CN105190173B - 热交换器、锅炉以及包括它们的系统 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器，其包括壳体，该壳体具有布置在其中的分离装置，该分离装置将热交换器划分成混合区域和热交换区域。该混合区域构造成接收热烟雾和液滴，所述热烟雾和液滴彼此混合以形成烟雾‑液滴蒸气混合物。该混合物构造成通过分离装置的孔口流入到热交换区域中。多个盒状件布置在第一壳体的热交换区域中。每个盒状件均限定腔。腔布置成彼此连通。最下盒状件构造成接收被穿过每个相继的盒状件的腔泵送至最上盒状件的接收介质。该混合物构造成关于盒状件循环以在接收介质被泵送穿过每个相继的盒状件的腔时逐渐地加热接收介质。

Description

热交换器、锅炉以及包括它们的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年3月8日提交的美国临时专利申请第61/774,790号的权益和优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及锅炉，并且更具体地，涉及构造成将接收介质(receiver medium)(例如，水)从接近室温液体加热至热液体、蒸气和/或过热蒸气(取决于具体目的)的高效锅炉。本公开还涉及包括这种锅炉的系统，例如，炉系统、家庭供暖系统、动力产生系统等。
背景技术
在传统的锅炉中，源介质(例如，源气态烟雾)被用以通过布置在源介质与接收介质(例如，水)之间的导热交换材料、经由热交换来加热接收介质。然而，这种传统锅炉中的阻力导致很多热能作为废料逸出，这样严重降低了这些锅炉的效率。
无论是使用煤气炉煮沸一壶水、使用燃油炉为家庭供暖系统产生水蒸气、为蒸汽轮机产生过热水蒸气，还是利用任何其他的传统锅炉系统，热交换过程中的阻力都会通过分子薄膜层在交换材料(例如，布置在源介质与接收介质之间的导热材料)的表面上的形成引起，并且该阻力阻碍其间的热交换。具体地，根据边界层理论，在这种传统锅炉中，来自源介质的分子由于摩擦而粘住交换材料的表面并且最终达到与交换材料相同的温度，从而形成所谓的边界层。这个边界层阻止来自源介质的热量通过交换材料而交换到接收介质，并且被称为边界层阻力。
为减小边界层阻力，源介质循环通过锅炉的速率或速度必须增加用于使边界分子与源介质的干流分子之间的动量交换发生。当速度增加时，由于一些较冷的边界分子被较热的干流分子取代，产生湍流类型。这被称作强制对流，并且引起增强的热交换。
然而，增加源介质的速度并非无缺点。具体地，源介质必须被限制在锅炉中充足的时间以便允许接收介质吸收足够的能量来被充分加热到期望温度，例如，热液体、蒸气或过热蒸气。不幸的是，将源介质限制在锅炉中并不容易实现，因为源介质具有逸出的倾向并且源介质越热，其逸出得越快。换句话说，对锅炉的效率的限制在于：在有限的时间间隔内，需要快速且高效的热交换。
不管源介质变得如何湍急，都不能在源介质通过烟囱逸出之前，输送足够的能量用于接收介质吸收以充分地加热该接收介质。这是因为在传统锅炉中于源介质和接收介质之间存在阻抗失配。传统锅炉中的这种阻抗失配由以下情况造成：由于源介质与接收介质的不同的热力学参数，例如，密度(lb/ft3)、比热(BTU/lb x°F)和传导率(BTI/hr.-ft°F)，源介质(典型的气态烟雾)的能量密度(BTU/ft3)比接收介质(通常为液态水)的能量密度小几个数量级。能量供应者(即，源介质)与能量接收者(即，接收介质)之间的这种严重的阻抗失配使得源介质不能向接收介质充分地传递热量，因此传统锅炉是效率低的。
发明内容
本公开提供了热交换器、锅炉以及包括这两者且具有提升的热交换效率的系统。这些锅炉和系统的提升的热交换效率通过将抵抗热交换的主要阻力最小化而得以实现，该主要阻力即源介质(例如，热气态烟雾)与接收介质(例如，水)之间的阻抗失配。一旦这种主要阻力已经被最小化，源介质就能够将其更大比例的能量经由最小阻力路径输送来加热接收介质。由此，在使效率最大化的同时废料被最小化。因此，尽管在实践中热力学第二定律(即，卡诺循环)阻止液体和蒸气之间的精确阻抗匹配的实现，但是本公开的锅炉和系统构造成使这种阻抗失配最小化，从而使得这些锅炉和系统接近最佳效率。
根据特定目的，本公开的锅炉包括以下：烟雾产生器，例如，燃烧室(用于燃烧煤或任意其他合适的化石燃料、生物质燃料或其他燃料)；主热交换器，用于将接收介质从接近室温液体加热至热液体和/或蒸气；以及，可选地，副热交换器，用于将接收介质加热至过热蒸气。
