CN107883792B - 包括歧管的热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器，包括以使各热交换器板与相邻的热交换器板间隔开的方式堆叠配置的多个热交换器板。相邻的热交换板之间的间隔限定了外部流体通路，各外部流体通路被构造为接收第一流体。各热交换器板包括周缘和被构造为接收第二流体的内部流体通路。内部流体通路包括在周缘处开口的入口和出口。热交换器还包括歧管，歧管具有供应室和排出室，供应室与各热交换器板的入口流体连通，排出室与各热交换器板的出口流体连通。

Description

包括歧管的热交换器
本申请要求2012年10月31日提交的美国临时申请No.61/720,591、2012年10月16日提交的美国临时申请No.61/714,538的优先权，该两申请的全部内容通过引用合并于此。
本申请是申请人阿贝尔基金会于2013年10月15日提出的PCT申请PCT/US2013/065004于2015年6月15日进入国家阶段的申请号为201380065659.9、发明名称为包括歧管的热交换器的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及在流体之间传递热量，并且更具体地涉及利用热交换板在流体间传递热量。
背景技术
全世界的热带大洋和大海提供了独特的可再生能源资源。海洋热能转换(“OTEC”)是利用在海洋的热带区域中作为热量存储的太阳能来产生可再生能源的一种方式。OTEC过程利用表面热带海水与深层热带海水之间的温差来驱动热机以产生电能。在深度为100英尺或者更浅的海洋表面找到了OTEC热机所需的热水。在2700英尺和4200英尺之间的深度或者更深处找到了用于冷却OTEC发动机的恒定冷水来源。由于在人口中心附近乃至大陆块通常都找不到这样的深度，因此离岸电站是必须的。
已提出具有高效的、多级热交换系统的浮式的低起伏(low heave)的OTEC电站，其中热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器在结构上与浮式平台一体化，并且被用来驱动热机。进而，热机驱动发电机，由此获得电力。
发明内容
发电站利用海洋热能转换工序作为动力源。
进一步的方面涉及具有高效、多级热交换系统的浮式的低起伏的OTEC电站，其中热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器模块在结构上与电站的浮式平台或结构一体化。
在本发明的示例实施的一些方面，热交换器包括以如下方式堆叠配置的两个或更多个热交换器板：使得各热交换器板与相邻的热交换器板分隔开，相邻的热交换板之间的间隔限定了外部流体通路，各所述外部流体通路被构造为接收第一流体。各热交换器板包括：周缘；被构造为接收第二流体的内部流体通路；和在所述周缘处开口的进入所述内部流体通路的入口，与各热交换器板的所述入口流体连通的歧管。
在本发明的其他示例实施中，热交换器可以包括以下特征中的一个或多个：歧管包括在与由热交换板限定的平面垂直的方向上延伸的歧管室。歧管包括从各热交换板的周缘的一部分突出的突出部，其中各突出部包括与内部通路流体连通的突出部通路，各突出部包括阻止了突出部通路的开口，各突出部的开口在与由热交换板限定的平面垂直的方向上对齐并且该开口限定歧管室，歧管室的内表面包括接合部，该接合部对应于在一个突出部的突出部通路的第一表面和相邻的突出部的突出部通路的第二表面之间的连接部。各板的突出部被包封到刚性材料中。各板的突出部被包封到不透液的材料中。歧管被至少部分地包封在刚性材料中。歧管被构造为连接到第二热交换器的歧管以使得各歧管处于流体连通的状态。
在本发明的其他的示例实施中可以包括以下特征中的一个或多个：各板包括第一外部热交换表面和与第一外部热交换表面相反的第二外部热交换表面，当使用热交换器时，第一外部热交换表面与第二外部热交换表面与第一流体流体接触。热交换器包括内部流体通路的出口，该出口在周缘处开口，歧管与各热交换器板的出口流体连通，歧管包括第一歧管室和第二歧管室，第一歧管室被构造为将第二流体供应到内部流体通路的入口，第二歧管室被构造为接收来自内部流体通路的出口的第二流体，其中第一歧管室与第二歧管室隔离。第一歧管室与第二歧管室的容积不同。在热交换器板的平面状的内部表面和热交换器板的非平面状的内部表面之间限定内部通路。各热交换器板包括非平面的第一热交换表面和平面的、与第一热交换表面相反的第二热交换表面，热交换器板的堆叠配置包括以使得堆叠体的一个板的第一热交换表面面对该堆叠体的相邻的板的第二热交换表面的方式配置热交换器板。内部流体通路从板的仅一个侧向外膨胀，由此板的第一侧包括与内部流体通路的位置相对应的向外突出的区域，而板的第二侧没有变形。内部流体通路包括多个微型通道。
在一些示例实施中，两个或更多个热交换器板上下堆叠。在其他方面中，该两个或更多个热交换器板水平堆叠。热交换器板能够以满足以下条件的任何方式配置：在各单个的热交换器板之间存在间隙，以允许流体围绕并且流动经过各热交换器板。
在进一步的示例实施中，热交换器包括堆叠配置的热交换器板，以使得各热交换器板与相邻的热交换器板分隔开，相邻的热交换器板之间的间隔限定了外部流体通路，各外部流体通路被构造为接收第一流体。各热交换器板包括：周缘，被构造为接收第二流体的内部流体通路，进入内部流体通路的第一端的、在周缘处开口的入口，来自内部流体通路的第二端的、在周缘处开口的出口，具有供应室和排出室的歧管，供应室与各热交换器板的入口流体连通，排出室与各热交换器板的出口流体连通。
在本发明的其他示例实施中可以包括以下特征中的一个或多个：歧管供应室和歧管排出室均在与由热交换板限定的平面垂直的方向上延伸。歧管包括从各热交换板的周缘的一部分突出的突出部，其中各突出部包括与内部流体通路入口流体连通的突出部入口通路和与内部流体通路出口流体连通的突出部出口通路，各突出部包括阻止了突出部入口通路的突出部入口开口和阻止了突出部出口通路的突出部出口开口，各突出部的突出部入口开口限定歧管供应室，并且歧管室的内表面包括接合部，该接合部对应于在一个突出部的突出部入口通路的第一表面和相邻的突出部的突出部入口通路的第二表面之间的连接部，各突出部的突出部出口开口限定歧管排出室，并且歧管排出室的内表面包括接合部，该接合部对应于在一个突出部的突出部出口通路的第一表面和相邻的突出部的突出部出口通路的第二表面之间的连接部。各板的突出部被包封到刚性材料中。各板的突出部被包封到不透液的材料中。歧管至少被部分地包封到刚性材料中。歧管被构造为连接到第二热交换器的歧管以使得各歧管流体连通。各板包括第一外部热交换表面和与第一外部热交换表面相反的第二外部热交换表面，当使用热交换器时，第一外部热交换表面与第二外部热交换表面与第一流体流体接触。歧管供应室和歧管排出室的容积不同。
在本发明的其他的示例实施中可以包括以下特征中的一个或多个：在热交换器板的平面状的内部表面和热交换器板的非平面状的内部表面之间限定内部通路。各热交换器板包括非平面的第一热交换表面和平面的、与第一热交换表面相反的第二热交换表面，热交换器板的堆叠配置包括以使得堆叠体的一个板的第一热交换表面面对该堆叠体的相邻的板的第二热交换表面的方式配置热交换器板。内部流体通路从板的仅一个侧向外膨胀，由此板的第一侧包括与内部流体通路的位置相对应的向外突出的区域，而板的第二侧没有变形。内部流体通路包括多个微型通道。
在本发明的一些示例实施中，热交换器包括堆叠的热交换器板，各热交换器板包括被构造为接收第一流体的内部流体通路、第一外表面和与第一外表面相反的第二外表面。第一外表面是平面的，第二外表面包括与热交换器板中的内部通路的位置对应的突出区域，并且热交换器板沿着与第一外表面垂直的轴线堆叠，以使得一个热交换器板的第一外表面面对相邻的热交换器板的第二外表面。
再一示例实施包括以下特征的一个或多个：以使得一个热交换器板的第一外表面与相邻的热交换器板的第二外表面分隔开的方式配置热交换器板。当使用热交换器时，第一外表面与第二外表面均与第二流体流体接触。
在本发明的一些方面中，热交换器的制造方法包括：提供具有第一侧、第二侧和内部流体通路的热交换器板，所述第一侧提供第一外部热交换表面，所述第二侧与所述第一侧相反并且提供第二外部热交换表面。在板中切割开口以使得切割的开口阻止内部流体通路；重复上述步骤以形成多个切割板；沿着对准轴堆叠切割板以提供具有对齐的切割开口的板堆叠体，接合切割开口的切割边缘以使得一个板的第一侧接合到相邻的板的第二侧，并使得歧管室形成在由各接合的开口至少部分地限定的容积中，歧管室与各内部通路流体连通。
本发明的示例方面包括可以具有以下附加特征中的一个或多个的方法：将凸缘安装到板堆叠体的最外侧板的切割开口，并且将接合的板的部分和凸缘的接头部分包封到塑料中。热交换器进一步包括从各板的周缘的部分突出的突出部，并且各板的切割开口位于突出部中。热交换器的突出部被包封到与形成突出部用的材料不同的包封材料中。热交换器的突出部被包封到塑料中。堆叠包括将以使得一个板的侧部面对相邻的板的第二侧部的方式配置板。提供具有内部流体通路的热交换器板包括提供第一板金和第二板金；以预定图案对第一板金的表面涂布结合防止剂；以使得结合剂位于第一片材和第二片材之间的方式堆叠第一板金和第二板金；滚扎结合堆叠的第一板金和第二板金以形成板；使板膨胀以形成与预定图案对应的内部通路。在使板膨胀的步骤中，第二板金由于流入空气的压力而变形，而第一板金在流入空气的压力下保持不变形。使板膨胀包括在第一板金和第二板金之间流入空气。接合切割开口的切割边缘包括使一个板的第一板金与相邻的板的第二板金接合。堆叠板包括提供对准夹具，并将板放到对准夹具中以提供具有对齐了的周缘和切割开口的板堆叠体。在堆叠之后，对准夹具保留于板堆叠体。
示例方法还包括以下附加特征中的一个或多个：将连接器接合到板堆叠体的最外侧的板的面向外侧的切割开口。内部通路包括入口端和出口端，在板中切割开口的步骤包括切割阻止内部通路的入口端的入口开口和切割阻止内部通路的出口端的出口开口，接合切割边缘的步骤包括：接合入口开口的切割边缘以使得一个板的第一侧接合到相邻板的第二侧，并且使得歧管供应室形成在由各接合的入口开口至少部分的限定的容积中，歧管供应室与内部通路的入口端流体连通，和接合出口开口的切割边缘以使得一个板的第一侧接合到相邻板的第二侧，并且使得歧管排出室形成在由各接合的出口开口至少部分地限定的容积中，歧管排出室与内部通路的出口端流体连通。歧管供应室和歧管排出室位于单个的歧管中以使得在供应室和排出室之间没有流体连通。这里所述的热交换器提供提高的热传递效率，并且由此，例如，提高使用高效的热循环以实现最大效率和发电的OTEC热机的效率。在沸腾和冷凝工艺中的热传递以及热交换器的材料和设计都对能够从每磅热水中取得的能量值产生限制。但是，在蒸发器和冷凝器中使用的热交换器使用高容量、低水头损失的热水流和冷水流以限制寄生载荷。热交换器还提供高的热传递系数以提高效率。热交换器包含适于热水入口温度和冷水入口温度的材料和设计以提高效率。热交换器设计采用简单构造方法以及少量的材料以减小成本和体积。
在本发明的一些示例实施方式中，利用歧管将工作流体从热交换器的各板沿着板周侧边缘供应和排出，在该歧管中入口连接部和出口连接部与板一体地形成并且在组装程序中被焊接到相邻的板。歧管包括焊接的连接部，并且被在歧管区域中的板之间流动的环氧树脂包围以为组件提供结构加强并防止水与焊接表面接触。由于每个管的每个端部必须被牢固地连接到热交换器板或供应线路，因此这是对使用管进行供应的一些板式热交换器的改进。例如，在一些实施方式中，热交换器的每个板需要多达4个入口连接部和8个出口连接部。每直线英尺(linear foot)为大约20个板的密度，20英尺的模块中可能需要多达4800个单个的连接部。这提出了制造后勤问题和质量控制问题两个问题。连接部还被暴露到海水环境中。有利的是，通过在热交换器的侧周缘处使用歧管，完全消除了对管连接部的使用，并且避免了相应的制造后勤问题和质量控制问题。
