comunicação fluída com a passagem de saída 1918 via passagem de saída de aba 1072. Devido à natureza selada das juntas anulares, a comunicação fluída é impedida entre a passagem interna 1055 e as superfícies externas das placas 1022, e assim também entre o fluído de trabalho 580 e o fluido de não trabalho 570.

[000179] Referindo-se à Figura 29A, em configurações nas quais a abertura cortada é feita maior dentro do primeiro painel 1060 (por exemplo, na face frontal 1040) que dentro do segundo painel 1062 (por exemplo, na face posterior 1042), quando as placas estão empilhadas, as juntas L são formadas. Para cada placa 1022 na pilha 2030, a face frontal 1041 é unida à face posterior 1042 da placa acima dela na junta sobreposta (por exemplo, ao longo de toda a circunferência de cada abertura cortada de entrada 1076 e abertura corta de saída 1078). Em adição, a face posterior 1042 de cada placa na pilha 2030 é unida à face frontal 1040 da placa abaixo dela na junta sobreposta L (por exemplo, ao longo de toda circunferência de cada abertura cortada de entrada 1076 e abertura cortada de saída 1078). As respectivas faces 1040, 1042 são unidas continuamente, por exemplo, por solda, para formar uma junta anular impermeável a fluído 1082.

[000180] Como discutido acima, a quantidade de expansão de passagens de aba 1072, 1074 na aba 1070, pelo menos nas proximidades das aberturas cortadas 1076, 1078, é feita maior (por exemplo, tendo uma altura de canal maior h) que da passagem de fluído de trabalho 1055 dentro da placa 1022. Com este arranjo, o espaçamento entre placas adjacentes 1022 (isto é placas 1051, 1052) é mantido, enquanto permite a formação de juntas anulares.

[000181] Na etapa 3005, de novo, se referindo à Figura 16, o conector de flange 2000 é soldado à abertura cortada de entrada de aba e abertura cortada de aba 1078 formada nas superfícies voltadas para fora das placas extremas 1022 usadas para formar a pilha 2030.

[000182] Para a placa extrema superior 1022u, um conector de flange 2000 é fixado à face frontal 1040 em ambas as aberturas - abertura cortada de entrada 1076 e abertura cortada de saída 1078. Por exemplo, um conector de flange 2000 é colocado em abertura 1076 e 1078 e soldado à borda cortada ao longo de toda a circunferência de cada respectiva abertura 1076, 1078, de modo a prover uma conexão impermeável a fluído. Em adição, a face posterior 1042 da placa extrema superior 1022u é unida à face frontal 1040 da placa abaixo dela ao longo de toda a circunferência de cada abertura cortada de entrada 1076 e abertura cortada de saída 1078. As respectivas faces são fundidas continuamente para formar uma junta anular impermeável a fluído 1082.

[000183] A placa extrema inferior 1022u é similarmente tratada. Ou seja, para a placa extrema inferior 1022u, o conector de flange 2000 é fixado à face posterior 1042 em ambas as aberturas - abertura cortada de entrada 1076 e abertura cortada de saída 1078. Por exemplo, um conector de flange 2000 é colocado em cada abertura 1076, 1078 e soldado à borda cortada ao longo de toda circunferência de cada respectiva abertura 1076, 1078, de modo a prover uma conexão anular impermeável a fluído 1082. Em adição, face frontal 1040 da placa extrema inferior 1022u é fundida à face posterior 1042 da placa acima dela ao longo de toda a circunferência de cada uma de abertura cortada de entrada 1076 e abertura cortada de saída 1078. As respectivas faces 1040, 1042 são fundidas continuamente para formar uma junta anular impermeável a fluído 1082.

[000184] Na etapa 3006, a formação do coletor 1080 é completada, encapsulando as abas unidas 1070 do arranjo de trocador de calor 1000 em material plástico tal como epóxi, para formar um alojamento de coletor 1088 que encerra todas as abas 1070 das placas 1020 dentro do arranjo de trocador de calor 1000. O alojamento de coletor 1088 é definido pelas superfícies externas do epóxi.

[000185] O encapsulamento é conseguido colocando as abas unidas na pilha 2030 em um vaso 2050, enchendo o mesmo com epóxi, preenchendo os espaços entre a parte interna do vaso 2050 e a superfície externa das abas unidas 1070, permitindo a cura do epóxi, e, deixando o vaso 250 para permanecer como parte do conjunto.

[000186] Referindo-se à Figura 30, devido à forma complexa das abas 1070 que se estendem da borda lateral 1048 de cada placa e incluem conectores de flange 2000 se estendendo para fora das superfícies externas da mesma, o vaso 2050 é formado com estrutura multi-peça, que pode ser montado sobre as abas 1070 e ao redor de conectores de flange 2000. Em particular, o vaso 2050 é feito de plástico, por exemplo, policarbonato e tem uma primeira porção de parede lateral 2052, uma segunda porção de parede lateral 2054, e uma terceira porção de parede lateral 2056, que podem ser montadas juntas para formar o vaso.