该主热交换器和副热交换器具体地构造成使抵抗作用在其上的热交换的主要阻力最小化，所述主要阻力即，源介质(例如，通过燃烧化石燃料产生的热气态烟雾)和接收介质(例如，水)之间的阻抗失配。关于构造成将水从接近室温的液体加热至热液体和/或高达约700°F的蒸气的主热交换器，通过将热气态烟雾与动量传递媒介(例如，水滴)混合，减小了热气态烟雾与水之间的阻抗失配。
在使用时，具有与液态水接收介质基本相似的热力学参数的水滴通过热气态烟雾加热并且汽化。在接触交换材料的表面时，当能量从液滴通过交换材料传递到液态水接收介质时，汽化的液滴凝结。由此，热交换发生在具有类似的热力学参数和最小的阻抗差的水滴(动量传递媒介)和水(接收介质)之间。换句话说，接近了阻抗匹配条件。尽管如上面指出的不能实现精确阻抗匹配，但是，接近阻抗匹配条件使主要阻力最小化并且使热交换的效率最大化。
关于构造成将接收介质从蒸气加热至高达或高于1000°F的过热蒸气的副热交换器，源介质和接收介质两者都是气态的(例如，分别是热气态烟雾和水蒸气)。该热气态烟雾包括独立水蒸气分子，还有其他更重的分子。热气态烟雾的独立水蒸气分子用作至接收介质的独立水蒸气分子的动量传递媒介。更具体地，在该副热交换器中，并不发生凝结和汽化，而是，通过接收介质的独立水蒸气分子和热气态烟雾的独立水蒸气分子(动量传递媒介)之间的弹性碰撞来执行热传递。由于接收介质和动量传递媒介包括相同的分子，例如，独立水蒸气分子，因此，它们之间存在精确阻抗匹配，并且热交换的效率经由这两者之间的弹性碰撞而最大化。
与构造成提供高效的热交换的本公开的锅炉和系统结合，本公开的锅炉和系统可以进一步构造成与基于微处理器的智能、关联的数字设备和/或其他合适的控制系统或反馈系统一起使用，从而使得锅炉和系统能够被动态地调整以使效率最大化。
根据本公开提供的热交换器、锅炉和/或包括这两者的系统可以包括上述特征中的任意或全部或者本文详细描述的任意其他特征。具体地，根据本公开的方案，热交换器设置成包括第一壳体。布置在分隔物中的分离装置将由第一壳体限定的容积划分成混合区域和热交换区域。该分离装置限定多个孔口。该混合区域接收热烟雾和独立分子液滴，所述热烟雾和液滴彼此混合以形成烟雾-液滴蒸气混合物。该混合物穿过分离装置的孔口进入到热交换区域中。多个盒状件布置在第一壳体的热交换区域中。盒状件包括最下盒状件、最上盒状件以及布置在两者之间的至少一个中间盒状件。每个盒状件均限定腔。盒状件的腔布置成彼此连通。最下盒状件构造成接收被从最下盒状件穿过每个相继的盒状件的腔泵送至最上盒状件的接收介质。该混合物关于盒状件循环以随着接收介质被泵送穿过每个相继的盒状件的腔而逐渐地加热该接收介质。
在方案中，该分离装置包括至少一个隔板。
在方案中，该热交换器包括至少部分地穿过混合区域延伸的进料管。该进料管连接至液体源并且限定多个针状孔，液体被迫将独立分子液滴通过多个针状孔喷涌到混合区域中。
在方案中，该液体是水并且该接收介质是水。
在方案中，最上盒状件输出水蒸气。
在方案中，每个盒状件均包括板和罩。该板限定凹槽并且具有关于凹槽的外周延伸的凸缘。该罩关于板的凹槽布置以限定并且封闭其间的腔。
在方案中，盒状件中的至少一个的腔的深度等于相邻盒状件之间的竖直间距。
在方案中，最上盒状件构造为蒸发器，其具有限定上部和下部的扩大腔。腔的上部容纳蒸气，而该腔的下部容纳液体。
在方案中，第一壳体由多个面板形成。至少两个面板经由包括布置在限定在至少两个面板之间的间隙中的密封覆盖层(blanket)的柔性联接而接合。
在方案中，第二壳体围绕第一壳体布置并且限定位于第一壳体和第二壳体之间的绝缘区域。
在方案中，烟囱出口被限定为在热交换器区域中朝向第一壳体的底部。该烟囱出口使得冷却的混合物流出热交换区域。
在方案中，被限定为穿过分离装置的孔口布置成允许混合物穿过分离装置的孔口进入到每对相邻盒状件之间的热交换区域中。
同样根据本公开设置的是一种用于家庭供暖系统的锅炉。该锅炉包括构造成产生热烟雾的烟雾产生器和稳固至该烟雾产生器的热交换器。该热交换器类似于上面详细描述的热交换器。
在方案中，热交换器的最上盒状件布置成与壶热连通，使得被加热的接收介质能够将布置在该壶中的水加热至约212°F。可选地或另外地，最上盒状件将蒸气输出至家庭供暖系统。
在方案中，该烟雾产生器包括外壳，其具有布置其中的分隔物，该分隔物将外壳划分成燃烧室和储集室。该燃烧室构造成接收待燃烧以产生热烟雾的燃料。该热烟雾穿过限定在分隔物中的孔隙并进入到储集室中用于输出至热交换器。
同样根据本公开设置的是一种动力产生系统。该系统包括产生热烟雾的烟雾产生器、主热交换器、副热交换器以及蒸汽轮机。该主热交换器类似于上面详细描述的热交换器并且输出约700°F的蒸气。该副热交换器接收从主热交换器的最上盒状件输出的蒸气，将该蒸气加热到至少1000°F的过热蒸气并且输出该过热蒸气。该蒸汽轮机从副热交换器接收过热蒸气并且利用该过热蒸气来驱动发电机。