在本发明的其他示例实施方式中，这里说明的热交换器由膨胀为形成内部流体通路的板形成，其中膨胀区域仅在板的一侧突出，而另一侧则基本平坦。这使得不管膨胀出现在板长度上的任何位置，板之间都具有稳定的最大和最小间距。利用膨胀区域仅在板的一侧突出的板(这里称作“单侧板”)消除了与用来形成板的滚扎结合制造工艺相关的纵向方向尺寸不均一的影响。在辊之间熔合金属的滚扎结合工艺尽管在高度上均一，但具有在纵向尺寸上可重复性的固有问题。当膨胀区域在板的两侧均突出的滚扎结合的板(这里称作“双侧”板)在热交换器中堆叠时，尺寸变化可能导致相邻的板的膨胀部分彼此直接相对定位的构造，从而导致不期望的具有高压力损失和低的热传递换的夹紧点(pinch point)。通过提供单侧板并且将板配置在热交换器中以使得一个板的突出侧面向相邻板的平坦侧，能够避免尺寸变化的负面效果。另外，实验结果确认在流动和标称间距与双侧板相同的情况下单侧板的压力损失显著减小。
这里说明的本发明的实施、实施方式和示例可以如上所述的结合或与公开的特征进行任何其他结合。
在附图以及以下的说明中阐述了一个以上的实施方式的细节。其他特征、目的和优点将从说明和附图以及从权利要求书变得明显。
附图说明
图1示出示例性的OTEC热机。
图2示出示例性的OTEC电站。
图3示出另一示例性的OTEC电站。
图4示出图3的OTEC电站的热交换器配置的截面图。
图5示出壳管式热交换器。
图6示出板式热交换器。
图7示出另一板式热交换器。
图8示意性地示出多级热交换器系统。
图9示意性地示出多级热交换器系统的热交换模块。
图10示出四级热交换器系统的立体图。
图11示出图10的多级热交换器系统的热交换模块的立体图。
图12示出单个热交换器阵列的立体图。
图13示出热交换器阵列的沿着图12的线13-13所见的立体截面图。
图13A示出图13的部分的放大图。
图14示出热交换板的平面图。
图15A示出凸缘连接器的端视图。
图15B示出图15A的凸缘连接器的分解侧视图。
图16示出包括凸缘连接器的歧管的部分的侧截面图。
图17示出夹具的立体图。
图18示出热交换器阵列的部分的截面示意图。
图19示出传统的高压蒸汽循环的P-h图。
图20示出热循环的P-h图。
图21示出双侧板的膨胀部分的截面图。
图22示出单侧板的膨胀部分的截面图。
图23是用于制造具有歧管的热交换器阵列的方法步骤的流程图。
图24示出具有空气注射入口的板的示意性平面图。
图25示出具有空气注射入口的另一板的示意性平面图。
图26示出具有突出部的板的部分的平面图。
图27示出板堆叠体和用于使堆叠体中的板对齐的对准夹具。
图28示出沿着图26的线28-28的截面图。
图29示出图28的在切割和板被接合以形成歧管室之后的截面图。
图29A是具有搭接接头的歧管供应室的局部截面图。
图30示出填料室的分解图。
图31示出在填料室中配置有突出部的热交换器堆叠体的示意性侧视图。
图32示出歧管的凸缘连接器利用夹具被连接的两个热交换器阵列的侧视图。
图33示出部分组装的蒸发器单元的切除立体图。
图34A示出另一凸缘连接器的端视图。
图34B示出图34A的凸缘连接器的分解侧视图。
图35是示出另一凸缘连接器的冷凝器歧管的截面图。
图36是蒸发器热交换板的俯视立体图。
图37是图36的热交换板的沿着线37-37所见的部分的截面图。
图38是图36的热交换板的俯视图。
图39是冷凝器热交换板的俯视立体图。
图40是图38的热交换板的沿着线40-40所见的部分的截面图。
图41是图39的热交换板的俯视图。
图42是图38和图41的热交换板的沿着线42-42所见的部分的截面图。
图43是图38和图41的热交换板的沿着线43-43所见的部分的截面图。
图44是图38和图41的热交换板的沿着线44-44所见的部分的截面图。
图45是图38和图41的热交换板的沿着线45-45所见的部分的截面图。
图46是示出区域1、区域2和区域3关于板的位置的热交换板的俯视图。
图47是被防护层包围的阵列的顶端部图。
图48是图47的阵列和防护层的立体图。
图49是图48的包括把手的阵列和防护层的立体图。
在不同的附图中用类似的附图标记表示类似的元件。
具体实施方式
这里对高效、多级热交换装置和系统进行说明。提出如下示例性实施方式：高效、多级热交换装置和系统被用在OTEC电站中，其中，热水供给管道和冷水供给管道以及热交换器在结构上与浮式平台或陆基平台(land based platform)一体化，并且该热交换装置和系统被用来驱动热机。如上所述，OTEC是用储存在地球海洋中的来自太阳的热能来发电的工艺。OTEC工艺利用了在热带地区发现的热的表面水和冷的深层水之间的温差向兰金循环(Rankine cycle)提供动力，其中热的表面水用作热源，冷的深层水用作冷源(heatsink)。兰金循环的涡轮机驱动用于产生电力的发电机。
尽管这里是在应用于OTEC电站的情况下对热交换装置和系统进行说明，但热交换装置和系统并不限于使用在OTEC电站中。例如，这里说明的热交换装置和系统在诸如蒸汽排放冷凝器和其他余热转换装置、以及核燃料站和太阳能海水淡化站的被动式冷却系统等要求高效热交换的其他应用中也将是可用的。图1示出典型的OTEC兰金循环热机10，该热机10包括热海水入口12、蒸发器14、热海水出口15、涡轮机16、冷海水入口18、冷凝器20、冷海水出口21、工作流体管道22和工作流体泵24。
在操作中，热机10可以使用多种工作流体中的任何一种，例如，诸如氨等商业制冷剂。其他工作流体可以包括丙烯、丁烷、R-22和R-134a以及它们的代替物。大约75°F和85°F之间或者更高温度的热海水经由热海水入口12被从海洋表面或比海洋表面稍低的位置抽取，进而对穿过蒸发器14的氨工作流体进行加热。氨沸腾产生大约9.3标准大气压(atm)的蒸汽压。蒸汽沿着工作流体管道22被输送至涡轮机16。氨蒸汽在穿过涡轮机16时膨胀，产生了驱动发电机25的动力。然后氨蒸汽进入冷凝器20，在那里氨蒸汽被从大约3000英尺深的深层海洋抽取的冷海水冷却为液体。冷海水以大约40°F的温度进入冷凝器。在冷凝器20中的温度为大约51°F的氨工作流体的蒸汽压为6.1标准大气压。因此，显著的压力差可用于驱动涡轮机16并产生电力。当氨工作流体冷凝时，液态工作流体经由工作流体管道22被工作流体泵24泵回至蒸发器14内。
图1的热机10与大多数蒸汽涡轮机的兰金循环实质上相同，除了OTEC由于利用不同的工作流体和较低的温度及压力而不同。图1的热机10也与商业制冷设备相似(例如，使用电能的热泵)，除了OTEC循环沿相反的方向运行使得热源(例如，热海水)和冷的冷源(例如，深层海水)被用于产生电力。
图2示出传统浮式OTEC电站200的组成部件，这些组成部件包括：船舶(vessel)或平台210、热海水入口212、热水泵213、蒸发器214、热海水出口215、涡轮发电机216、冷水管217、冷水入口218、冷水泵219、冷凝器220、冷水出口221、工作流体管道222、工作流体泵224和管连接部230。OTEC电站200还可以包括发电、转换和传输系统、诸如推进器、推动器等位置控制系统或者锚泊系统(mooring system)以及各种辅助和支持系统(例如，人员住宿、应急电源、饮用水、污水和废水、消防、损害控制、储备浮力以及其他常见的船上或海事系统)。
利用图1和图2中的基本的热机和系统实现的OTEC电站具有3％或更小的相对低的整体效率。由于该低的热效率，所以产生每千瓦电力的OTEC操作都需要大量的水流过电力系统。这进而需要具有大的热交换表面积的大的热交换器。
本文中描述的系统和途径解决了技术挑战，以提高OTEC操作的效率并且降低构造和操作成本。
本文中描述的OTEC热机10利用用于最大效率和最大发电的高效热循环。沸腾和冷凝过程中的热传递以及热交换器材料和设计均限制了从每磅热海水能够提取出的能源的量。蒸发器214和冷凝器220中使用的热交换器利用大的热水和冷水流量以及低的水头损失(head loss)以限制寄生载荷。热交换器也提供高的热传递系数以提高效率。热交换器包含被调节成适应(tailor)热水入口温度和冷水入口温度的材料和设计，以提高效率。热交换器设计能够使用材料用量低的简单的构造方法，以降低成本和体积。
涡轮发电机216具有内部损失低的高效率，并且还可以被调节成适应工作流体以提高效率。
图3示出提高以前的OTEC电站的效率并且克服与其相关联的多个技术挑战的OTEC系统的实施。该实施包括船舶或平台用柱筒(spar)，柱筒上一体设置有热交换器和相关联的热水管路和冷水管路。
柱筒310容纳有用于与OTEC发电站一起使用的一体化多级热交换系统。柱筒310包括在浸没部311上面的平台360，浸没部311在水线305下方。浸没部311包括热水引入部340、蒸发器部344、热水排放部346、冷凝器部348、冷水引入部350、冷水管351、冷水排放部352、机械甲板部(machinery deck portion)354。
在操作中，75°F和85°F之间的热海水通过热水引入部340而被引入并且通过结构一体化的热水管道(未示出)在柱筒310中向下流动。由于OTEC热机所需的水流量大，所以热水管道将水流以500,000gpm和6,000,000gpm之间的流量引导至蒸发器部344。该热水管道具有6英尺和35英尺之间或更大的直径。由于该尺寸，所以热水管是柱筒310的垂向结构构件(vertical structural member)。热水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，热水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。
热水然后流过蒸发器部344，该蒸发器部344容纳有用于将工作流体加热至蒸汽的、被构造为用作蒸发器314的一个或多个堆叠式多级热交换器。热海水然后经由热水排放部346从柱筒310排放。热水排放可以位于或靠近温度与热水排出温度大致相同的海洋热层处，或者经由热水排放管被引导至或被引导靠近温度与热水排放温度大致相同的海洋热层的深度，以限制环境冲击。热水排放可以被引导至避免在热水引入或冷水引入情况下热回流的足够的深度处。
冷海水经由冷水管351被从2500英尺和4200英尺之间或更深的深度抽取，温度大约为40°F。冷海水经由冷水引入部350进入柱筒310。由于OTEC热机需要大的水流量，所以冷海水管道将水流以500,000gpm和6000,000gpm之间的流量引导至冷凝器部348。这样的冷海水管道具有6英尺和35英尺之间或者更大的直径。由于该尺寸，所以冷海水管道是柱筒310的垂向结构构件。冷水管道可以是强度足够垂向支撑柱筒310的大直径管。可选地，冷水管道可以是与柱筒310的构造为一体的通道。
冷海水然后向上流经冷凝器部348，该冷凝器部348容纳有被构造为用作冷凝器320的堆叠式多级热交换器，在那里冷海水将工作流体冷却成液体。冷海水然后经由冷海水排放部352从柱筒310排放。冷水排放可以位于或靠近温度与冷水排出温度大致相同的海洋热层处，或者经由冷水排放管被引导至或被引导靠近温度与冷水排放温度大致相同的海洋热层的深度。冷水排放可以被引导至避免在热水引入或冷水引入情况下热回流的足够的深度处。
机械甲板部354可以被定位成在垂向上位于蒸发器部344和冷凝器部348之间。将机械甲板部354定位在蒸发器部344的下方允许几乎直线状的热水从引入部流动经过多级蒸发器并且排放。将机械甲板部354定位在冷凝器部348的上方允许几乎直线状的冷水从引入部流动经过多级冷凝器并且排放。机械甲板部354包括涡轮发电机356。在操作中，来自蒸发器部344的被加热成蒸汽的热工作流体流到一个或多个涡轮发电机356。工作流体在涡轮发电机356中膨胀从而驱动用于发电的涡轮机。工作流体然后流到冷凝器部348，在那里工作流体被冷却成液体并且被泵送至蒸发器部344。