[000187] A primeira porção de parede lateral 2052 inclui três lados 2052a, 2052b, 2052c e fundo 2052d. Os três lados 2052a, 2052b, 2052c são unidos entre si e também com o fundo 2052d e se estendem deste. Uma borda superior 2052e da primeira porção de parede lateral 2052 inclui porções recortadas semicirculares 2052f dimensionadas para receber uma parede lateral 2006 do conector de flange 2000. A segunda porção de parede lateral 2054 número três lados 2054a, 2054b, 2054c. Os três lados 2054a, 2054b, 2054c são unidos entre si. Em adição, uma borda inferior 2054e da segunda porção de parede lateral 2054 inclui porções recortadas semicirculares dimensionadas para receber uma parede lateral 2006 do conector de flange 2000. A terceira porção de parede lateral 2056 inclui um lado na forma de painel plano tendo uma primeira borda 2056a, uma segunda borda 2056b, uma terceira borda 2056c, e uma quarta borda 2056d.

[000188] Durante montagem do vaso 2050, a unidade de trocador de calor 1000 é colocada sobre a primeira porção de parede lateral de maneira que as abas unidas 1070 se estendam para o espaço definido pelos três lados 2052a, 2052b, 2052c e fundo 2052c e os flanges 2000 são dispostos dentro da porção de recorte 2052f. A segunda porção de parede lateral 2054, então, é colocada ao longo da primeira borda superior de porção de parede lateral 2052e, de maneira que o primeiro lado da primeira porção de parede lateral 2052a se una ao primeiro lado da segunda porção de parede lateral 2054a,o segundo lado da primeira porção de parede lateral 2052b se una ao segundo lado da segunda porção de parede lateral 2054b, o terceiro lado da primeira porção de parede lateral 2052c se una ao terceiro lado da segunda porção de parede lateral 2054b, e os flanges 2000 são recebidos na porção de recorte da porção de parede lateral 2052f. Finalmente, a terceira porção de parede lateral 2056 é colocada unida às primeira e segunda porções de parede lateral 2052, 2054 de modo que a primeira borda de terceira porção de parede lateral 2056a se una aos primeiros lados 2052a, 2054a das primeira e segunda porções de parede lateral 2052, 2054, a segunda borda de terceira porção de parede lateral 2056b se una ao fundo 2052d da primeira porção de parede lateral 2052, e a terceira borda de terceira parede lateral 2056c se una aos terceiros lados 2052c, 2054c das primeira e segunda porções de parede lateral 2052, 2054. Com o vaso 2052 montado, as abas unidas 1070 são encerradas pelas porções de parede lateral 2052,2054,2056.

[000189] Referindo-se à Figura 31, na configuração montada, o vaso 2050 inclui uma extremidade superior aberta e é dimensionada para encerrar as abas unidas 1070 enquanto minimizando a quantidade de enchimento de epóxi requerido. O vaso 2050 é enchido a partir do fundo com epóxi que é curado e mantém o espaçamento da placa selar todas as juntas da água do mar, e, ademais, reforça o arranjo de trocador de calor 1000. Em adição, o epóxi provê um suporte de junta soldada suplementar e reforço do conjunto, uma barreira suplementar contra o vazamento de fluído interno a partir da junta soldada que poderia ocorrer, e uma superfície de montagem sólida para o arranjo de placas unidas. Durante o encapsulamento, as passagens de fluído de cada conector de flange 2000 são fechadas para evitar a contaminação das câmaras de coletor 1084, 1086 com material de encapsulamento. Uma vez encapsuladas, as passagens de fluído são limpas para permitir o funcionamento apropriado dos respectivos conectores de flange 2000, em particular para permitir o fluxo de fluído por eles. Uma vez limpos os conectores 2000, a unidade de trocador de calor 1000 é finalizada.

[000190] Referindo-se às Figuras 11 e 32, quando é formado um módulo de troca de calor 524 incluindo diversos arranjos de trocador de calor 1000, o coletor 1080 de cada arranjo de trocador de calor 1000 individual é unido ao coletor 1080 dos arranjos de trocador de calor 1000. Em particular, os respectivos conectores de flange da câmara de medição de coletor 1084 dos arranjos de trocador de calor adjacentes 1000 são unidos de modo que a câmara de alimentação de coletor 1084 se comunique fluidicamente com cada arranjo de trocador de calor 1000 do módulo 524. Similarmente, os respectivos conectores de flange 2000 da câmara de descarga de coletor 1086 de arranjos de trocador de calor adjacentes 1000 são unidos, de modo que a câmara de descarga de coletor se comunique fluidicamente com cada arranjo de trocador de calor 1000 do módulo 524. Os conectores de flange 2000 de arranjos de trocador de calor adjacentes 1000 são unidos usando grampo 2020. Na configuração ilustrada, 12 arranjos de trocador de calor 1000 são conectados, usando um coletor comum, e proveem o módulo de troca de calor 524. Deve ser entendido, no entanto, que um número maior ou menor de arranjos de trocador de calor 1000 pode ser usado para formar o módulo 524 e o número empregado depende dos requisitos da aplicação específica.