在方案中，蒸汽轮机为以下至少其一：使液态水返回到主热交换器作为接收介质；以及使液态水返回到主热交换器作为产生液滴的液体。
在方案中，副热交换器从主热交换器接收相对较热的混合物用于加热蒸气并且将相对较冷的混合物返回到主热交换器以促进接收介质在主热交换器中的加热。
在方案中，该系统进一步包括CPU，其控制进入主热交换器的接收介质的流率以维持离开主热交换器的蒸气的约700°F的目标温度。
附图说明
在此参照附图对本公开的方案和特征进行描述，其中：
图1是根据本公开设置的主热交换器的立体图；
图2是图1的主热交换器的剖视图；
图3是图1的主热交换器的内壳体的剖视图；
图4是图1的主热交换器的盒状件中的一个的俯视图；
图5是沿着图4的剖面线“5-5”截取的图4的盒状件的剖面图；
图6是图1的主热交换器的相邻盒状件的放大剖视图；
图7是根据本公开设置的家庭供暖系统的锅炉的剖视图，其中烟雾产生器和主热交换器被示出为彼此分离；
图8是根据本公开设置的家庭供暖系统的另一个锅炉的剖视图，其中烟雾产生器和主热交换器被示出为彼此分离；
图9是根据本公开设置的动力产生系统的示意图；以及
图10是图9的动力产生系统的烟雾产生器、主热交换器、副热交换器和蒸汽轮机的剖视图。
具体实施方式
现将参照附图详细描述本公开的各种实施例，其中相同附图标记表示相似或相同的元件。在以下描述中，并未详细描述熟知的功能或构造以避免模糊本公开。在一致的程度上，在此详细描述的任意实施例的任意方案和/或特征可以与在此详细描述的任意其他实施例的任意方案和/或特征结合使用。
本公开提供热交换器、锅炉和包括所述热交换器和所述锅炉的系统，其中，锅炉大体包括烟雾产生器以及用于使用源介质将接收介质从接近室温液体加热成热液体和/或蒸气的主热交换器。在一些实施例中，根据特定目的，设置副热交换器用于将接收介质进一步加热成过热蒸气。应当注意，主热交换器需要锅炉和/或系统的大部分的能量，并因此是相对于效率最大化所要考虑的重要部件。由此，下面将首先描述主热交换器的大体构造，随后描述根据本公开设置的锅炉和系统的各种实施例以及包括在内的主热交换器、烟雾产生器和/或副热交换器的具体特征。
主热交换器的大体构造和操作
参照图1和图2，主热交换器10大体包括构造成保持源介质的内壳体20和用作热障的外壳体60。内壳体20是由顶棚面板22、底部24以及四个竖直壁26组成的六面板壳体。面板由不锈钢制成，然而还会想到其他合适的材料。尤其重要的是顶棚面板22，其遭受最热的温度以及由内壳体20的膨胀和收缩引起的热应力。为了与该热应力抗争，顶棚面板22和竖直壁26之间的角接接头未刚性地固定。相反，通过缩短竖直壁26产生了间隙，使得当顶棚面板22膨胀时，其与围绕内壳体20的海绵状陶瓷纤维覆盖层28接触。该覆盖层28由围绕顶棚面板22和竖直壁26之间的角接接头布置的角钢件29保持在恰当位置。当顶棚面板22膨胀时，其挤压覆盖层28，这样形成密封从而抑制源介质逸出。覆盖层28可以围绕整个内壳体20并且可以相对于底部24以及底部24与竖直壁26之间的相应的角接接头类似地构造，尽管底部24并未接近顶棚面板22的高温。下面将详细描述内壳体20的内部部件。
与内壳体20类似的外壳体60由六个面板制成，例如协同限定第二壳体的顶棚62、底部64以及四个竖直壁66。外箱体60由铝或其他合适的材料制成，并且围绕内箱体20形成密封的内部区域67，密封的内部区域67包含覆盖层28和静止空气(即，绝缘材料)。由此，外箱体60用作构造成帮助容纳源介质并且防止热损失的热障。外箱体60进一步包括形成在其中的多个挤出部，这些挤出部经由外铝皮68封闭。外箱体60中的这些挤出部连同外皮68一起封闭静止空气(即，绝缘材料)以提供邻近外箱体60的顶棚62和竖直壁66的绝缘腔69以使主热交换器10进一步绝缘。外箱体60还提供能够例如经由延伸穿过外箱体60和绝缘腔69的螺杆(如图2中的线“R”所示)连接至锅炉或系统等的其他部件的刚性结构，然而还可想到其他合适的机械接合结构。
参照图3至图6，内箱体20由一个或多个隔板30或其他合适的分离装置隔开，以限定占据内箱体20的大部分容积的热交换区域“EX”以及占据内箱体20的小部分容积的混合区域“M”。隔板30中的孔口32使得热交换区域“EX”与混合区域“M”之间能够连通。对于混合区域“M”，烟雾入口33被限定为穿过主热交换器10，烟雾入口33提供了如下的路径：通过所述路径，热气态烟雾能够被从烟雾产生器101(例如，参见图7)输送到混合区域“M”中。不锈钢或其他合适的材料的一个或多个给料管34延伸到混合区域“M”中以将水源“W”(例如，公共水源或其他合适的加压水源)与混合区域“M”连接。每个给料管34均包括限定为穿过其中的多个针孔状孔隙35。这些针孔状孔隙35足够小而仅允许以独立水分子的液滴的形式的水穿过其中通过。穿过给料管34的针孔状孔隙35的独立水分子液滴形成喷射到该混合区域“M”中的薄雾。因为由单个水分子形成的液滴比热气态烟雾轻，所以液滴是悬浮的或漂浮在该热气态烟雾中的。由此，独立水滴的薄雾在相对小的混合区域“M”中容易与热气态烟雾混合，使得液滴蒸发而形成烟雾/液滴蒸气混合物(由于其间的非弹性碰撞)。如下详细描述的，这种混合物被允许穿过隔板30中的孔口32进入热交换区域“EX”。