图4示出了在围绕柱筒310的周围配置了多个多级热交换器420的系统的实施。特别地，该热交换器被配置为沿着柱筒310的半径以轮辐状构造延伸。热交换器420可以是热机中使用的蒸发器或冷凝器。热交换的周围布局可以与柱筒310的蒸发器部344或冷凝器部348一起使用。周围配置可以支撑任何数量的热交换器420(例如，1个热交换器，在2个和8个之间的热交换器，8个至16个热交换器，16个至32个热交换器，或者32个或更多的热交换器)。一个或多个热交换器420可以沿周向配置在柱筒310的一个甲板或多个甲板(例如，2个、3个、4个、5个、或6个或更多的甲板)上。一个或多个热交换器可以在两个或更多个甲板之间沿周向错开地设置使得没有两个热交换器在垂向上上下对准。一个或多个热交换器可以沿周向配置成使得一个甲板中的热交换器在垂向上与相邻的另一个甲板上的热交换器对准。
单个热交换器420可以包括多级热交换系统(例如，2级、3级、4级、5级、或6级或更多级热交换系统)。在一些实施方式中，单个热交换器420被构造成为流过热交换器的热海水流、冷海水流和工作流体提供低压力损失。
已经发现：多级热交换器系统使得能够在例如OTEC热机的相对低的可用的温差范围内从非工作流体(例如水)中传递高能量给工作流体。OTEC电站的热力学效率是工作流体的温度如何接近水的温度的函数。热传递的物理现象决定了传递能量所需的面积随着工作流体温度接近水温度而增加。增加水的速度可以增大热传递系数以消除表面积的增加。然而，增加水的速度会大大增加泵取所需的电力，从而增加了OTEC电站上的寄生电载荷。
在一些实施方式中，采用四级混合级联热交换循环来提高热机的热力学的效率并由此降低在流体间传递所需的能量的大小。这进而被用于减小所需的热交换表面的面积的大小。混合级联热交换循环在共同待审的名称为“梯级(Staved)海洋热能量转换电站-冷水管连接”的美国专利申请No.13/209,944以及共同待审的名称为“海洋热能量转换电站”的美国专利申请No.13/209,865中有详细说明，这两篇专利文献以引用的方式全文合并于此。
热交换器的性能受流体之间可用的温差以及热交换器表面的热传递系数的影响。热传递系数基本上随着通过热传递表面的流体的速度而变化。流体速度越高需要的泵取功率越大，从而降低了电站的净效率。由于无垫片的开放流动的热交换器阵列沿着流体流动的方向堆叠，从而如下所述地允许流体自由地流动到并经过该系统，因此采用无垫片的开放流动的板式热交换器阵列的混合级联的多级热交换系统有利于较高的流体速度和较高的电站效率。由此，与将流体输送至板式热交换器阵列相关联的压力损失被基本消除，并且穿过阵列中的各板的热交换表面实现了相对高的流体流速。这可以用来与如下所述的一些传统的板式热交换器阵列相比较：在传统的板式热交换器阵列中，在将流体输送到板(特别是在输送线路中以及上述线路和板式热交换器阵列之间的开口中)时会引起较高的压力损失。在这种传统的板式热交换器阵列中，在将流体输送到板时引起的压力损失导致穿过阵列中的板的热交换表面的相对低的流体速度，从而导致相应低的热传递。混合级联多级热交换设计也有利于较低的通过热交换器的压降，垂向电站设计还有利于较低的穿过整体系统的压降。
一体的多级OTEC电站能够利用热带和亚热带区域中的表面水和深层海水之间的温差发电。通过用离岸船舶或平台的结构作为管道或流动通道能够消除用于海水的传统的管路线路。可选地，热海水管路线路和冷海水管路线路可以使用为船舶或平台提供垂向或其他结构支撑的足够的尺寸和强度的管道或管。这些一体化的海水管道段或通道用作船舶的结构构件，从而降低了另外增加钢材的需要。作为一体化的海水通道的一部分，多级热交换器系统提供了多级的工作流体蒸发而无需外部的水喷嘴或管路连接。一体的多级OTEC电站允许热海水和冷海水沿着其自然的方向流动。热海水在被排放到海洋的较冷的区域之前被冷却时向下流过船舶。采用相似的方式，来自海洋深处的冷海水在被排放到海洋的较热的区域之前被加热时向上流过船舶。这样的配置避免了改变海水流动方向的需要并且避免了相关联的压力损失。该配置也降低了需要的泵取能量。
多级热交换器系统允许使用混合级联OTEC循环。在多级热交换器系统中，热交换器被堆叠以形成多个热交换器级或者热交换器段，海水连续地通过该多个热交换器级或热交换器段以使工作流体适当地沸腾或冷凝。在蒸发器段中，热海水通过第一级，在该第一级处随着海水被冷却热海水使一些工作流体沸腾。然后热海水沿着堆叠体向下流到下一个热交换器级并且使另外的工作流体以稍低的压力和温度沸腾。该过程沿着整个堆叠体顺次地发生。在热交换器系统的每一级或每一段都将工作流体蒸汽提供给产生电力的专用涡轮机。每个蒸发器级均在涡轮机的排出口处具有对应的冷凝器级。冷海水沿着与蒸发器相反的顺序通过冷凝器堆叠体。
OTEC系统就其本质而言需要大量水，例如100兆瓦的OTEC电站可能需要比类似大小的燃烧式蒸汽电站所需的水多例如高达多个数量级的水。在示例性实施中，25MW的OTEC电站可能需要将大约1,000,00gpm的热水供给至蒸发器并且将大约875,000gpm的冷水供给至冷凝器。泵取水所需的能量与小温差(大约35°F至45°F)一起作用在增加了构造成本的同时还压低了效率。
目前可用的热交换器不足以处理大量的水和OTEC热交换操作所需的高效率。如图5所示，壳管式热交换器包括一套管。这些管中的一组包含必须被加热或被冷却的工作流体。第二非工作流体在整个正被加热或正被冷却的管上运行使得该非工作流体能够提供热或吸收所需的热。这组管被称作管束并且可以由平管、长翅状管等等不同类型的管制成。壳管式热交换器典型地用于高压应用。这是因为壳管式热交换器归因于其形状所以结实。壳管式热交换器对于OTEC操作的低温差、低压、高容量的本质而言不是理想的。例如，为了输送OTEC操作所需的大体积流体，传统的壳管式热交换器将需要与高压力损失以及高泵取能量相关联的复杂的管路配置。另外，传统的壳管式热交换器难以制造、安装和维护，特别是在诸如离岸平台等的动态环境中。壳管式热交换还需要精确的组装，特别是对于壳管连接和内部支撑而言。此外，壳管式热交换器通常具有低的热传递系数并且在能够容纳的水的体积方面受到限制。
图6示出了板框式热交换器。板框式热交换器可以包括具有非常大的表面积的多个薄的、稍微分离的板和用于热传递的流体流动通道。这样的堆叠板式配置可以在给定空间内比壳管式热交换器更加有效。垫片和钎焊技术方面的进步使得板式热交换器越来越实用。当用在开环中时，这些热交换器一般是垫片型的，以允许定期拆卸、清洗和检查。诸如浸钎焊和真空钎焊板品种等的永久粘结板式热交换器通常被指定用于诸如制冷等的闭环应用。板式热交换器还在所使用的板的类型和这些板的构造方面不同。一些板可以被标记出“人字形”或其他图案，而其他板可以具有经过加工的散热片(fin)和/或槽。
然而，板框式热交换器在OTEC应用上具有一些显著的缺点。例如，这些类型的热交换器可能要求复杂的管路配置，这样的配置不容易容纳OTEC系统所需的大量的水。通常，垫片必须在各板对之间被精确地装配和维护，并且需要利用螺栓施加到板和垫片的显著的压缩力以维持垫片密封。即使只有一个出故障的板，板式热交换器典型地也需要完整的拆卸以检查和修理。板式热交换器所需的材料会被限制为昂贵的钛和/或不锈钢。这些类型的热交换器天然地提供工作流体与非工作流体之间的相对相等的流动面积。流体之间的流量比典型地为1:1。如可以从图6看出的，供给端口和排放端口典型地设置于板的正面，减小了总的热交换表面积并且使各工作流体和非工作流体的流路变得复杂。此外，板框式热交换器包括穿透所有板的用于喷嘴的复杂的内部电路。该复杂的流路还带来对热传递并无裨益的显著的压力损失。
参照图7，提出了通过设置如下的热交换器来克服上述板式热交换器的一些限制：在该热交换器中，工作流体经由接合到板的侧边缘的管被供应至各个板以及被从各个板排出从而减少由工作流体导致的在板面中的阻碍或对水流的障碍。在这种热交换器板中，各管的一端利用焊接连接被接合到板，管的另一端利用焊接或机械接合连接被接合到集管(header)。然而，如以下将讨论的，各板需要多达4个入口连接和8个出口连接。在每线性英尺(linear foot)大约20个板的密度下，在20英尺模块中需要多达4800个单独连接。这造成了生产后勤问题(logistics problem)以及质量控制问题。当在OTEC热机10中采用这种方式时，这种连接还会被暴露于海水环境。
为了克服上述热交换器的局限性，设置了一种无垫片的开放流动的热交换器。在一些实施中，单个板以使得各板之间存在间隙的方式水平地排列在柜中。用于工作流体的流路按能提供高的热传递的图案(例如交替的蛇形、人字形、Z字形图案，等等)运行通过各板的内部。如下所述的，工作流体通过设置在板侧面的歧管进入各板，以减小由工作流体引起的在板面的阻碍或者对水流动的障碍。诸如水等的非工作流体上下地流过柜并且填充各开放流动的板之间的间隙。在一些实施中，非工作流体与开放流动的板的所有侧面接触或者仅与开放流动的板的前表面和后表面接触。
包括用于供应和排出工作流体的歧管的无垫片的开放流动的热交换器完全排除了管连接到集管的使用。在一些情况中，入口连接和出口连接与板形成为一体并在组装工序中被焊接到相邻的板。一旦这些连接被焊接，如以下所述的，该组件能够被在各筒(cartridge)之间流动的环氧树脂包围以为组件提供结构上的加固并防止海水与焊接的表面接触。
参照图8，多级热交换系统520的实施方式包括呈上下堆叠构造的多个热交换模块521、522、523和524。在该实施方式中，各模块521、522、523和524对应于系统520的级。在一些实施中，例如当被用作柱筒310中的蒸发器314时，堆叠的热交换器模块容纳经由系统520从第一蒸发器模块521向下流动到第二蒸发器模块522、到第三蒸发器模块523、再到第四蒸发器模块524的热海水570(图8)。在其他实施中，例如当被用作柱筒310中的冷凝器320时，冷海水570经由系统520从第一冷凝器模块531向上流动到第二冷凝器模块532、到第三冷凝器模块533、再到第四冷凝器模块534。在实施方式中，与热海水或冷海水的上下流动相比，工作流体580经由工作流体管道在各热交换器模块中水平流动。热交换器系统520的上下的多级热交换设计有助于一体化的船舶和热交换器设计(即柱筒)，该设计还消除了对热交换器各级之间的互连管路的需求，并且该设计确保了实际上能够在整个热传递表面上出现所有热交换器系统的压降。因此，水的流动方向可以是从顶部到底部或从底部到顶部。在一些实施方式中，流动方向可以是水在被加热或冷却时的自然流动方向。例如，当冷凝工作流体时，由于水被加热，所以水能够在对流的自然方向上经由上下堆叠的模块配置从底部向顶部流动。在另一个实施方式中，当蒸发工作流体时，由于水被冷却，所以水能够从顶部向底部流动。在又一实施方式中，非工作流体流能够在水平方向上穿过系统，也就是，从左到右或从右到左。在其他实施方式中，流动方向可以是上下的、水平的或上下方向与水平方向的结合。
图9示意性地示出多级热交换器系统520的单个热交换器模块524的细节。热交换器模块524支撑多个热交换板1022。非工作流体570上下地流经热交换器模块524并经过各个板1022。实线箭头表示非工作流体570(本示例中为水)的流动方向。
开放流动的热交换模块524包括柜正面1030和柜侧面1031。柜正面1030的对面是柜正面1032(未示出)，并且柜侧面1031的对面是柜侧面1033。柜正面1030、1032和柜侧面1031、1033形成了腔室或水管道，非工作流体在几乎没有由于管路引起的压力损失的状态下流过该腔室或水管道。与参照图6的上述采用垫片的板式热交换器相比，开放流动的热交换器模块524利用柜正面、柜侧面形成了包含非工作流体570(例如海水)的流动室，而不是利用板之间的垫片形成包含非工作流体580的流动室。因此，开放流动的热交换模块524有效地免除了垫片。该系统的这一方面提供了优于依靠垫片使工作流体与能量提供介质(例如海水)隔离的其他板框式热交换器的显著优点。例如，二十世纪八、九十年代在NELHA进行的铝板框式热交换器的腐蚀试验不得不在仅六个月后停止，这是因为在由于广泛侵蚀引起的生物沉积物所在的垫片周围存在如此多的泄漏。使用垫片的板框式热交换器依靠压缩力使垫片与板之间密封。要组装这样的单元需要额外的空间来插入板和未受压的垫片，然后将螺栓阵列拧紧至原长度的大约50％。申请人识别出垫片问题是OTEC系统中使用板框设计的主要障碍。