[000191] Referindo-se às Figuras 10 e 33, os arranjos de trocador de calor 1000 conectados por um coletor comum 1080 são suportados em suporte 1002. Os arranjos de trocador de calor 1000 os coletores conectados 1080 e suporte 1002 juntos formam um estágio de trocador de calor. Em uma configuração ilustrada o sistema de troca de calor multiestágio 520 é um trocador de calor de módulo de quatro estágios que permite uso de um ciclo OTEC em cascata híbrido e assim inclui quatro módulos de trocador de calor 521, 522, 523, 524 (apenas o segundo e quarto estágios sendo mostrados na Figura 330. Cada módulo é recebido e suportado no quadro suporte 540 quando montado no sistema de troca de calor 520. Em algumas configurações, o suporte 1002 de cada módulo de troca de calor é provido com trilhos (não mostrados) que engatam os respectivos trilhos 2080 incluídos no quadro suporte 540 para facilitar montagem de módulos de trocador de calor 521, 522, 523, 524 no sistema de troca de calor 520. Por exemplo, montados nos trilhos com superfícies de contato plástico contínuo, o suporte 1002 permite extração linear para remover e manutenção de arranjos individuais 1000. Em adição, durante manutenção do arranjo, um conector de cabeçote temporário pode substituir um arranjo 1000 em um módulo 524 até o arranjo 1000 ser substituído, permitindo uma operação contínua de transferência de calor com o trocador de calor, provendo apenas uma redução parcial na transferência de energia.

[000192] Na configuração ilustrada, a porção de evaporador 344 da coluna 310 inclui um pilar central 550 e um quadro suporte 540 suportado em cada um de lados opostos 552 e 554 do pilar 550. Um arranjo similar é provido dentro da porção de condensador 320.

[000193] O conector de flange 2000 descrito soldado ao coletor 1080 inclui uma porção escalonada 2014 dentro da câmara de coletor provê alinhamento e melhora a resistência da junta soldada. No entanto, o conector de flange 2000 não se limita a ser fixada ao coletor por solda. Por exemplo, o conector de flange 200 trajetória de fluxo fixado ao coletor 1080 por me, de adesivo. Referindo-se às Figuras 34A e 34B em algumas configurações, usando adesivo, a segunda extremidade do conector 2010 pode ser modificada, de modo que a superfície de colagem tenha uma área maior. Em particular, o conector de flange modificado 2000' pode incluir uma segunda extremidade de conector 2010' tendo um lábio 2018' que se estende radialmente para fora e provê uma grande área superficial de colagem.

[000194] Referindo-se à Figura 35, um conector de flange de entrada 2000'' é conectado a uma câmara de alimentação de coletor 1084 de um condensador, e um conector de flange de saída 2000'' é conectado à correspondente câmara de descarga de coletor 1086. O conector de flange de entrada 2000'' tem diâmetro menor que o conector de flange de saída 2000'', mas similar quanto ao resto é similar. Por esta razão, apenas o conector de flange de entrada 2000'' será descrito. O conector de flange de entrada 2000'' similar ao conector de flange anteriormente descrito 2000 ilustrado na Figura 15B inclui primeira porção escalonada 2014, que tem o diâmetro externo dimensionado para corresponder ao diâmetro interno da correspondente câmara de alimentação de coletor 1084 ou câmara de descarga de coletor 1086. Em adição, o conector de flange de entrada 2000'' inclui uma segunda porção escalonada 2015 disposta adjacente à face de extremidade 2012 da segunda extremidade de conector 2010, de modo que a face de extremidade 2012 defina um degrau entre a primeira porção escalonada 2014 e a segunda porção escalonada 2015. A segunda porção escalonada 2015 tem um diâmetro externo menor que da primeira extremidade do conector 2002 e maior que da primeira porção escalonada 2014. Durante fabricação do arranjo, a primeira porção escalonada 2014 é inserida e soldada na abertura da entrada (ou saída) da aba. Durante este procedimento a segunda porção escalonada 1015 serve para equilibrar a dissipação de calor entre a aba 1070 da placa de trocador de calor 1022 e o conector de flange de entrada 2000''.

[000195] Referindo-se às Figuras 36 a 38, uma placa de troca de calor alternativa 3022 que é configurada para uso em evaporadores é similar à placa de troca de calor 1022, descrita acima com referência à Figura 14. Com vista à similaridade, componentes iguais recebem os mesmos números de referência. A placa de troca de calor 3022 inclui uma passagem de fluído de trabalho 3055 incluindo diversos minicanais paralelos 1912 tendo um desenho de serpentina alternado. Para acomodar mudanças no fluído de trabalho (por exemplo, mudanças da condição líquida para a condição de vapor), o número de passagens de fluxo paralelo per passe é aumentado ao longo da trajetória de fluxo do fluído de trabalho da entrada para saída da passagem. Por exemplo, a placa de trocador de calor 3022 na Figura 46 tem quatro passagens de entrada 1911, cada uma delas alimentando os correspondentes minicanais 1912 adjacentes à borda de fundo 1046. Os minicanais 1912 se estendem ao longo da placa a maneira de serpentina, da borda de fundo 1046 para a borda de topo 1045. Aqui, "topo" e "fundo" se referem à orientação da placa de trocador de calor na posição de operação normal. Na Figura 38, a placa de trocador de calor de evaporador 302 é ilustrada em sua posição de operação, com a borda de topo 1045 sobrepondo a borda de fundo 1046. O fluxo de quatro minicanais alimenta seis minicanais em um primeiro ponto de transição 3914. O fluxo de seis minicanais alimenta oito minicanais em um segundo ponto de transição 3916. O fluxo de oito minicanais alimenta dez minicanais em um terceiro ponto de transição 3920, e o fluxo de dez minicanais alimenta doze minicanais em um quarto ponto de transição 3922. Os doze minicanais resultantes descarregam através das saídas de fluído 1918.