如图4中所示，主热交换器10的内箱体20的热交换区域“EX”容纳叠置并且相对于彼此竖直间隔开的多个热交换器盒状件40。该热交换区域“EX”进一步包括废料出口36，其布置成朝向内箱体20的底部24与混合区域“M”相对。废料出口36允许较冷的“废料”烟雾离开主热交换器10到烟囱180(例如，参见图7)。这是由于相对较冷的N2和CO2分子(来自烟雾)比热的H2O蒸气液滴重，并因此，这些“废料”气体倾向于下降并且经由烟囱180(例如，参见图7)离开。
盒状件40的数量根据特定目的是可变的。不管盒状件40的数量如何，每对相邻的盒状件40均相对于隔板30定位成使得隔板30的孔口32布置在其间。这种构造使得混合物进入每对相邻的盒状件40之间的热交换区域“EX”，并因此确保热交换区域“M”与盒状件40的内腔43之间的最大温差。
每个盒状件40均由导热材料(例如不锈钢)形成并且限定板状构造。每个盒状件40的底部均限定形成腔43的凹陷部42。每个盒状件40的凹陷部42均由凸缘44关于其外周围绕。罩41关于凹陷部42布置以完全封闭腔43。腔43限定了比盒状件40的长度和宽度浅的深度，因此将布置在腔43中的接收介质的表面积最大化。由此，每个盒状件40的腔43均构造成保持最小量的接收介质。腔43的相等的长度尺寸和宽度尺寸同样是可取的以在给定周长的范围内提供最大面积。
除布置成朝向盒状件40的相反侧的多个孔隙45a、45b外，腔43由盒状件40封闭。位于一侧上的孔隙45a被限定为穿过盒状件40的底部并且用作进入腔43的入口，而位于另一侧上的孔隙45b被限定为穿过盒状件的顶部并且用作从腔43的出口。这些入口孔隙和出口孔隙45a、45b使得接收介质能够流入腔43、通过盒状件40并且从腔43出来。正如所能够意识到的，相邻盒状件40相对地构造使得相邻盒状件40的入口孔隙和出口孔隙45a、45b能够容易地彼此连通。更具体地，管46将相邻盒状件40的这些入口孔隙和出口孔隙45a、45b互连，这样为接收介质建立了路径。
由于上述构造，该路径被限定为曲折样式或来回样式，其中，接收介质沿着第一方向移动穿过一个盒状件40的腔43、向上穿过管46进入相邻盒状件40、沿着第二相反方向穿过相邻盒状件40中的腔43等等。限定在每对相邻盒状件40之间的间距基本等于盒状件40的腔43的深度，使得接收介质在腔43中行进的区域类似于混合物所循环穿过的盒状件40之间的区域。
穿过盒状件40的位于其相反侧上的凸缘44限定的孔隙47使得混合物还能够在盒状件40之间竖直地移动。正如上面指出的，隔板30中的孔口32允许混合物进入任意盒状件40之间的热交换区域“EX”，即，混合物未被限制在于热交换器10的内箱体20的底部24处进入。
多个盒状件40除了以下之外彼此类似：最下盒状件40(例如，底层)包括连接至其的进料管线48用于使得接收介质被从源头(例如，加压公共水源“W”)泵送到主热交换器10中，并且更具体地，泵送到最下盒状件40的腔43中并且向上通过多个盒状件40。参照图5，最上盒状件40(例如，顶层)与其他盒状件40的不同在于：最上盒状件40限定包括隔离件的放大腔49，该隔离件将蒸气(在顶部，位于隔离件之上)和液体(在底部，位于隔离件之下)分离，从而用作蒸发器。第一输出管线51可以设置成引导来自最上盒状件40的蒸气并且/或者第二输出管线(未明确地示出)可以设置在放大腔49的底部中以允许输出热液体。
在使用时，烟雾，例如经由化石燃料的燃烧产生的热气态N2和CO2烟雾分子与独立水分子液滴的薄雾一起被输入到混合区域“M”中，独立水分子液滴从水源“W”通过进料管34的针孔状孔隙35被泵送到混合区域“M”中。经由N2和CO2烟雾分子与水滴之间的非弹性碰撞，液滴被充分地加热到转变成表现为气体形式的蒸气H2O分子。更具体地，在混合区域“M”中，像增湿器一样起作用的水滴薄雾立即与气态烟雾碰撞并且加热到变成更热的液滴。当水滴达到212°F时，它们汽化为蒸气。这些汽化的H2O液滴因此与热烟雾形成混合物。
混合区域“M”根据理想气体定律表现。因此，体积越小，压力/温度(P/T)比或能量密度(BTU/ft3)越大。因此，正如上面指出的，相较于热交换区域“EX”的相对最小体积的混合区域“M”能够使得该混合区域“M”相较于较大的混合区域达到更高的温度。