另外，与用于热交换板的侧边缘安装的出入端口组合的模块式方法避免了典型地设置在板式热交换器系统的正面的供给端口和排放端口(例如见图5)的需要。该方法增加了各板的总的热交换表面积，并且使工作流体和非工作流体两者的流路简化。去除板之间的垫片还去除了可能引起流动阻力的显著阻碍。无垫片式开放流动的热交换模块能够降低背压和相关联的泵取需求，因此减小了OTEC电站的寄生载荷，并且最终产生了能够传输至公用事业公司的增加了的电力。
在OTEC冷凝器320的情况中，模块524在底部对冷原水供给开放，并且在顶部开放以提供与上方的模块523的无阻碍的流体连通。上下串联中的最后的模块521在顶部对原水排放系统开放。
在OTEC蒸发器314的情况中，模块521在顶部对热原水供给开放，并且在底部开放以提供至下方的模块522的无阻碍的流体连通。上下串联中的最后的模块524在底部对热原水排放系统开放。
参照图10，用在蒸发器314中的多级热交换器系统520的示例性实施方式包括四个热交换器模块521、522、523、524。在该实施方式中，各热交换器模块对应于四级热交换器系统520中的一级。四个热交换器模块521、522、523、524在支撑框540上得到支撑，而支撑框540则由支柱550支撑在蒸发器部344中。四个热交换器模块521、522、523、524中的每个均相同，因此仅对最下方的模块524详细说明。
参照图11，热交换器模块524包括在装配架1002上被支撑的多个热交换器阵列1000。装配架1002被构造为当组装到多级热交换器系统520中时协同接合支撑框540。
参照图9和图12-图13，各热交换器阵列1000由多个开放流动的热交换板1022形成。各开放流动的板1022具有前表面1040、后表面1042以及周缘1044。在各个热交换阵列1000中，热交换板1022沿着垂直于前表面1040和后表面1042延伸的对准轴1005堆叠。在示出的实施方式中，对准轴1005以使得热交换板1022被配置为水平方向上对齐的方式水平延伸。另外，在相邻的板1022之间设置间隙1025。
前表面1040和后表面1042为各个板1022提供了非工作流体热传递表面。以下将说明的内部工作流体通路1055提供了各板1022的工作流体热传递表面。利用这里说明的表面形状、处理和间隔能够提高热传递表面效率。诸如铝合金的材料选择提供了比传统的钛基设计优越的经济性能。热传递表面能够包括100系列、3000系列或5000系列的铝合金。热传递表面能够包括钛和钛合金。
如图14所示，各板1022的周缘1044包括顶边缘1045、底边缘1046、右(后)边缘1047以及左(前)边缘1048。这里使用的方向的参照，包括术语前、后、顶、底、左和右是相对于说明蒸发器构造的图12示出的阵列的方向，但不限于此。例如，当热交换模块524被用在冷凝器构造中时，反向(关于对准轴1005在空间上转动180度)使得板的顶边缘1045成为底边缘1045’(未示出)。
板1022被配置为以水平对准的方式堆叠，使得第一板1051的后表面1042面对第二板1052的前表面1040，其中第二板1052与第一板1051相邻并在第一板1051的紧后方，并且各板1022的各周缘1044被对齐。为了确保在相邻的板1051、1052之间设置的间距均一(例如，确保各间隙1025的尺寸一样)，在堆叠体的前后侧设置有槽的背板1006、1008。第一背板1006被沿着堆叠体的前侧布置并且从突出部(tab)1070向板1022的底边缘延伸。第二背板1008被沿着堆叠体的后侧布置并且从板1022的顶边缘向底边缘延伸。背板1006、1008的面对堆叠体的表面包括用于接收堆叠体中的各板的对应的前边缘1048和后边缘1047的槽，并且槽间距与期望的板间距对应。
为了避免非工作流体流经装配架1002中的多个板1022的前表面1040和后表面1042时使原水流经间隙1025遇到障碍，工作流体580利用歧管1080在各个板1022的周缘处被供给到工作流体通路1055和从工作流体通路1055排出(图12)。例如，在示出的实施方式中，歧管1080沿着右边缘1048设置。
各个板1022包括在板内部的工作流体通路1055。歧管1080与热交换器阵列1000的各板1022的工作流体流路1055流体连通，并且向热交换器阵列的各板1022供给工作流体。
参照图14，工作流体通路1055可以包括多个平行的微型通道1912。在各开放流动的板中提供内部流路的微型通道被配置为交替蛇形图案，以使得工作流体580的流动大致垂直于非工作流体570的流动方向或相对于非工作流体570的流动方向交叉流动。另外，工作流体580通过蛇形图案的行进能够通常与非工作流体570的流动平行或与非工作流体570的流动方向相反。在一些实施方式中，可以实施导叶(guide vane)以及不同的流路尺寸，使得即使在流动方向相反时对于平行的通道之中的流动分布也能够将流体平滑地引导到随后的通道中。这些以及其他的通道的特征和构造在共同待审的名称为“梯级海洋热能量转换电站-冷水管连接”的美国专利申请No.13/209,944中有说明，该专利文献以引用的方式全文合并于此。
已经发现的是，工作流体沿着流路从液相改变为气相，因此，如果相同的流路面积被遍及整个热交换板等使用，工作流体压降将显著增加。为了减小流体在流动过程中伴随着其蒸气质量改变而产生的压降增加，每次通过的平行的流路的数量可以沿着工作流体的流路增加。例如，图14中的热交换板1022具有分别流入与底边缘1046相邻的对应微型通道1912的两个入口通路1911。微型通道1912以蛇形形状沿着板延伸。来自两个微型通道的流动在第一转换点1914处流入四个微型通道。来自四个微型通道的流动在第二转换点1916处流入六个微型通道。来自六个微型通道的流动在第三转换点1920处流入八个微型通道，并且来自八个微型通道的流动在第四转换点1922处流入十个微型通道。来自十个微型通道的流动在第五转换点1924处流入十二个微型通道。最后得到的十二个微型通道经由流体出口1918排出。
通过歧管1080对两个入口通路1911供给工作流体580。具体地，歧管1080包括在与对准轴1005平行的方向上延伸的歧管供应室1084，并且歧管1080与热交换阵列1000的各板1022的四个入口通路1911中的每一个流体连通。另外，歧管1080包括在与对准轴1005平行的方向上延伸的歧管排出室1086，并且歧管排出室1086是单独的并且在歧管1080中与歧管供应室1084间隔开。热交换器阵列1000的各板1051、1052的四个出口通路1918中的每一个均与歧管排出室1086流体连通，并且工作流体590从八个出口通路排出到歧管排出室1086。
为了有助于工作流体入口和工作流体出口与歧管1080的连接，歧管1080包括连接到板1022的右侧边缘1078的突出部1070。各个突出部1070与相应的板1022共面并且包括内部突出部入口通路1072，内部突出部入口通路1072与板1022的各工作流体入口通路1911流体连通并形成为板1022的各工作流体入口通路1911的延伸。另外，各突出部1070包括内部突出部出口通路1074，内部突出部出口通路1074与板1022的各工作流体出口通路1918流体连通并且形成板1022的各工作流体出口通路1918的延伸。如下所述地，在限定歧管供应室1084的一部分的各突出部中形成有入口开口1076，在限定歧管排出室的一部分的各突出部中形成有出口开口1078。
尽管歧管供应室1084和歧管排出室1086在结构上相似，被用作蒸发器的热交换器阵列1000用的歧管供应室1084比对应的歧管排出室1086小。这通过以直径比突出部出口开口1078的直径小的方式形成突出部入口开口1076来实现。这个尺寸差反映了如下事实：工作流体580以液体形式进入蒸发器，该工作流体以气体形式离开蒸发器。因此，当热交换器阵列1000被用于冷凝器时，歧管供应室1084比相应的歧管排出室1086大。
在使用中，被用作蒸发器的热交换器阵列1000用的歧管供应室1084的位置比歧管排出室1086低(即其位置离板的顶边缘1045更远)。这是因为工作流体580以液体形式从歧管供应室1084进入板1022，然后以气体形式离开歧管排出室1086。因此，当热交换器阵列1000被用于冷凝器时，歧管供应室1084和歧管排出室1086关于顶边缘1045的相对位置上下颠倒并且突出部1070被转移到板的底部。接下来，冷凝器的端口1085与使工作流体气体开口至将与通道1918连通的筒的顶部的通道1911连通。在通道1912中，气体改变相性，液体状的工作流体落入筒的底部并且在底部被收集，通道1912与端口1084连通，通过端口1084液态工作流体被排出。
在热交换器阵列1000中，歧管1080包括歧管箱(housing)1088，歧管箱1088包围了板1020的整个突出部1070。箱1088具有盒状外周并且可以由诸如聚硫酸酯系环氧树脂(polysulfate-based epoxy resin)(以下称作“环氧树脂”)等刚性材料形成。通过将包括了歧管供应室1084和歧管排出室1086(这里指蒸发器；当是冷凝器时供应室和排出室要反过来)的突出部1070包封在环氧树脂中，在相邻的突出部1070之间设置的焊接被加强并且提供了用于工作流体泄漏的辅助防护层。另外，将突出部1070包封在环氧树脂中用于设置和保持板间距，并且由于环氧树脂起到加强件的作用从而能够结构性地加强歧管1080。并且有利地，包封还密封了所有的接合部以避免其与非工作流体580(即海水)接触。
参照图15A和图15B，在热交换器模块524中的相邻热交换器阵列1000的歧管1080利用凸缘连接部2000进行连接，凸缘连接部2000允许在相邻的歧管1080之间的流体连通或连接到流体供给线路。具体地，凸缘连接部2000被设置在歧管供应室1084的各个端部以及歧管排出室1086的各个端部。各个凸缘连接部2000是截头圆锥形管，其包括形成为使得连接部第一端2002在尺寸上比相对的连接部第二端2010大的侧壁2016，并且连接部侧壁在连接部第一端2002和连接部第二端2010之间为弯曲的。
参照图12、图15、图16和图17，连接部第一端2002被用作使凸缘连接部2000与相邻歧管1080的对应的凸缘连接部2000a接合或使凸缘连接部2000与供应线路或排出线路2020接合。连接部第一端2002包括边缘2004，并且在连接部第一端2002的端面2008的槽2006中设置O型环2007。O型环2007提供防止工作流体580在连接表面处泄漏的密封。在使用中，夹具2022(图16和图17)被用于将一个凸缘连接部2000的连接部第一端2002固定到相邻的凸缘连接部2000a的连接部第一端2002，以使得对应的第二端面2008抵接，并且在对应的歧管室之间设置流体连接。用于此目的的示例性夹具是两个螺栓、高压卫生(sanitary)夹具。
连接部第二端2010具有与对应的歧管供应室1084以及歧管排出室1086相比稍大的外径，并且连接部第二端2010包括从连接部第二端2010的端面2012向外纵向延伸的台阶部或套管2014。台阶部2014具有与相应的歧管供应室1084以及歧管排出室1086的内径相对应的外径。在使用中，台阶部2014被接收到相应的歧管供应室1084以及歧管排出室1086中，并且连接部第二端2010被固定到歧管1080。在一些实施方式中，连接部第二端2010被焊接到歧管1080。