[000196] As quatro passagens de entrada 1911 são supridas com fluído de trabalho 580 na condição líquida pela câmara de alimentação de coletor 1084 via passagem de entrada de aba 1072, e as doze passagens de saída 1918 descarregam fluído de trabalho na condição de vapor na câmara de descarga de coletor 1086 via passagens de saída de aba 1074.

[000197] Embora a câmara de alimentação de coletor 1084 e as abas de coletor 1086 sejam estruturalmente similares, a câmara de alimentação de coletor 1084 tem um tamanho diferente da correspondente câmara de descarga de coletor 1086. Por exemplo, a placa de trocador de calor 3022 configurada para uso trocador de calor como parte do arranjo 1000 no evaporador (Figuras 36 a 38), a câmara de alimentação de coletor 1084 é menor que a correspondente câmara de descarga de coletor 1086. Isto é conseguido formando as aberturas de entrada de aba 1076 com um diâmetro menor que as aberturas de saída de aba 1078. Esta diferença de tamanho refle o fato de o fluído de trabalho 580 entrar no evaporador na condição de líquido na entrada, assim requerendo um volume de passagem global menor que o mesmo fluído quando sai do evaporador na condição de gás na saída. Portanto, para uma placa de trocador de calor 4022 configurada para uso como parte do arranjo 1000 em um condensador (Figuras 39-41) a câmara de alimentação de coletor 1084 é maior que a correspondente câmara de descarga de coletor 1086.

[000198] Referindo-se às Figuras 39 a 41, uma placa de trocador de calor 4022 configurada para uso em condensador é similar à placa de trocador de calor de evaporador 3022 descrita acima com respeito às Figuras 36 a 38. Com vista à similaridade, componentes iguais recebem os mesmos números de referência. A placa de trocador de calor 4022 inclui uma passagem de fluído de trabalho 4055 incluindo diversos minicanais paralelos 1912 tendo um desenho de serpentina alternada. O número de passagens de entrada de fluído de trabalho 1911 alinhadas com eixo geométrico paralelo à direção do fluxo do fluido de não trabalho é maior na placa de trocador de calor de condensador 4022 que na placa de trocador de calor de evaporador 3022 para acomodar um volume relativamente maior de fluído na entrada de um condensador (por exemplo, gás) que na entrada de um evaporador (por exemplo, líquido). Para acomodar estas mudanças de fase no fluído de trabalho (por exemplo, mudanças de gás para líquido), o número de passagens de fluxo paralelas per passagem é diminuído ao longo da trajetória de fluxo do fluído de trabalho da entrada da passagem para a saída da passagem. Por exemplo, a placa de troca de calor 4022 na Figura 39 tem oito passagens de entrada 1911, cada uma delas alimenta doze correspondentes minicanais 1012 adjacentes à borda de topo 1045. Os minicanais 1912 se estendem ao longo da placa, à maneira de serpentina, da borda de topo 1045 para a borda de fundo 1046. Na Figura 41, a placa de trocador de calor de condensador 4022 é ilustrada virada para baixo em relação a sua posição de operação com a borda de fundo 1046 sobrepondo à borda de topo 1045. O fluxo de doze minicanais alimenta dez minicanais em um primeiro ponto de transição 4914. O fluxo de dez minicanais alimenta oito minicanais em um segundo ponto de transição 4916. O fluxo de oito minicanais alimenta seis minicanais em um terceiro ponto de transição 4920, e de o fluxo seis minicanais alimenta quatro minicanais em um quarto ponto de transição 4922. Os quatro minicanais resultantes descarregam através de saídas de fluído 1918.

[000199] As oito passagens de entrada 1911 são supridas com fluído de trabalho 580 em condição de vapor pela câmara de alimentação de coletor 1084 via passagem de entrada de aba 1072, e as quatro passagens de saída 1918 descarregam o fluído de trabalho na condição líquida na câmara de descarga de coletor 1086 via passagem de saída de aba 1074.