混合物通过隔板30中的孔口32而被引导至热交换区域“EX”中并且围绕盒状件40并且在盒状件40之间扫过。一旦布置在热交换区域“EX”中，混合物既在盒状件40之间水平地又相对于盒状件40竖直地穿过盒状件40的凸缘44的孔隙47以涡流的方式循环，如由箭头“A”所示。同时，或接近时，泵压强制液态水接收介质进入第一盒状件40的腔43并且向上曲折螺旋式地穿过多层盒状件40，如由箭头“B”所示。正如上面指出的，因为混合物关于盒状件40以涡流的方式循环并且进入每对相邻的盒状件40之间的热交换区域“EX”，并且由于接收介质向上曲折螺旋式地行进，所以对于每个盒状件40，每对相邻的盒状件40之间维持最大温差。
关于盒状件40循环的混合物在强烈碰撞之后撞击在盒状件40的较冷的金属表面上，这样引起蒸气液滴在通过盒状件40损失热量至被泵送穿过盒状件40的接收介质后凝结。更具体地，当混合物涡流循环时，位于盒状件40的金属表面上的边界层气态分子由来自混合物的凝结液滴取代。盒状件40的金属表面在覆盖有这种凝结液体时变成好很多的热导体并且能够储存更多的能量(若干个数量级)。这种湿润表面还包含比气态介质更多的热能。密度(ρ)与比热(Cp)的比值(约6000/1)进一步影响在盒状件40的表面上的凝结液滴，引起它们重组，直到它们变得冷到足以像雨下落，同时发生传热级联(cascade)。剩余的CO2和N2烟雾在与盒状件40的表面撞击之后损失能量至液滴，如此变得更冷且更重。因此，这些更冷、更重的“废料”气体分子朝向主热交换器10的底部下沉，最终离开到烟囱180(例如，参见图7)。
由于上面详细描述的构造，当接收介质朝上曲折螺旋地行进通过多个盒状件40时，接收介质的温度在每步提升到层中的下一盒状件40之后渐进性地增加，最终到达最上盒状件40用于作为像700°F一样热的蒸气输出、作为热液体输出和/或用于在导热中使用。盒状件40的数量、主热交换器10的尺寸、接收介质的流率和/或烟雾温度能够构造成在最上盒状件40处建立特定的最大温度和/或针对每一步建立具体的递增的温度。下面详细描述以适用于锅炉和系统的特定目的的特定构造包括主热交换器10的锅炉和系统的各种实施例。
家庭供暖系统
根据本公开的一个示例性实施例，提供了一种用于炉系统或家庭供暖系统的锅炉100。如图7中所示，锅炉100包括烟雾产生器101和主热交换器110。该烟雾产生器101包括外壳102，其容纳燃烧室103和储集室104。这些室103、104由具有多个孔口106的隔板105或其他合适的分隔物分隔开。燃烧室103包括构造成支撑用于燃烧的化石燃料(例如，煤球)的线栅107。该线栅107是有孔的以允许来自燃烧煤球的灰烬穿过掉落并进入到收集盘108中。该收集盘108是可移除的以允许外壳102的清洁，例如去除灰烬。门109设置用于提供通向燃烧室103的入口。储集室104联接至主热交换器110的烟雾入口。
在使用时，煤球或另一种合适的燃料被加载到线栅107上并且燃烧。当煤燃烧时，呈烟雾的形式的热能被朝向隔板105引导并且加速穿过孔口106进入到储集室104中。从储集室104开始，烟雾向上行进穿过主热交换器110的烟雾入口并且进入到其混合区域中。煤由于其相较于其他燃料良好的能量密度而对于使用而言是有利的，然而还会想到其他合适的燃料。
锅炉100的主热交换器110类似于上面详细描述的主热交换器10(参见图1至图6)，并因此此后出于简洁的目的而仅仅详细描述其间的差异以及主热交换器110的特定构造。该主热交换器110构造成接收由烟雾产生器101产生的烟雾并且包括三个盒状件140。主热交换器110可以经由机械紧固(例如，使用杆)来稳固至烟雾产生器101，或者可以与烟雾产生器101分离开。该主热交换器110和烟雾产生器101限定相似的长度尺寸和宽度尺寸，使得当彼此接合时，锅炉100限定具有一致的长度尺寸和宽度尺寸的单元。该主热交换器110进一步包括沿着内箱体120的底部的一部分延伸的隧道式通道170。该通道170最终与布置在外箱体160外部的烟囱180连通用于允许较冷的“废料”烟雾分子从主热交换器110逸出。
该主热交换器110能够在没有电的情况下运行，只要有被充分加压的水源“W”(例如，公共水管线)用于将液态水接收介质泵送到盒状件140中并且向上穿过该盒状件140。还需要相同或单独的充足压力的水源“W”，使得液滴的薄雾能够喷涌到主热交换器110的混合区域中。
正如上面指出的，主热交换器110包括三个盒状件140。最上盒状件140用作将蒸气(在顶部，位于隔离件之上)和液体(在底部，位于隔离件之下)分离的蒸发器。然而，并非通过输出口输出蒸气和/或热液体，最上盒状件140与导热壶接收凹部190热接触。这个凹部190构造成接收壶“P”，该壶“P”可以是用于烹饪的锅、用于热水的便携式壶，或者可以是热水加热器的封闭锅。