应该理解的是，各热交换器模块524、523、522和521具有类似的组成部件，并且以使得一个模块中的水平排列的板1022在下方模块中的所有板上方沿上下方向对齐的方式上下排列各热交换器模块。一个模块上的板1022之间的间隙1025在下方模块中的板1022之间的所有间隙1025上方沿上下方向对齐。
参见图18，其示出了热交换器模块524的一部分的侧截面图，热交换器阵列1000中的板配置的示例性实施包括至少一个第一开放流动的热交换板1051，其具有包括至少前表面1040和后表面1042的外表面。在使用中，外表面与诸如冷原水等的非工作流体570流体连通并且被其包围。第一开放流动的板1051还包括内部通道1055，内部通道1055与歧管1080流体连通并且被构造为经由歧管1080接收工作流体580。至少一个第二开放流动的热交换板1052以如下方式与第一开放流动的热交换板1051水平地对齐：使得第二板1052的前外表面1040面对第一板1051的后外表面1042。第一开放流动的板1051与第二开放流动的板1052大致相同。也就是，像第一板1051一样，第二板1052的外表面与非工作流体570流体连通并且第二板1052的外表面被非工作流体570包围。另外，第二板1052包括内部通道1055，该内部通道1055与歧管1080流体连通并且被构造为接收工作流体580。
第一开放流动的热交换板1051与第二热交换板1052以间隙1025间隔开，非工作流体570流过该间隙1025。工作流体580流经内部工作流体流路1055。
如上所述，在一些实施中，可以为单一级的混合级联OTEC循环专用单个热交换模块524。在一些实施中，四个热交换模块521、522、523、524如图8和图10所示和所述上下地排列。在一些实施中，可以使用具有连接至位于各板的周缘1044处的歧管1080的工作流体供给和排放线路的模块。这避免了使工作流体管道位于板的面1040、1042并且避免妨碍板1051、1052中的工作流体和沿着板1040、1042的非工作流体两者的流动。
例如，无垫片的多级热交换系统可以包括第一级热交换模块，第一级热交换模块包括一个或多个开放流动的板，该板与流过各所述一个或多个开放流动的板内的内部通道的第一工作流体流体连通。工作流体可以经由包括流体供应室1084和流体排出室1086(各室连接到各单个板的周缘)的第一歧管被从各板供给和排放。还包括在上下方向上与第一级热交换模块对齐的第二级热交换模块。第二级热交换模块包括一个或多个开放流动的板，该开放流动的板与流过各所述一个或多个开放流动的板的内部通道的第二工作流体流体连通。此外，第二工作流体经由包括流体供应室1084和流体排出室1086(各室连接到各单个板的周缘)的第二歧管从各单个板供给和排放。诸如水等的非工作流体首先流过第一级热交换模块，并且围绕一个或多个开放流动的板中的每一个板流动，而允许用于与第一工作流体进行热交换。非工作流体然后流过第二级热交换模块，并且围绕开放流动的板中的每一个板流动，而允许用于与第二工作流体进行热交换。
第一级热交换模块包括多个开放流动的板，该板以各板之间具有间隙的方式水平排列。第二级热交换模块也包括多个开放流动的板，该板在第二级热交换模块内以各板之间具有间隙的方式水平排列。第二级热交换模块中的多个开放流动的板和间隙与第一级热交换模块中的多个开放流动的板和间隙在上下方向上对齐。这样减小了非工作流体通过第一和第二级热交换模块的流动中的压力损失。非工作流体中的压力损失还通过使非工作流体从一个模块直接排放至下一个模块来减小，从而消除了对大量且巨大的管路系统的需要。在一些实施方式中，背板1006、1008用于保持阵列1000中的单个板1022的间距，并且背板1006、1008被定位成与板侧边缘1047、1048相邻以形成非工作流体所流过的管道。
归因于示例性四级OTEC系统中各级的各阵列中板的开放流动配置，非工作流体与工作流体的流量比从多数传统板式热交换器系统的典型的1:1增加。在一些实施中，非工作流体的流量比大于1:1(例如，大于2:1、大于10:1、大于20:1、大于30:1、大于40:1、大于50:1、大于60:1、大于70:1、大于80:1、大于90:1或者大于100:1)。
当多级配置的热交换模块被用作冷凝器时，非工作流体(例如冷海水)一般以低于非工作流体进入第二级热交换模块时的温度进入第一级热交换模块，非工作流体接着以低于非工作流体进入第三级热交换模块时的温度进入第二级热交换模块；以及非工作流体以一般低于进入第四级热交换模块时的温度进入第三级热交换模块。
当多级配置的热交换模块被用作蒸发器时，非工作流体(例如热海水)一般以高于非工作流体进入第二级热交换模块时的温度进入第一级热交换模块，非工作流体接着以高于非工作流体进入第三级热交换模块时的温度进入第二级热交换模块；以及非工作流体以一般高于进入第四级热交换模块时的温度进入第三级热交换模块。
当多级配置的热交换模块被用作冷凝器时，工作流体(例如氨)一般以低于工作流体离开第二级热交换模块时的温度离开第一级热交换模块，工作流体以低于工作流体离开第三级热交换模块时的温度离开第二级热交换模块；以及工作流体以一般低于离开第四级热交换模块时的温度离开第三级热交换模块。
当多级配置的热交换模块被用作蒸发器时，工作流体(例如氨)一般以高于工作流体离开第二级热交换模块时的温度离开第一级热交换模块，工作流体接着以一般高于工作流体离开第三级热交换模块时的温度离开第二级热交换模块；以及工作流体以一般高于离开第四级热交换模块时的温度离开第三级热交换模块。
本文说明了四级OTEC循环的实施的示例性热平衡并且概括地示出了这些概念。
在一些实施中，四级、无垫片的热交换系统包括具有一个或多个开放流动的板的第一级热交换模块，各板包括至少前、后表面由非工作流体包围的外表面。各板还包括内部通道，内部通道与流过内部通道的第一工作流体流体连通。工作流体通过各板的专用供给排放线路从各板供给和排放。
四级热交换系统还包括与第一热交换模块上下排列的第二级热交换模块，第二级热交换模块包括与第一级的板大致类似并且与第一级的板上下排列的一个或多个开放流动的热交换板。
还包括与第一和第二级热交换模块大致类似的第三级热交换模块，并且第三级热交换模块与第二级热交换模块上下排列。包括与第一、第二和第三级热交换模块大致类似的第四级热交换模块，并且第四级热交换模块与第三级热交换模块上下排列。
在操作中，非工作流体为了与在第一级热交换模块内部的各开放流动的板的内部流动通道内流动的第一工作流体进行热交互作用而流过第一级热交换模块并且包围各板。接着，非工作流体为了与第二工作流体进行热交互作用而接着流过第二级热交换模块。接着，在非工作流体为了与第三工作流体进行热交互作用而流过第三级热交换模块之前，非工作流体为了与第二工作流体进行热交互作用而接着流过第二级热交换模块。在非工作流体为了与第四工作流体进行热交互作用而流过第四级热交换模块之前，非工作流体为了与第三工作流体进行热交互作用而流过第三级热交换模块。非工作流体然后被从热交换系统排放。
OTEC操作的低温差(典型地在35°F与85°F之间)需要对非工作流体和工作流体的流动无阻碍的热交换板设计。此外，板必须提供足够的表面积以支持工作流体的低温升能量转换。
传统的发电系统典型地使用诸如蒸汽动力循环等的具有大升温系统的燃烧工艺。随着环境问题和不平衡的化石燃料供给问题变得更加普遍，诸如本文中描述的OTEC系统的实施等的并且使用诸如太阳热和海洋热等的可再生能源的低温升能量转换(LTLEC)系统变得更加重要。虽然传统的蒸汽动力循环使用来自燃烧工艺的废气并且通常处于非常高的温度，但是LTLEC循环使用了范围从30℃至100℃的低温能量源。因此，LTLEC循环的热源与冷源之间的温差比蒸汽动力循环中的小得多。
图19以压-焓(P-h)图示出了传统的高温蒸汽动力循环的工艺。蒸汽动力循环的热效率在30％至35％的范围内。
相比之下，图20示出诸如OTEC操作中使用的LTLEC循环等的LTLEC循环的P-h图。对于LTLEC循环而言典型的热效率为2％至10％。这几乎是传统的高温蒸汽动力循环的三分之一到十分之一。因此，LTLEC循环需要比传统的动力循环的热交换器的尺寸大得多的热交换器。
这里描述的热交换板提供了高的热传递性能并且还提供了在热源与冷源流体侧方面的低压降以限制对系统效率产生影响的泵取动力需求。为OTEC和其他LTLEC循环设计的这些热交换板可以包括以下特征：
1)具有微型通路设计的工作流体流路。该流路可以设置在滚扎结合(roll-bonded)的铝热交换板中，并且提供工作流体与非工作流体之间的大的活跃热传递面积；
2)在板之间设置间隙，以便显著地降低热源与冷源非工作流体上的压降。以该方式，能够在维持用于动力循环的工作流体的相对窄的流体流动面积的情况下提供用于热源和冷源流体侧的相对宽的流体流动面积；
3)渐进地改变在工作流体的流动通道内每次通过的通路数量的构造能够减小随着流动而物相改变(phase-changing)的工作流体的压降。板中通路的数量可以根据工作流体、操作条件和热交换器的几何形状来设计。
4)起伏的工作流体流动通道或通路构造能够提高热传递性能。
5)在工作流体流动通路内并且在平行的通路之中，流动通路的通路内壁的两端可以被弯曲成在流动方向反向时将流体平滑地导向随后通路，并且在平行的通路之中可以使用从通路内壁的端部到侧壁的不一致的距离。
以上特征能够减小系统中需要的泵取动力，并且能够提高热传递性能。
再次参见图13、图13A和图18，以立体图示出微型通路滚扎结合的热交换板1051和1052。提供了工作流体580与非工作流体570之间的交叉逆流(cross-counter flow)。当用作蒸发器时，非工作流体570(例如海水)从板1051、1052的顶边缘1045进入并从板1051、1052的底边缘1046离开。工作流体580(例如氨)在液体状态下经由歧管1080进入板的右侧边缘1048，并且由于从较高温度的非工作流体570吸收热能而蒸发并最终变成蒸汽相。产生的蒸汽经由歧管从右侧边缘1048离开板。
可以利用滚扎结合工艺来形成板1051、1052，使得工作流体流路1055被布置在板自身中。滚扎结合是通过加热加压使两个金属板金(panel)熔合到一起并接着利用高压空气使其膨胀从而在两个板金之间创造出流动通路的制造工艺。在熔合之前，碳基材料以与工作流体的期望流路对应的图案印刷在第一个板金的上表面。然后，将第二板金放置在第一板金的顶上，并且接着使两个板金滚动通过热轧压机以形成单个板，在那里，除了存在有碳材料的地方以外，使两个板金的所有地方都熔合。在为了创造出注射加压空气所在的端口而将振动芯轴插入两个板金之间的板的周缘处印刷至少一个通路。加压空气使金属变形并膨胀，从而在两个板金被阻止熔合到一起所在的位置处创造出内部通路。有两种方法可以完成滚扎结合：连续的，其中使金属连续地运行通过金属片材的热轧压机的脱离辊(offroll)；或者不连续的，其中单独地处理预切板金。
参照图21，在一些实施方式中，两个相同的板金1060被滚扎结合到一起以形成板1022’。例如，各板金1060大约为1.05mm至1.2mm厚、1545mm长并且350mm宽并且由相同的材料形成。通路形成于具有由上述吹塑成型产生的与工作流体流动通路的期望流路对应的图案的接合的金属板金之间。通路1055被形成为具有12mm至13.5mm之间的宽度w和大约2mm的高度h。由于用于形成板1022’的板金相同，两个板金1060在膨胀以形成内部通路的时候变形，并且该通路在各个板金1060内均匀地向外膨胀。得到的板1051的两侧(即前表面1040和后表面1042)成型(contoured)并且包括与在工作流体流路1055的位置处膨胀的部分对应的向外突出的区域。得到的板构造被称为双侧板构造。