[000200] Em ambas as placas - placa de trocador de calor de condensador 4022 e placa de trocador de calor de evaporador 3022 - os minicanais 1912 se estendem ao longo da placa, à maneira de serpentina, da borda de topo 1045 para a borda de fundo 1046. Os minicanais 1912 incluem regiões lineares 1912a, regiões curvadas 1912b e canais distributários 1912c. As região curvadas 1912a se estendem em paralelo para a borda de topo 1045. As regiões curvadas 1912 conectam regiões lineares adjacentes 1912a e ficam adjacentes à borda direita da placa 1047 ou borda esquerda da placa 1048. Os canais distributários 1912c são canais que se ramificam de um minicanal na correspondente região curvada 1912. Os canais distributários 1912c fazem comunicação fluída com a correspondente região curvada 1912c via entrada de fluído distributária 1912d que se abre em direção à extremidade de coletor da placa de trocador de calor 3022, 4022. Em particular, cada canal distributário 1912c se comunica com o minicanal 1912 em uma única localização (por exemplo, entrada distributária de fluído 1912d) e cada canal distributário 1912 é disposto em uma região geralmente triangular, definida por regiões curvadas adjacentes 1912b e correspondente borda de placa 1047 ou 1048. Cada canal distributário 1912c é ramificado para prover minicanais distributários, que são configurados para substancialmente encher a região geralmente triangular. Deve ser notado que os canais distributários são colocados em áreas de placas de trocador de calor 3022, 4022 que, em outras configurações, não foram cobertas por passagens de fluxo fluído de trabalho, por exemplo, nos espaços entre minicanais de serpentina 1912 e bordas de placa 1045, 1046, 1047, 1048. Colocando os canais distributários nestas áreas, uma maior área superficial de trocador de calor é provida para o fluído de trabalho. Em adição, colocando os canais distributários nestas áreas, substancialmente toda a superfície frontal é coberta pelos minicanais 1912, através do que se impede a associação de áreas não usadas de fluído de trabalho, e as perdas são reduzidas.

[000201] A placa de trocador de calor de condensador 4022 e placa de trocador de calor de evaporador 3022 são cada uma delas provida com um recorte 3066, 4066 formado na borda direita da placa 1047. O recorte 3066, 4066 abre na borda diferente da placa 10437 em uma localização unindo a aba 1070 e tem geralmente a forma de V quando vista voltada para a face frontal 1040. Durante a fabricação do arranjo, o vaso 2050 é recebido dentro do recorte 3066 4066. Com a provisão do o recorte 3066, 4066 durante a etapa de envasamento da fabricação do arranjo de trocador de calor 1000, o vaso 2050 pode envolver uma porção maior de cada aba 1070, permitindo que o epóxi seja colocado ao redor de uma porção maior de cada aba 1070, que de um arranjo no qual as placas 1022 são formadas sem recortes em V.

[000202] Como previamente discutido, a placa 1022 inclui múltiplas zonas, onde cada zona corresponde a uma região na qual os minicanais 1912 são permitidos expandir para uma particular altura. A placa de trocador de calor de condensador 3022 e a placa de trocador de calor de condensador 4022 são providas com três zonas. Por exemplo, referindo- se às Figuras 38 e 42 a 46, a placa de trocador de calor de evaporador 3022 inclui uma primeira zona Z1 disposta na aba 1070 (por exemplo, região do coletor ver Figuras 38, 42, 45 e 46), uma segunda zona Z2 que se estende ao longo da primeira borda 1047 entre a aba 1070 e a borda de fundo (por exemplo, região de passagem de entrada vista em perspectiva Figuras 38, 43 e 46), e uma terceira zona Z3 que se estende entre as primeira e segunda zonas Z11 e Z21 e segunda borda 1048 (por exemplo, área ativa, ver Figuras 38, 44 e 46). Das três zonas, os minicanais 1912 na primeira zona Z11 têm a maior altura. Os minicanais 1912 na segunda Z2 tem uma altura menor que dos minicanais na primeira zona Z2, e maior que a altura dos minicanais 1912 na terceira zona Z3.

[000203] A placa de trocador de calor de condensador 4022 também inclui três zonas. Referindo-se às Figuras 41 a 46, como a placa de trocador de calor de evaporador 3022, a placa de trocador de calor de condensador inclui uma primeira zona Z1 disposta na aba 1070, (por exemplo, região de coletor, ver Figuras 41, 42, 45) e segunda zona Z2 que se estende ao longo da primeira borda 1047 entre a aba 1070 e a borda de fundo 1046 (por exemplo, a região de passagem de entrada, ver Figuras 41 e 43) e uma terceira zona Z3, que se estende entre as primeira e segunda zonas Z1 e Z2, e segunda borda 1048 (por exemplo, área ativa, ver Figuras 41 e 44). Das três zonas, os minicanais 1912 na primeira zona Z1 têm a maior altura. Os minicanais 1912 na segunda zona Z2 têm uma altura que é menor que dos minicanais na primeira zona Z2 e maior que a altura dos minicanais 1912 na terceira zona Z3.