在使用时，正如上面提到的，烟雾产生器101引导来自储集室104的烟雾进入主热交换器110的混合区域，其中，与上面详细描述的类似，该烟雾与液滴混合以形成混合物。这种混合物随后以涡流的方式关于盒状件140循环，同样如上面详细描述的，盒状件140包括被以朝上曲折螺旋式地泵送穿过盒状件140的液态水接收介质。该液态水接收介质的温度在每步之后逐渐地上升，直到到达最上盒状件140，在此，接收介质接近212°F。该212°F液态水转变成蒸气或水汽，并且漂浮到最上盒状件140的顶部、邻近包含壶“P”的导热凹部190。经由与上面类似的热传导，该蒸气加热壶“P”中的水，直到接近212°F。
转向图8，示出了根据本公开设置的锅炉200的另一示例性实施例，其构造为用于和家庭供暖系统联用。该锅炉200包括烟雾产生器201，其可以类似于烟雾产生器101(图7)或者可以构造成由天然气或任何其他合适的燃料产生烟雾。该锅炉200进一步包括主热交换器210。锅炉200的主热交换器210类似于上面详细描述的主热交换器110(图7)，因此此后将仅仅详细描述其间的差异。具体地，该主热交换器210与主热交换器110(图7)的不同在于：并非构造成加热水壶，该主热交换器210构造成从最上盒状件240的腔的上部输出蒸气或水汽。该蒸气可以被输入到家庭供暖系统(例如，强制蒸气加热系统)，或者可以直接联接至强制蒸气散热器，或者可以被用于任意其他合适的目的。
动力产生系统
根据本公开的另一示例性实施例，如图9中所示，上面详细描述的主热交换器10(图1至图6)被包含在动力产生系统300中用于向蒸汽轮机500提供过热蒸气。在实施例中，蒸汽轮机500可以用以驱动发电机来产生电并且用作传统的发电站。可选地，蒸汽轮机500可以用以为汽车提供动力并且用作活动发电站(这基于系统300是紧凑且质轻的事实而得以促进)，并且蒸汽轮机500能够提供“即时”动力。还会想到其他构造。不管具体实施方式如何，蒸汽轮机的优势在于其是极其高效的。然而，尽管这种高效，使用蒸汽轮机的传统动力产生系统一般来说是相对低效的，这是因为尽管蒸汽轮机自身是高效的，用于产生过热蒸气来运行蒸汽轮机的装备和方法是非常低效的。因此，通过修正这种低效，能够实现高效蒸汽轮机的益处。
参照图9和图10，动力产生系统300通常包括烟雾产生器301、主热交换器310、副热交换器400(这三个共同用作锅炉)、蒸汽轮机500和CPU 600。与先前的实施例类似，烟雾产生器301包括用于接收并且燃烧生物质(例如，木材、煤等)的燃烧室。可选地，该烟雾产生器301可以构造成使用任意其他合适的燃料源(例如，天然气)产生热气态烟雾。该烟雾产生器301将由此产生的烟雾引导至主热交换器310。
系统300的主热交换器310类似于上面详细描述的主热交换器10(图1至图6)，并因此此后将仅仅详细描述其间的差别。该主热交换器310是该系统的中心并且构造成将液态水接收介质加热成约700°F的蒸气。主热交换器310包括三个致动器：阀门及泵组件311，其构造成控制从蒸汽轮机500的冷凝器单元(未明确地示出)反馈回主热交换器310的液态水接收介质的质量流量，如由箭头502所示；阀门组件312(如果需要，包含泵)，其构造成控制用以将水滴薄雾喷涌入主热交换器310的混合区域中的水或水蒸气的质量流量；以及止回阀313，其构造成控制烟雾进入主热交换器310的速率。该主热交换器310进一步包括作为系统300中唯一的出口的烟囱380，用于输出较冷的“废料”气体；以及离心式集气柜(CVC)314，其邻近主热交换器310的顶棚安装并且用以抑制混合物从主热交换器310逸出。
相对于主热交换器310的热交换区域，设置了多个盒状件340。例如，可以设置七个盒状件340，每个均构造成使接收介质的温度升高约100°F，从而使得在最上盒状件340处，接收介质的温度约为700°F。接收介质的加热与上面详细描述的类似，另外，混合物由如箭头401所示从副热交换器400下落并返回到主热交换器310的混合区域的烟雾以及如箭头501所示从蒸汽轮机500返回到主热交换器310的混合区域(待被通过针状孔喷涌入或直接进入混合区域)的热水蒸气来补充。此外，正如上面同样提到的，如由箭头502所示，接收介质由蒸汽轮机500的冷凝器单元(未明确地示出)提供，使得系统300为大致闭环系统。由主热交换器310产生的约700°F的蒸气例如经由管或其他合适的导管被引导至副热交换器400。用于将接收介质加热至约700°F的蒸气的主热交换器310的功能类似于上面详细描述的功能，其中，该接收介质向上曲折地穿过盒状件340并且通过循环的混合物而被逐渐地加热。