当均具有双侧板构造的第一板1051和第二板1052被配置为在热交换阵列1000中的堆叠构造中彼此相邻时，板1051、1052可以被配置成嵌套式(nested)构造。在嵌套式构造中，板1051、1052可以被配置成彼此略微错开从而使一个板1051的突出区域位于相邻板1052的突出区域之间的空间。然而，尽管滚扎结合工艺提供了具有一致高度的板，其也具有纵向尺寸可重复性的固有问题。结果是，通道的各部分的位置不能被可靠地控制。例如，在一些情况下，板的突出区域不在从板1051的顶边缘1045起的设计距离。在对采用具有双侧板结构的板的热交换器进行实验测试时，发现由被定位成彼此直接相对的相邻板的突出区域导致的尺寸变化会导致板分隔间隙1025中的夹点(pinch point)，从而引起不期望的高的压力损失和低的热传递。
参照图22，在一些实施方式中，具有相同外周形状的两个不相同的板金1060、1062被滚扎结合到一起以形成板1022，该板1022解决了上述的关于双侧板构造的尺寸变化问题。两个板金1060、1062由于在屈服强度方面不同而不相同。这例如可以通过提供具有不同厚度或由不同材料形成的板金1060、1062来实现。通过如上所述的吹塑成型在具有与期望的工作流体流动通路1055的期望路径相应的图案的接合的金属板金之间形成通路。
为了在减小整个热交换板的容积的同时增加在两种流体之间活跃的热传递面积，工作流体流路1055具有相对宽的宽度w和相对低的高度h。通路的宽度w可以在大约10mm到大约15mm之间的范围内(例如，大于11mm，大于12mm，大于13mm，小于14mm，小于13mm，和/或小于12mm)。通道的高度h可以在大约1mm到大约3mm之间的范围内(例如，大于1.25mm，大于1.5mm，大于1.75mm，大于2mm，小于2.75mm，小于2.5mm，小于2.25mm和/或小于2mm)。通道之间的间距可以在大约4mm和大约8mm之间(例如，大于4.5mm，大于5mm，大于5.5mm，小于7.5mm，小于7mm和/或小于6.5mm)。
用于形成板的板金的屈服强度的差别被控制以使得在膨胀以形成内部通道的过程中仅有一个板金1060变形。在这种情况下，通道从板1022的仅一侧向外膨胀，从而使得板1022的一侧(即前表面1040)包括与工作流体流路1055的位置对应的向外突出的区域，并且板1022的另外一侧(即后表面1042)不发生变形并由此保持为一般平面。得到的板构造被称作单侧板构造。
在图10至图14所示的实施方式中，板1051、1052被形成为具有单侧板构造。当板1051、1052被配置为在热交换阵列1000的堆叠构造中彼此相邻时，板1051、1052被配置为使得一个板1052的前表面1040面对相邻的板1051的为一般平面的后表面1042，板1052的前表面1040具有与工作流体流路的位置处的膨胀部分相对应的突出区域。另外，相邻的板1051、1052被配置为在一个板1052的前表面1040和相邻的板1051的后表面1042之间存在间隙1025。在示例性实施方式中，假设板1051、1052之间的最小间隙尺寸在与突出区域相对应的位置处为2.2mm，板1051、1052之间的最大间隙尺寸在突出区域之间的位置处为4.8mm，则板1051、1052具有8mm的边缘间距。
由于滚扎结合工艺，单侧板构造减小了纵向尺寸不一致的影响。在该构造中，无论沿着长度方向在哪出现膨胀部分，相邻的板之间的间距具有一致的最大和最小空隙。试验结果确认了在流体流动和公称(nominal)间距相等的情况下，压降相对于双侧板构造显著降低。
另外，当形成具有单侧板构造的板的热交换器阵列时，不需要通过嵌套来使得一个板1051的突出区域位于相邻板1052的突出区域之间的间隔中。替代地，单侧板1051、1052被配置为使得一个板1052的具有突出区域的前表面1040面对相邻的板1051的具有一般平面的后表面1042。另外，突出区域在与对准轴1005平行的方向上对齐。尽管在平面表面上的热传递通常比具有突出区域的表面上的热传递要低，但是该效果被板之间的间隙1025中的由流体流路中存在突出区域而导致的湍流至少部分地抵消，导致低的压降但提高了间隙1025中的速度。
在所有实施方式中，在工作流体流路1055中设置了比工作流体流动面积大的非工作流体流动面积。这种配置减小了热源和冷源流体侧的压降。
参照图23，现在将说明热交换器阵列1000的制造方法。
在步骤3000中，该方法包括设置热交换器板1022，热交换器板1022具有按与工作流体580的期望的流体流路对应的预定图案配置的内部流体通路1055。在一些实施方式中，通过设置第一板金1060和第二板金1062并且以预定图案对第一板金1060的表面涂布结合防止剂而形成热交换器板1022。以使得结合剂被置于第一板金和第二板金之间的方式堆叠第一板金和第二板金。接下来使堆叠的第一板金1060和第二板金1062滚扎结合以形成单个板1022。
通过在第一板金1060和第二板金1062之间注射空气来使滚扎结合板1022膨胀以便形成具有内部通路1055的膨胀的板1022。为了控制内部通路1055的膨胀量(例如，高度h)并允许在板1022的不同区域中的不同膨胀量，板1022在通路膨胀过程中被置于膨胀夹具(未示出)中。膨胀夹具包括平行配置的一对刚性板，所述刚性板具有相互间距不同的各区域。板1022被置于夹具中以在注射空气时被夹在刚性板中。刚性板根据区域配置而在注射空气的过程中限制了通道的膨胀量。例如，在一些实施方式中，与突出部1070的位置对应的第一区具有第一高度h1，h1比对应于微型通道1912的位置的第二区的第二高度h2高。
参照图24，在一些实施方式中，空气注射入口1930被设置在板1022中以利于空气注射。空气注射入口1930形成于位于板1022的周缘1044的位置处的空气注射突出部1932。在示出的实施方式中，空气注射突出部1932和空气注射入口1930位于板1022的侧边缘1048的位置处。该位置由于在非工作流体570的流路的外侧并且由此不会负面影响流体流经压力因而是有利的。然而，空气注射突出部1032和空气注射入口1030能够被设置在周缘1044上的包括顶端1045和底端1046的其他位置(图25示出)。
在板1022膨胀之后，例如通过夹紧空气注射突出部1932然后例如通过焊接熔合来关闭空气注射入口1930。对除了堆叠体的最外面的板之外的所有用于形成堆叠体(下面将讨论)的板1022执行该过程。在堆叠体的两个最外面的板中，空气注射入口保持打开以允许在随后的诸如钎焊的制造步骤中在板中产生的气体能够排出；但是，该空气注射入口随后被关闭并被熔合。在一些实施方式中，空气注射突出部1032还被用作将热交换器模块524中的热交换器阵列1000连接到安装结构上用的连接位置。
在采用单侧板构造的实施方式中，该方法还包括提供具有比第二板金1062的屈服强度低的屈服强度的第一板金1060。接下来，在将空气注射到板中的步骤中，第一板金1060通过注射的空气的压力而变形，而第二板金1062在注射的空气的压力下保持不变形。
在步骤3001中，参照图26，在拦截内部通路1055的膨胀的板1022中切割开口。更具体地，在突出部1070中的拦截所有突出部入口通路1072的位置处形成突出部入口开口1076。另外，在突出部1070中的拦截所有突出部出口通路1074的位置处形成突出部出口开口1078。如图26所示，按照允许足够的加强的图案(见整个阴影区域)涂布结合防止剂以允许精确的板切割。例如，对应于出口开口和入口开口的内部空间的圆形区域没有被膨胀，但是替代的包括了接合部分。在一些实施方式中，例如利用具有有助于在切割时保持板对准的导向钻头(pilot drill)的高速孔锯或者利用诸如铣削或喷水的其他切割工艺来实现切割。
在采用第一板金1060相对于第二板金1062膨胀的单侧板构造的一些实施方式中，使切割开口在第一板金1060中(例如在板1022的膨胀侧)比在第二板金1062中(例如在板1022的非膨胀侧)大。
在步骤3002中，对热交换器阵列1000的每个板1022重复设置具有内部流体通路1055的热交换器板1022和在板1022中切割开口的步骤直到获得期望数量的切割板1022。
在步骤3003中，堆叠切割板1022以用于形成热交换器阵列1000。在示出的实施方式中，将48个板1022以前表面1040朝向同一方向且垂直于对准轴1005一个板在另一个板的上面的方式堆叠。特别地，板1022被配置在对准夹具中以提供具有对齐的周缘1044和切割开口1076、1078的板堆叠体2030。应当理解的是，可以堆叠更多的或更少的板1022，并且堆叠体2030中的板的数量由具体应用决定。
参照图27，通过在包括一个或多个对准装置的对准夹具中堆叠切割板能够实现板1022的精确对准。在示出的实施方式中，对准装置包括在夹具中策略性地放置的矩形杆2032和圆柱形芯轴2034。当板1022被置于夹具中时，切割开口1076、1078被置于芯轴2034上，并且以使得杆2032抵接设置在各板1022的周缘1044中的内部角部2036的方式载置周缘1044。
在堆叠的板采用单侧板构造的实施方式中，堆叠步骤还包括以使得一个板的第一外部热交换表面(即前表面1040)面对相邻的板的第二外部热交换表面(即后表面1042)的方式配置板1022。为了确保在相邻的板之间设置均匀的间距，如上所述，有槽的背板1006、1008被设置在堆叠体的前侧和后侧。
当切割板1022被堆叠和对齐时，从对准夹具中移除芯轴2034以如步骤3004所述的在对应的开口中形成歧管供应室1084和歧管排出室1086。将杆2032保持在合适的位置以在接下来的步骤中保持堆叠体2030对齐。另外，对准夹具保留在堆叠体组件上以形成阵列1000的茧状套(cocoon-like encasement)来保护阵列1000不被损坏，并且通过与背板1006、1008合作用于把非工作流体流导入板1022之间的间隙1025并穿过活跃热交换表面区域。
参照图29，在步骤3004中，第一板1051的切割开口1076、1078的切割边缘被接合到相邻的板1052的对应的切割边缘。当这些板在步骤3003中对齐时，与突出部入口通路1072和突出部出口通路1074对应的膨胀的区域也在与对准轴1005平行的方向上对齐。另外，参照图26、图28-图29，在板膨胀的过程中，形成板的至少一个板金1060变形以使得对应的板金1060、1062被局部地间隔开以设置工作流体通路1055。结果，第一板1051的后表面1042与相邻于第一板1051并位于第一板1051下方的第二板1052的前表面1040抵接或几乎抵接。对于堆叠体2030中的每个板1022，前表面1040沿着入口切割开口1076和出口切割开口1078中的每个的整周与位于上面的板的后表面1042接合。另外，堆叠体2030中的各个板的后表面沿着入口切割开口1076和出口切割开口1078中的每个的整周与位于下面的板的前表面1040接合。各个表面1040、1042通过例如钨隋性气体(TIG)焊接、自熔TIG焊接、溅射TIG焊接或激光焊接等被连续地接合以形成环状的不透液的接合部1082。在图29中，之字形线表示焊接。
由这个过程得到了堆叠体2030中的歧管供应室1084和歧管排出室1086，歧管供应室1084由沿着入口切割开口1076在各相邻的板的连接部处形成的一系列环状接合部1082部分地限定，歧管排出室1086(图29示出)由沿着出口切割开口1078与各相邻的板的连接部对应的环状接合部1082部分地限定。在堆叠体2030的各板中，如上所述，在各切割开口处的膨胀的区域与工作流体通路1055的通路1912流体连通。例如，歧管供应室1084经由突出部入口通路1072与入口通路1911流体连通。另外，歧管排出室1086经由突出部出口通路1074与出口通路1918流体连通。由于环状接合部1082的密封性，防止了板1022的内部通道1055和外部表面之间的流体连通，因而还防止了工作流体570和非工作流体570之间的流体连通。