[000204] Por exemplo, em algumas configurações, a altura dos minicanais 1912 na primeira zona Z1 é cerca de 5 mm, a altura dos minicanais 1912 na segunda zona Z21 é cerca de 3 mm, e a altura dos minicanais 1912 na terceira zona é cerca de 2 mm. Quando em um arranjo 1000, os minicanais da primeira zona Z11 de uma placa 3022, 4022 topam a placa adjacente, de modo que substancialmente nenhum espaço 1025 seja formado entre placas adjacentes na primeira zona Z1. Dentro da segunda zona Z2, é provido um espaço 1025 de cerca de 2 mm entre placas adjacentes enquanto é provido um espaço 1025 de cerca de 4 mm entre placas adjacentes na terceira zona Z3. A altura das zonas Z1, Z2, Z3, e o arranjo das zonas Z1, Z2, Z3, é configurada para ajudar a manter o fluxo de fluido de não trabalho na área ativa da placa de trocador de calor. A área ativa é a área da placa na qual ocorre substancialmente a maior parte da transferência de calor entre o fluído de trabalho e o fluido de não trabalho e geralmente corresponde à localização de canais de fluxo de serpentina e canais distributários. Assim, como na Figura 46, a área ativa da placa de trocador de calor é geralmente localizada na terceira zona Z3. Por causa de a terceira zona ser formada de minicanais tendo uma altura pequena em relação à altura nas primeira e segunda zonas Z1 e Z2, resulta um espaço relativamente grande 1025 entre placas adjacentes, quando empilhadas provendo uma menor resistência ao fluxo nesta área, e, portanto, o fluído de trabalho tende a fluir através desta área.

[000205] Referindo-se às Figuras 47-49, em alguns aspectos, um arranjo 1000 de placas de trocador de calor 1022, 3022, 4022, pode ser envolvido por um alojamento geralmente tubular (por exemplo, casulo) 5000 que envolve o arranjo 1000. O casulo 5000 inclui uma parede lateral 5002, uma primeira extremidade aberta 5004, e uma segunda extremidade aberta 5006, oposta à primeira extremidade aberta 5004. A primeira extremidade aberta 5004 define uma entrada do casulo 5000, que permite que o fluído de não trabalho seja direcionado para os espaços 1025 entre placas adjacentes 1022, 3022, 4022 do arranjo 1000. A segunda extremidade aberta 5004 define uma extremidade do casulo 5000, que permite que o fluído de não trabalho escape do espaço 1025, depois de passar sobre a placa frontal e superfícies traseiras 1040 e 1042. A parede lateral 1080 também inclui uma abertura 5008 configurada para receber o coletor, de modo que o coletor 1080 se estenda através da abertura 5008 quando o arranjo é envolvido pelo casulo 5000.

[000206] A parede lateral do casulo 5002 é um conjunto formado de um primeiro membro de parede lateral 5012 e segundo membro de parede lateral 5014. Cada membro de parede lateral 5012 e 5014 tem forma L, quando vista em seção transversal, onde o primeiro membro de parede lateral 5012 é idêntico ao segundo membro de parede lateral 5014. Em particular, o primeiro membro de parede lateral 5014 inclui um primeiro lado 5012a e um segundo lado 5012b em uma extremidade do primeiro lado 5012a e se estendendo perpendicular ao primeiro lado 5012a. Similarmente, o segundo membro de parede lateral 5014a inclui um primeiro lado 5014a e segundo lado 5014b em uma extremidade do primeiro lado 5014a, e se estendendo perpendicular ao primeiro lado 5014a. No estado montado, o primeiro lado de parede lateral 5012 coopera com o segundo membro de parede lateral 5014 para formar um tubo tendo uma seção transversal retangular e incluindo lados 5012a, 5012b, 5014a, 5014b. As placas de trocador de calor 1022, 3022, 4022 são suportadas nas ranhuras 5010 formadas na superfície interna de lados opostos 5012a, 5014a da parede lateral de casulo 5002. As ranhuras 5010 são paralelas e igualmente espaçadas em uma direção paralela ao eixo geométrico de alinhamento 1005. O espaçamento das ranhuras corresponde à distância desejada entre as placas 1022, 3022, 4022. Cada ranhura 5010 é configurada para receber e suportar uma placa de trocador de calor. Uma vez os primeiro e segundo membros de parede lateral 5012 e 5014 tendo forma de L e idênticos, a montagem do casulo é simplificada, e garante alinhamento das ranhuras 5010 nos lados opostos 5012a e 5014a do casulo.

[000207] Referindo-se à Figura 49, em alguns aspectos, a proteção inclui um manípulo 5030 disposto na superfície externa do lado 5012a. O manípulo 5030 pode ser seletivamente afixado e destacado do lado 5012a e usado para facilitar o manuseio do arranjo 1000, particularmente durante instalação em um módulo de troca de calor 524.

[000208] O casulo 5000 provê diversas vantagens. Por exemplo, o casulo 5000 é configurado para espaçar placas de trocador de calor 1022, 3022, 4022, e ajudar a mantê-las em uma relação espaçada paralela durante a montagem do arranjo e em operação. Por exemplo, o casulo 5000 mantém as placas de trocador de calor em um arranjo empilhado paralelo tendo o espaçamento de placa desejado, através do que o gabarito e/ou mandris de alinhamento descritos acima com respeito à etapa 3003 do método de fabricação do arranjo de trocador de calor 1000 podem não ser requeridos, simplificando o processo de fabricação. O casulo 5000 protege as placas de trocador de calor 1022, 3022 4022 de danos de estruturas externas durante embarque e durante montagem com outros arranjos em módulos de trocador de calor 524. Em uso, o casulo 5000 direciona o fluído de não trabalho 1000, e mantém o fluxo de fluído de não trabalho dentro do arranjo e sobre a área ativa.