副热交换器400构造成从主热交换器310接收处于700°F的水蒸气，并且使用如由箭头302所示的来自主热交换器310的混合区域的最热混合物(其是最轻的、向上行进到副热交换器400中)将该水蒸气加热到过热蒸气(例如，超过1000°F)。可控阀413被设置用于控制混合物进入副热交换器400的速率。在该副热交换器400中，通过在较热混合物与蒸气接收介质之间实现直接的弹性碰撞并因此实现热交换，使抵抗热传递的阻力最小化。最有效的碰撞在混合物的独立水蒸气分子与组成接收介质的独立水蒸气分子之间。由此，相对较冷的烟雾气体(N2和CO2)下降并且被引导回到主热交换器310的混合区域中(如由箭头401所示)，在此，相对较冷的烟雾气体足够热而与液滴混合并且补充对主热交换器310中的接收介质的加热。
副热交换器400相较于主热交换器310限定了减小的容积，因此利于将接收介质加热到至少1000°F以产生所需的过热蒸气。然而，这种容积减小是在于副热交换器400的高度尺寸，因为烟雾产生器301、主热交换器310、副热交换器400限定相似的长度尺寸和宽度尺寸以便形成具有一致的占地面积的锅炉单元。一旦过热蒸气在副热交换器400中产生，其就被引导至蒸汽轮机500。该蒸汽轮机500利用来自副热交换器400的过热蒸气以例如驱动发电机、为汽车提供动力等。
CPU 600实现了系统300的“智能”控制并且能够从开关式直流电源602和/或可充电电池604(用于移动系统或在发生电力故障时)接收电力。具体地，CPU 600使用来自与烟雾产生器301、主热交换器310、副热交换器400和/或蒸汽轮机500关联的多个传感器的反馈来控制系统300。例如，多个传感器605定位在主热交换器310中以感测不同盒状件340中的接收介质的温度。基于感测到的温度与盒状件340的特定位置的期望温度的比较(或使用任意其他合适的度量或运算法则)，该CPU 600控制阀门及泵组件311，正如经由控制线606所示出的，从而增加(在该温度比目标温度热时)或降低(在该温度比目标温度冷时)向上穿过盒状件340的接收介质的流率。与副热交换器400的输出关联并且与蒸汽轮机500的输入关联的另一传感器607(或多个传感器607)被用以确保该过热蒸气处于充足的温度。基于来自传感器607的反馈，该CPU 600控制可控阀413以增加或降低进入到副热交换器400中的混合物的流率，正如由箭头608所示出的。还会想到其他合适的传感器。用于传感器的目标温度数据和/或其他比较数据可以基于先前的实验收集或者在操作期间实时收集，并且存储在与CPU 600关联的存储器中。
应当理解，可以对本公开的实施例进行各种修改。因此，上面的描述不应当理解为限制性的，而是仅仅作为实施例的范例。本领域技术人员将会想到在本公开的范围和主旨内的其他修改。

Claims (20)

1.一种热交换器，包括：
第一壳体，其限定容积；
分离装置，其将所述第一壳体的容积划分成混合区域和热交换区域，所述分离装置限定多个孔口，其中，所述第一壳体的混合区域构造成接收热烟雾和液滴，所述热烟雾和液滴彼此混合以形成烟雾-液滴蒸气混合物，所述烟雾-液滴蒸气混合物构造成穿过所述分离装置的孔口进入到所述热交换区域中；以及
多个盒状件，其布置在所述第一壳体的热交换区域中，所述多个盒状件包括最下盒状件、最上盒状件以及布置在所述最下盒状件和最上盒状件之间的至少一个中间盒状件，每个盒状件均限定腔，所述腔布置成彼此连通，所述最下盒状件构造成接收被从所述最下盒状件穿过每个相继的盒状件的腔泵送至所述最上盒状件的接收介质，其中所述烟雾-液滴蒸气混合物构造成关于所述盒状件循环以当所述接收介质被泵送穿过每个相继的盒状件的腔时逐渐地加热所述接收介质。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述分离装置包括至少一个隔板。
3.根据权利要求1所述的热交换器，进一步包括至少部分地穿过所述混合区域延伸的给料管，所述给料管构造成连接至用于提供液体的液体源，所述给料管限定多个针状孔，所述液体被迫通过所述多个针状孔而将所述液滴喷涌到所述混合区域中。
4.根据权利要求3所述的热交换器，其中，所述液体是水，并且其中，所述接收介质是水。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述最上盒状件构造成输出水蒸气。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，每个盒状件均包括板和罩，所述板限定凹槽并且具有关于所述凹槽的外周延伸的凸缘，所述罩关于所述板的凹槽布置以限定并且封闭其间的腔。
7.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述盒状件中的至少一个的腔的深度等于相邻盒状件之间的竖直间距。