参照图29A，在使切割开口在第一板金1060中(例如在前表面1040)比在第二板金1062中(例如在后表面1042)大的实施方式中，当堆叠板时，形成搭接接头(lap joint)L。对于堆叠体2030中的每个板1022，前表面1040在搭接接头L处(例如，沿着入口切割开口1076和出口切割开口1078中的每个的整周)被接合到其上面的板的后表面1042。另外，堆叠体2030中的各个板的后表面1042在搭接接头L处(例如，沿着入口切割开口1076和出口切割开口1078中的每个的整周)被接合到其下面的板的前表面1040。各个表面1040、1042通过例如焊接等被连续地接合以形成环状的不透液的接合部1082。
如前所述，至少在切割开口1076、1078附近使得突出部1070中的突出部流路1072、1074的膨胀量比板1022中的工作流体流路1055的膨胀量大(例如具有更大的通路高度h)。通过这种配置，在允许形成环状接合部的同时使相邻的板1022(即板1051、1052)之间的间距得以保持。
在步骤3005中，再次参照图16，凸缘连接部2000被焊接到最外侧板1022的面向外侧的表面上形成的突出部入口开口1076和突出部出口开口1078，以形成堆叠体2030。
对于最上方的板1022u，凸缘连接部2000在入口切割开口1076和出口切割开口1078这两者处被固定到前表面1040。例如，凸缘连接部2000被置于各个开口1076、1078并且沿着各个相应的开口1076、1078的整周被焊接到切割边缘以便提供不透液连接。另外，最上方的板1022u的后表面1042沿着入口切割开口1076和出口切割开口1078中的每个的整周被接合到其下方的板的前表面1040。各个表面1040、1042被连续的接合以形成环状的不透液的接合部1082。
对最下方的板1022l进行类似处理。即，对于最下方的板1022l，凸缘连接部2000在入口切割开口1076和出口切割开口1078这两者处被固定到后表面1042。例如，凸缘连接部2000被置于各开口1076、1078并且沿着各个相应的开口1076、1078的整周被焊接到切割边缘以便提供不透液连接。另外，最下方的板1022l的前表面1040沿着入口切割开口1076和出口切割开口1078中的每个的整周被接合到其上方的板的后表面1042。各个表面1040、1042被连续的接合以形成环状的不透液的接合部1082。
在步骤3006中，通过以下方式实现歧管1080的形成：通过以诸如环氧树脂的塑料材料来包封热交换器阵列1000的接合的突出部1070以形成在热交换器阵列1000中包围板1020的所有突出部1070的歧管箱1088。歧管箱1088由环氧树脂的外表面限定。
通过以下方式实现包封：通过将堆叠体2030的接合的突出部置于填料室(pot)2050中，用环氧树脂填充填料室2050使得环氧树脂填充填料室2050的内部和接合的突出部1070的外表面之间的空间，允许环氧树脂固化，接下来离开填料室2050以保持为组件的一部分。
参照图30，由于突出部1070具有从各个板的侧边缘1048延伸、包括了从其外表面向外延伸的凸缘连接部2000的复杂形状，填料室2050形成为能够在突出部1070上并且环绕凸缘连接部2000进行组装的多件式结构。特别地，填料室2050由诸如聚碳酸酯的塑料形成并且具有能够被组装到一起以形成容器的第一侧壁部2052、第二侧壁部2054和第三侧壁部2056。
第一侧壁部2052包括三个侧部2052a、2052b、2052c以及底部2052d。三个侧部2052a、2052b、2052c彼此邻接，并且三个侧部2052a、2052b、2052c还与底部2052d邻接并自底部2052d向上延伸。第一侧壁部2052的上边缘2052e包括尺寸为其中能够接收凸缘连接部2000的侧壁2006的半圆切除部(cut out portion)2052f。第二侧壁部2054包看三个侧部2054a、2054b、2054c。三个侧部2054a、2054b、2054c彼此邻接。另外，第二侧壁部2054的下边缘2054e包括尺寸为其中能够接收凸缘连接部2000的侧壁2006的半圆切除部2052f。第三侧壁部2056包括平板形式的单个侧部，该单个侧部具有第一边缘2056a、第二边缘2056b、第三边缘2056c和第四边缘2056d。
在组装填料室2050的过程中，热交换器单元1000以接合的突出部1070延伸到由三个侧部2052a、2052b、2052c以及底部2052d限定的空间中的方式定位在第一侧壁部的上，并且凸缘2000被布置在切除部2052f中。接下来，第二侧壁部2054以第一侧壁部的第一侧部2052a与第二侧壁部的第一侧部2054a邻接、第一侧壁部的第二侧部2052b与第二侧壁部的第二侧部2054b邻接、第一侧壁部的第三侧部2052c与第二侧壁部的第三侧部2054b邻接、并且凸缘2000被第二侧壁部切除部2052f接收的方式沿着第一侧壁部的上边缘2052e载置。最后，第三侧壁部2056被载置成与第一侧壁部2052和第二侧壁部2054邻接，以使得第三侧壁部第一边缘2056a与第一侧壁部2052的第一侧部2052a和第二侧壁部2054的第一侧部2054a邻接、第三侧壁部的第二边缘2056b与第一侧壁部2052的底部2052d邻接、以及第三侧壁部的第三边缘2056c与第一侧壁部2052的第三侧部2052c与第二侧壁部2054的第三侧部2054c邻接。当填料室2052如此组装之后，接合的突出部1070由侧壁部2052、2054、2056包围。
参照图31，在组装的构造中，填料室2050包括开口的上端并且制成在使所需的注射的环氧树脂填料量最小的同时能够包围接合的突出部1070的尺寸。用环氧树脂从底部开始填充填料室2050从而设置和保持板的间距、使所有接合部关于海水密封、并增强热交换器阵列1000。另外，环氧树脂提供补充的焊接接合部支撑以及组装加强，提供通常发生的对于内部流体自焊接的接合部泄漏的补充屏障并且提供为接合的板的阵列的固体安装支撑表面。在包封过程中，各凸缘连接部2000的流体通路闭合以利用包封材料来避免歧管室1084、1086的污染。在完成包封时，这些流体流路被清理以允许各个凸缘连接部2000的适当作用，特别是允许流体在这些流体流路中流通。一旦凸缘连接部2000被清理，就完成了热交换器单元1000。
参照图11和图32，当形成包括多个热交换器阵列1000的热交换器模块524时，各单个的热交换器阵列1000的歧管1080被接合到相邻的热交换器阵列1000的歧管1080。特别地，以使歧管供应室1084与模块524的各热交换器阵列1000流体连通的方式接合相邻的热交换器阵列1000的歧管供应室1084的各凸缘连接部2000。类似地，以使歧管排出室1086与模块524的各热交换器阵列1000流体连通的方式接合相邻的热交换器阵列1000的歧管排出室1086的各凸缘连接部2000。利用夹持件2020接合相邻的热交换器阵列1000的凸缘连接部2000。在示出的实施方式中，利用共用的歧管连接十二个热交换器阵列1000并且十二个热交换器阵列1000被设置为热交换器模块524。但是，应当理解的是，能够用更多数量或更少数量的热交换器阵列1000来形成模块524，而采用的数量取决于具体应用的需求。
参照图10和图33，由共用的歧管1080连接的热交换器阵列1000被支撑在装配架1002上。热交换器阵列1000、连接的歧管1080以及装配架1002一起形成热交换器级。在示出的实施方式中，多级热交换器系统520是允许使用混合级联OTEC循环的四级模块热交换器，并由此包括了四个热交换器模块521、522、523、524(图33中仅示出了第二级、第四级)。各模块在装配到热交换器系统520时均被接收到支撑框540并由支撑框540支撑。在一些实施方式中，各热交换器模块的装配架1002设置有轨道(未示出)，该轨道与包括在支撑框540中的对应的轨道2080接合以利于将热交换器模块521、522、523、524装配到热交换器系统520中。例如，通过安装在具有连续的塑料接触表面的轨道上，装配架1002能够允许用于移除和维护单个的阵列1000的线性提取。另外，在阵列维护的过程中，可以用临时的集管连接器替换模块524中的阵列1000直到阵列1000被替换，从而能够通过能量传递仅局部减小的方式来持续热交换器的平衡的操作。
在示出的实施方式中，柱筒310的蒸发器部344包括中央支柱550以及被支撑在支柱550的相反侧552、554中的每一侧的支撑框540。在冷凝器部320中设置类似的配置。
对凸缘连接器2000被焊接到岐管1080进行说明，凸缘连接器2000包括位于岐管室中的台阶部2014，从而提供了对准以及提高了焊接接合部的强度。但是，凸缘连接器2000并不限于通过焊接被固定到岐管1080。例如，凸缘连接器2000能够通过粘性结合被固定到岐管1080。参照图34A和图34B，在使用粘性结合的一些实施方式中，能够以使得结合表面具有更大面积的方式改进连接器第二端2010。特别地，改进后的凸缘连接部2000’可以包括具有径向向外伸出的唇缘(lip)2018’的连接器第二端2010’并且改进后的凸缘连接部2000’设置了大的结合表面积。
参照图35，入口凸缘连接器2000”被连接到冷凝器的岐管供应室1084，出口凸缘连接器2000”’被连接到对应的岐管排出室1086。入口凸缘连接器2000”具有比出口凸缘连接器2000”’小的直径，但在其他方面类似。为此，将仅说明入口凸缘连接器2000”。与图15B中示出的之前说明的凸缘连接部2000类似的，入口凸缘连接器2000”包括第一台阶部2014，第一台阶部2014具有与对应的岐管供应室1084或岐管排出室1086的内径对应的外径尺寸。另外，入口凸缘连接器2000”包括第二台阶部2015，第二台阶部2015被布置成与连接器第二端2010的端面2012相邻，以使得端面2012将台阶限定在第一台阶部2014和第二台阶部2015之间。第二台阶部2015具有比连接器第一端2002小并且比第一台阶部2014大的外径。在制造阵列的过程中，第一台阶部2014被插入并且焊接到突出部入口(或出口)开口。在该过程中，第二台阶部2015用于平衡热交换板1022的突出部1070和入口凸缘连接部2000”之间的冷源。
参照图36-图38，被构造为用在蒸发器中的可选的热交换板3022与之前参照图14说明的热交换板1022类似。鉴于这种类似性，将用同样的附图标记表示同样的特征。热交换板3022包括工作流动通路3055，工作流动通路3055包括多个平行的、具有可选的蛇形图案的微型通路1912。为了适应工作流体的相性改变(例如，从液相变成气相)，每次通过的平行流路的数量沿着工作流体的流路从通路入口到通路出口增加。例如，图36中的热交换板3022具有四个入口通道1911，该四个入口通道1911分别流入与底边缘1046相邻的对应的微型通路1912。微型通路1912从底边缘1046到顶边缘1045沿着板以蛇形图案延伸。这里，“顶部”或“底部”是指热交换板在常规操作位置上的取向。在图38中，以顶边缘1045位于底边缘1046的上方的操作位置示出蒸发器热交换板3022。来自四个微型通路的流动在第一转换点3914处流入六个微型通路。来自六个微型通路的流动在第二转换点3916处流入八个微型通路。来自八个微型通路的流动在第三转换点3920处流入十个微型通路，来自十个微型通路的流动在第四转换点3922处流入十二个微型通路。得到的十二个微型通路通过流体出口1918排出。
通过岐管供应室1084经由突出部入口通路1072对四个入口通路1911供应液体状态的工作流体580，十二个出口通路1918经由突出部出口通路1074将气体状态的工作流体排出到岐管排出室1086。
尽管岐管供应室1084和岐管排出室1086在结构上类似，岐管供应室1084与对应的岐管排出室1086具有不同的尺寸。例如，对于被构造为用作蒸发器中的阵列1000的一部分的热交换器板3022(图36-38)，岐管供应室1084比对应的岐管排出室1086小。这通过形成直径比突出部出口开口1078小的突出部入口开口1076来实现。该尺寸差反映了如下事实：工作流体580以液体形式在入口处进入蒸发器，因而与在出口处以气体形式离开蒸发器的相同流体相比所需的整个通道容积小。因此，对于被构造为用作冷凝器中的阵列1000的一部分的热交换器板4022(图39-图41)，岐管供应室1084比对应的岐管排出室1086大。