[000209] Em adição, embora os dispositivos e sistemas de troca de calor tenham sido descritos com respeito a evaporadores/ condensadores de usinas OTEC, os dispositivos e sistemas de troca de calor não se limitam a tais aplicações. Por exemplo, os dispositivos e sistemas de troca de calor descritos nesta seriam igualmente úteis para outras aplicações que requeiram uma troca de calor de alta eficiência, tal como condensadores de descarga de vapor, e outros dispositivos para aproveitamento de calor residual, e sistemas de resfriamento passivo de usinas nucleares.

[000210] Configurações ilustrativas selecionadas do dispositivo de trocador de calor e respectivo método de fabricação foram descritas acima em alguns detalhes. Deve ser entendida que apenas estruturas consideradas necessárias para esclarecer a configuração foram descritas nesta. Outras estruturas convencionais e componentes auxiliares e acessórios do sistema presumidamente são conhecidas e entendidas por aqueles habilitados na técnica. Ademais, conquanto um exemplo de trabalho do dispositivo e método tenha sido descrito, o dispositivo e método não se limitam ao exemplo de trabalho descrito, e muitas modificações e alterações poderão vir a ser imaginadas, e introduzidas ou acrescentadas à presente invenção por aqueles habilitados na técnica.

Claims

1. Placa de troca de calor (1022), caracterizada pelo fato de que compreende: uma face frontal (1040), que define uma primeira superfície de troca de calor, uma face posterior (1042) em um lado da placa de trocador de calor oposta à face frontal, a face posterior definindo uma segunda superfície de troca de calor; uma borda periférica (1044); uma região de coletor (1070) se estendendo para fora a partir da borda periférica; uma passagem interna de fluído (1055) disposta entre a face frontal e a face posterior, a superfície da passagem de fluído interno definindo uma terceira superfície de troca de calor, a passagem interna de fluído compreendendo: uma entrada de fluído (1076, 1078) tendo uma área de entrada; uma saída de fluído (1076, 1078) tendo uma área de saída diferente da área de entrada; e canais de fluído paralelos, cada canal de fluído dos canais de fluído paralelos configurado para direcionar o fluído em paralelo da entrada para a saída, os canais de fluído paralelos incluindo pelo menos um ponto de transição (1914, 1916, 1920, 1922, 1924) entre a entrada de fluído e a saída de fluído, onde o número de canais de fluído muda; em que a entrada de fluído e a saída de fluído estão dispostas na região de coletor, e cada entrada e saída se abre em um plano paralelo à face frontal.

2. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que: uma de a) e b), em que a) a área de entrada é menor que a área de saída, e o número de canais de fluído aumenta em pelo menos um ponto de transição e b) a área de entrada é maior que a área de saída, e o número de canais de fluído diminui em pelo menos um ponto de transição; e os canais de fluído paralelos compreendem pelo menos quatro pontos de transição.

3. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a placa de trocador de calor compreende: uma primeira borda, uma segunda borda espaçada e se estendendo em paralelo da primeira borda, uma terceira borda se estendendo entre a primeira borda e a segunda borda, e uma quarta borda espaçada e se estendendo em paralelo à terceira borda, a quarta borda se estendendo entre a primeira borda e a segunda borda, em que os canais de fluído paralelos se estendem ao longo de uma trajetória de serpentina entre a primeira borda e a segunda borda e incluem regiões lineares que se estendem em paralelo da primeira borda, regiões curvadas que conectam regiões lineares adjacentes, as regiões curvadas dispostas adjacentes a uma terceira ou quarta borda, e um canal distributário em comunicação fluída com uma região curvada, o canal distributário disposto entre regiões curvadas adjacentes, por exemplo, o canal distributário é configurado para preencher substancialmente uma região geralmente triangular, definida entre uma região curvada, uma região curvada adjacente e a terceira ou quarta borda correspondente.

4. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a placa de troca de calor compreende uma primeira borda, uma segunda borda espaçada e se estendendo em paralelo da primeira borda; em que canais de fluído paralelos se estendendo ao longo de uma trajetória de serpentina entre a primeira borda e segunda borda incluindo regiões lineares que se estendem em paralelo com a primeira borda e regiões curvadas que conectam regiões lineares adjacentes, pelo menos uma região curvada incluindo um canal distributário disposto entre regiões curvadas adjacentes, por exemplo, em que o canal distributário tem uma entrada distributária de fluido que está em comunicação fluída com uma região curvada correspondente.

5. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 4, caracterizada pelo fato de que a pluralidade de regiões curvadas inclui um canal distributário (1912c) e cada canal distributário se comunica com uma passagem interna de fluído em uma única localização, e é ramificado para prover minicanais distributários (1912) e opcionalmente em que a entrada do canal distributário se abre em direção à primeira extremidade.

6. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a borda periférica compreende pelo menos uma borda lateral linear (1047), e uma região recortada (3066, 4066) que se abre ao longo da borda lateral linear, em que a região do coletor se estende para fora de pelo menos uma borda lateral linear em uma direção normal para a borda lateral linear, e a região recortada é adjacente à região de coletor.

7. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a borda periférica compreende uma primeira borda (1046), uma segunda borda (1045) espaçada e se estendendo em paralelo da primeira borda, uma terceira borda (1047) se estendendo entre a primeira borda e a segunda borda, e uma quarta borda (1048) espaçada e se estendendo em paralelo da terceira borda, a quarta borda se estendendo entre a primeira borda e a segunda borda, em que a região do coletor (1070) se estende para fora a partir da terceira borda (1047) e inclui uma porção lateral alinhada com a primeira borda (1046), e uma região recortada (3066, 4066) é formada na terceira borda que se estende para dentro a partir da terceira borda, a região recortada unida à região do coletor, por exemplo, em que a região recortada é geralmente triangular quando vista voltada para a face frontal.

8. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que: a face frontal compreende regiões se estendendo para fora que correspondem à localização da passagem interna de fluído, as regiões se estendendo para fora se estendem em uma dada localização em uma extensão que é definida pela altura da passagem interna de fluído nesta dada localização, onde a altura se refere a uma dimensão na direção normal à face frontal, as regiões que se estendem para fora incluindo uma primeira zona que corresponde a uma primeira altura de passagem interna de fluído, uma segunda zona que corresponde a uma segunda altura de passagem interna de fluído, onde a primeira altura de passagem interna de fluído é maior que a segunda altura de passagem interna de fluído, em que a primeira zona é disposta na região de coletor e a segunda zona é disposta no lado de fora da região de coletor.

9. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 8, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente uma borda periférica que bordeja a face frontal e face posterior, em que a borda periférica inclui uma primeira borda, uma segunda borda, espaçada e se estendendo em paralelo da primeira borda, e uma terceira borda se estendendo entre a primeira borda e segunda borda, uma quarta borda espaçada e se estendendo em paralelo da terceira borda, a quarta borda se estendendo entre a primeira borda e segunda borda, em que uma região de coletor se estende para fora da terceira borda, a primeira zona é disposta na região do coletor, e a segunda zona se estende ao longo da terceira borda, entre a região do coletor e a segunda borda.

10. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 8 ou 9, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente uma terceira zona que corresponde a uma terceira altura de passagem interna de fluído, onde a segunda altura de passagem interna de fluído é maior que a terceira altura de passagem interna de fluído, e a terceira zona se estende entre as primeira e segunda zonas e a quarta borda.

11. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que compreende adicionalmente um conector de flange (2000) fixado a um coletor (1080), em que o conector de flange (2000) é para conectar os coletores de arranjos de trocador de calor adjacentes (1000) e permitir a comunicação fluida entre eles.

12. Placa de troca de calor, de acordo com a reivindicação 11, caracterizada pelo fato de que o conector de flange é um conector de coletor que compreende: um corpo tubular incluindo uma primeira extremidade, a primeira extremidade incluindo uma ranhura anular e um membro selador disposto na ranhura; uma segunda extremidade oposta à primeira extremidade, a segunda extremidade configurada para ser unida a um coletor; uma passagem de fluído se estendendo entre a primeira extremidade e a segunda extremidade; e um diâmetro externo que varia da primeira extremidade para a segunda extremidade e em que opcionalmente um de a) e b), em que: a) onde o corpo tubular é na forma frusto-cônica, e a primeira extremidade tem um diâmetro externo maior que da segunda extremidade, e b) onde a segunda extremidade compreende uma porção escalonada, através da qual o diâmetro externo da segunda extremidade é menor que o da primeira extremidade.

13. Trocador de calor, caracterizado pelo fato de que com-preendendo duas ou mais placas de trocador de calor, como definida na reivindicação 1, em que as placas de trocador de calor estão em um arranjo empilhado, de modo que cada placa de trocador de calor seja espaçada da placa de trocador de calor adjacente, o espaço entre placas de trocador de calor adjacentes definindo uma passagem externa de fluído, cada passagem externa de fluído configurada para receber um primeiro fluído (570), em que um coletor (1080) tem comunicação de fluido com a entrada de cada placa de trocador de calor, e um alojamento (1088) que envolve o arranjo empilhado de placas, o alojamento configurado para suportar placas de trocador de calor em uma relação espaçada, em que o alojamento compreende uma abertura configurada para receber o coletor, e o coletor se estende através da abertura.

14. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o alojamento compreende uma parede lateral, uma primeira extremidade aberta, e uma segunda extremidade aberta, oposta à primeira extremidade, a primeira extremidade aberta definindo a entrada do primeiro fluído para a respectiva passagem externa e a segunda extremidade aberta definindo a saída do respectivo primeiro fluído a partir da passagem externa.

15. Trocador de calor, de acordo com a reivindicação 13, caracterizado pelo fato de que o alojamento compreende quatro lados, arranjados para formar um retângulo quando visto por sua seção transversal, e uma superfície interna de um par de lados opostos do alojamento é formada tendo ranhuras paralelas, e cada ranhura configurada para receber e suportar uma placa de trocador de calor , por exemplo, em que o alojamento é um conjunto de um primeiro membro de parede lateral e segundo membro de parede lateral, cada membro de parede lateral tendo uma forma de L na seção transversal, em que o primeiro membro de parede lateral é idêntico ao segundo membro de parede lateral.