8.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述最上盒状件构造为具有限定上部和下部的扩大腔的蒸发器，所述上部保持蒸气而所述下部保持液体。
9.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一壳体由多个面板形成，其中，所述面板中的至少两个经由包括布置在于所述至少两个面板之间限定的间隙中的密封覆盖层的柔性联接而接合。
10.根据权利要求1所述的热交换器，进一步包括第二壳体，所述第二壳体围绕所述第一壳体布置并且限定所述第一壳体与所述第二壳体之间的绝缘区域。
11.根据权利要求1所述的热交换器，进一步包括限定在所述第一壳体的所述热交换区域中且朝向所述第一壳体的底部的烟囱出口，所述烟囱出口构造成使得冷却的混合物流出所述热交换区域。
12.根据权利要求1所述的热交换器，其中，被限定为穿过所述分离装置的所述孔口布置成允许所述烟雾-液滴蒸气混合物穿过所述分离装置中的孔口流入到每对相邻的盒状件之间的热交换区域中。
13.一种用于家庭供暖系统的锅炉，包括：
烟雾产生器，其构造成产生热烟雾；以及
热交换器，其联接至所述烟雾产生器，所述热交换器包括：
壳体，其限定内部区域；
分离装置，其将所述壳体的内部划分成混合区域和热交换区域，所述分离装置限定多个孔口，其中，所述混合区域构造成接收来自所述烟雾产生器的热烟雾以及液滴，所述热烟雾和液滴彼此混合以形成烟雾-液滴蒸气混合物，所述混合物构造成穿过所述分离装置的孔口进入到所述热交换区域中；以及
多个盒状件，其布置在所述第一壳体的热交换区域中，所述多个盒状件包括最下盒状件、最上盒状件以及布置在所述最下盒状件和最上盒状件之间的至少一个中间盒状件，每个盒状件均限定腔，所述腔布置成彼此连通，所述最下盒状件构造成接收被从所述最下盒状件穿过每个相继的盒状件的腔泵送至所述最上盒状件的接收介质，其中所述混合物构造成关于所述盒状件循环以当所述接收介质被泵送穿过每个相继的盒状件的腔时逐渐地加热所述接收介质。
14.根据权利要求13所述的锅炉，其中，所述最上盒状件布置成与壶热连通，被加热的接收介质构造成将布置在所述壶中的水加热至约212°F。
15.根据权利要求13所述的锅炉，其中，所述最上盒状件构造成将蒸气输出至家庭供暖系统。
16.根据权利要求13所述的锅炉，其中，所述烟雾产生器包括外壳，所述外壳具有布置在其中的分隔物，所述分隔物将所述外壳划分成燃烧室和储集室，所述燃烧室构造成接收待燃烧的燃料以产生热烟雾，所述热烟雾构造成穿过被限定在所述分隔物中的孔隙并且进入到所述储集室中用于输出到所述热交换器。
17.一种动力产生系统，包括：
烟雾产生器，其构造成产生热烟雾；
主热交换器，其联接至所述烟雾产生器，所述主热交换器包括：
壳体，其限定容积；
分离装置，其将所述壳体的容积划分成混合区域和热交换区域，所述分离装置限定多个孔口，其中，所述壳体的混合区域构造成接收来自所述烟雾产生器的热烟雾以及液滴，所述热烟雾和液滴彼此混合以形成烟雾-液滴蒸气混合物，所述混合物构造成穿过所述分离装置的孔口进入到所述热交换区域中；以及
多个盒状件，其布置在所述第一壳体的热交换区域中，所述多个盒状件包括最下盒状件、最上盒状件以及布置在所述最下盒状件和最上盒状件之间的至少一个中间盒状件，每个盒状件均限定腔，所述腔布置成彼此连通，所述最下盒状件构造成接收被从所述最下盒状件穿过每个相继的盒状件的腔泵送至所述最上盒状件的接收介质，其中所述混合物构造成关于所述盒状件循环以当所述接收介质被泵送穿过每个相继的盒状件的腔时逐渐地加热所述接收介质，所述最上盒状件构造成输出约700°F的蒸气；
副热交换器，其构造成接收从所述主热交换器的最上盒状件输出的蒸气，将所述蒸气加热到至少1000°F的过热蒸气并且输出所述过热蒸气；以及
蒸汽轮机，其构造成从所述副热交换器接收所述过热蒸气并且利用所述过热蒸气来驱动发电机。
18.根据权利要求17所述的动力产生系统，其中，所述蒸汽轮机构造成以下至少其一：使液态水返回到所述主热交换器作为所述接收介质；以及使液态水返回到所述主热交换器作为产生液滴的液体。
19.根据权利要求17所述的动力产生系统，其中，所述副热交换器构造成从所述主热交换器接收相对较热的混合物用于加热所述蒸气并且使相对较冷的混合物返回到所述主热交换器来促进所述接收介质在所述主热交换器中的加热。
20.根据权利要求17所述的动力产生系统，进一步包括CPU，所述CPU构造成控制所述接收介质进入所述主热交换器的流率以维持离开所述主热交换器的蒸气的约700°F的目标温度。
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