参照图39-图41，被构造为用于冷凝器中的热交换板4022与上述参照图36-图38说明的蒸发器热交换板3022类似。鉴于这种类似性，将用同样的附图标记表示同样的特征。热交换板4022包括工作流动通路4055，工作流动通路4055包括多个平行的具有可选的蛇形图案的微型通路1912。与平行于非工作流体的流动方向的轴线对齐的工作流体入口通路1911在冷凝器热交换板4022中的数量比在蒸发器热交换板3022中多，以便适应在冷凝器中的入口处的流体(例如气体)与在蒸发器中的入口处的流体(例如液体)相比的相对大的体积。为了适应工作流体的相性改变(例如，从气相变成液相)，每次通过的平行流路的数量沿着工作流体的流路从通路入口到通路出口减小。例如，图39中的热交换板4022具有八个入口通道1911，该八个入口通道1911均流入与顶边缘1045相邻的十二个对应的微型通路1912。微型通路1912从顶边缘1045到底边缘1046沿着板以蛇形图案延伸。在图41中，以相对于底边缘1046位于顶边缘1045上方的操作位置上下颠倒地示出冷凝器热交换板4022。来自十二个微型通路的流动在第一转换点4914处流入十个微型通路。来自十个微型通路的流动在第二转换点4916处流入八个微型通路。来自八个微型通路的流动在第三转换点4920处流入六个微型通路，来自六个微型通路的流动在第四转换点4922处流入四个微型通路。得到的四个微型通路通过流体出口1918排出。
通过岐管供应室1084经由突出部入口通道1072对八个入口通路1911供应气体状态的工作流体580，四个出口通路1918经由突出部出口通路1074将液体状态的工作流体排出到岐管排出室1086。
在冷凝器热交换板4022和蒸发器热交换板3022这两者中，微型通路1912从顶边缘1045到底边缘1046以蛇形图案沿着板延伸。微型通路1912包括直线区域1912a、弯折区域1912b和支流通道1912c。直线区域1912a平行于顶边缘1045地延伸。弯折区域1912b连接相邻的直线区域1912a并且与板的右边缘1047或左边缘1048相邻。支流通道1912c是在相应的弯折区域1912b处从微型通道分支的通道。支流通道1912c经由朝向板3022、4022的岐管端开口的支流流体入口1912d与相应的弯折区域1912b流体连通。特别地，各个支流通道1912c与微型通路1912在单个位置(即支流流体入口1912d)连通，各支流通道1912被布置在由相邻的弯折区域1912b和对应的板边缘1047或1048限定的大致三角形区域。各个支流通道1912c被分支以提供被构造为基本填充了大致三角形的区域的微型支流通道。将注意到的是，在其他实施方式中，支流通道被置于板3022、4022的没有被工作流体流路覆盖的区域，例如在蛇形微型通路1912和板边缘1045、1046、1047、1048之间的空间。通过将支流通道置于这些区域，为工作流体提供了较大的热交换表面积。另外，通过将支流通路置于这些区域中，基本上整个前表面被微型通路1912覆盖，由此防止了非工作流体未使用区域的集中(pool)并且减小了损失。
冷凝器热交换板4022和蒸发器热交换板3022均设置有形成在板右边缘1047中的切除部3066、4066。切除部3066、4066在与突出部1070相邻的位置处在板右边缘1047开口，并且当朝向前表面1040看时为大致V形。在制造阵列的过程中，填料室2050被接收到切除部3066、4066。通过提供切除部3066、4066，在制造热交换阵列1000的填料步骤中，与板1022没有形成V形切除部的阵列相比，填料室2050能够环绕各突出部1070的更大的部分，以使得环氧树脂环绕各突出部1070的更大部分载置。
如前所述，板1022包括多个区域，各个区域对应于微型通道1912被允许膨胀到特定高度的区域。蒸发器热交换板3022和冷凝器热交换板4022均设置有三个区域。例如，参照图38、图42-图46，蒸发器热交换板3022包括布置在突出部1070中的第一区Z1(例如岐管区域，参见图38、图42、图45和图46)，在突出部1070和底边缘1046之间沿着第一边缘1047延伸的第二区Z2(例如入口通道区域，参见图38、图43和图46)，以及在第一区Z1、第二区Z2和第二边缘1048之间延伸的第三区Z3(例如活跃区域，参见图38、图44和图46)。在这三个区域中，第一区Z1中的微型通道1912具有最大的高度。第二区Z2中的微型通道1912具有比第一区Z2中的微型通道的高度小、比第三区Z3中的微型通道1912的高度大的高度。
冷凝器热交换板4022也包括三个区域。参照图41-图46，类似于蒸发器热交换板3022，冷凝器热交换板包括布置在突出部1070中的第一区Z1(例如岐管区域，参见图41、图42、图45)，在突出部1070和底边缘1046之间沿着第一边缘1047延伸的第二区Z2(例如入口通道区域，参见图41、图43)，以及在第一区Z1、第二区Z2和第二边缘1048之间延伸的第三区Z3(例如活跃区域，参见图41和图44)。在这三个区域中，第一区Z1中的微型通道1912具有最大的高度。第二区Z2中的微型通道1912具有比第一区Z2中的微型通道的高度小、比第三区Z3中的微型通道1912的高度大的高度。
例如，在一些实施方式中，第一区Z1中的微型通道1912的高度大约为5mm，第二区Z2中的微型通道1912的高度大约为3mm，第三区Z3中的微型通道1912的高度为大约2mm。当配置在阵列1000中时，板3022、4022的第一区Z1中的微型通道与相邻的板抵接，以使得在第一区Z1中的相邻的板之间基本不存在间隙1025。在第二区Z2中，在相邻的板之间设置大约2mm的间隙1025，而在第三区Z3中的相邻的板之间设置大约4mm的间隙1025。区域Z1、Z2、Z3的高度和区域Z1、Z2、Z3的配置被构造为有助于将非工作流体的流动保持在热交换器板的“活跃区域”中。活跃区域是板的工作流体和非工作流体之间的实质上大部分的热交换发生的区域，并且该区域通常与蛇形流动通道和支流通道的位置对应。因此，如图46所示，热交换器板的“活动区域”通常位于第三区Z3。因为第三区Z3包括高度相对于第一区Z1、第二区Z2的高度较低的微型通道，这导致了堆叠时在相邻的板之间相对大的间隙1025，在该区域的流动障碍较少并由此使得非工作流体易于流动经过该区域。
参照图47-图49，在一些方面，热交换板1022、3022、4022的阵列1000可以被大致管状的壳体(例如，防护层(cocoon))5000围绕，该壳体围绕阵列1000。防护层5000包括侧壁5002、开口第一端5004以及与第一端5004相反的开口第二端5006。开口第一端5004限定了防护层5000的入口，以允许非工作流体被引入阵列1000的相邻的板1022、3022、4022之间的间隙1025。开口第二端5006限定了防护层5000的出口，以允许非工作流体在通过板的前表面1040和后表面1042之后离开间隙1025。侧壁5002还包括被构造为接收岐管1080的开口5008，以使得岐管1080在阵列被防护层5000围绕时延伸通过开口5008。
防护层侧壁5002是第一侧壁构件5012和第二侧壁构件5014的组件。各侧壁构件5012、5014具有从截面看时的L形状，并且第一侧壁构件5012和第二侧壁构件5014相同。特别地，第一侧壁构件5012包括第一侧5012a和布置在第一侧部5012a的端部并以与第一侧部5012a垂直的方式延伸的第二侧部5012b。类似地，第二侧壁构件5014包括第一侧部5014a和布置在第一侧部5014a的端部并以与第一侧部5014a垂直的方式延伸的第二侧部5014b。当组装时，第一侧壁构件5012与第二侧壁构件5014协作以形成具有矩形截面的管，该管包括侧部5012a、5012b、5014a、5014b。热交换板1022、3022、4022被支撑在槽5010中，槽5010形成于防护层侧壁5002的相对的侧部5012a、5014a的内表面。槽5010彼此平行并且在与对准轴1005平行的方向上均等地间隔开。槽间距与板1022、3022、4022之间的期望距离对应。各槽5010被构造为接收并支撑热交换器板。由于第一和第二侧壁构件5012、5014为L形状并且相同，防护层的组装被简化，并且确保了防护层5000的相对的侧部5012a、5014a上的槽5010的对准。
参照图49，在一些方面，防护层包括布置在一侧部5012a的外表面的把手5030。把手5030能够从侧部5012a被选择性地安装和拆卸，使用把手5030有助于操作阵列1000，特别是在热交换模块524中进行安装的时候。
防护层5000具有很多优点。例如，防护层5000被构造为支撑热交换器板1022、3022、4022并且帮助保持这些板在阵列的组装以及操作过程中处于平行的、间隔开的关系。例如，防护层5000将热交换器板保持为具有期望的板间距的平行的、堆叠的配置，由此可以不需要上述的关于热交换阵列1000的制造方法的步骤3003的对准夹具和/或芯轴，从而简化制造过程。防护层5000保护热交换器板1022、3022、4022在运输过程中以及在与热交换模块524中的其他阵列组装的过程中不受外部结构的损害。在使用中，防护层5000将非工作流体引入到阵列1000中，并且保持非工作流体在阵列中流动以及穿过活越区域。
另外，尽管这里是在应用于OTEC电站的蒸发器和冷凝器的情况下对热交换装置和系统进行说明，但是热交换装置和系统并不限于该应用。例如，这里说明的热交换装置和系统在诸如蒸汽排放冷凝器、其他余热转换装置、以及核燃料站的被动式冷却系统等要求高效热交换的其他应用中也将是有用的。
以上详细地说明了热交换器装置及其制造方法的精选的示例性实施方式。应当理解的是，这里仅对那些被认为能够明确实施方式的必要结构进行了说明。其他传统的结构以及系统的辅助和补充部件则被认为是本领域技术人员已知并理解的。并且，尽管以上说明了装置和方法的工作示例，但装置和方法并不限于上述工作示例，而是可以执行多种设计选择。

Claims (9)

1.一种热交换板，其包括：
前表面，所述前表面限定第一热交换表面,
后表面，所述后表面在所述板的与所述前表面相反的一侧，所述后表面限定第二热交换表面；以及
内部流体通路，所述内部流体通路布置在所述前表面和所述后表面之间，所述内部流体通路的表面限定第三热交换表面，
其中，
所述前表面包括与所述内部流体通路的位置对应的向外突出的区域，所述向外突出的区域在指定位置突出到由所述指定位置的所述内部流体通路的高度限定的程度，这里的高度指的是在垂直于所述前表面的方向上的尺寸，所述向外突出的区域包括：
第一区，所述第一区对应于第一内部流体通路的高度，以及
第二区，所述第二区对应于第二内部流体通路的高度，其中所述第一内部流体通路的高度比所述第二内部流体通路的高度高，
所述热交换板进一步包括对应于第三内部流体通路的高度的第三区，其中所述第二内部流体通路的高度比所述第三内部流体通路的高度高，
当将所述热交换板配置在阵列中时，在所述第一区中的相邻的热交换板之间基本不存在间隙，在所述第二区中在相邻的热交换板之间设置的间隙小于在所述第三区中在相邻的热交换板之间设置的间隙。
2.根据权利要求1所述的热交换板，其特征在于，所述第三区布置在所述内部流体通路沿着蛇形路径延伸的区域。
3.根据权利要求1或2所述的热交换板，其特征在于，所述热交换板进一步包括：
周缘，所述周缘与所述前表面和所述后表面相接，
流体入口，所述流体入口与所述内部流体通路连通，
流体出口，所述流体出口与所述内部流体通路连通，
歧管区域，所述歧管区域从所述周缘向外延伸，
其中所述流体入口和所述流体出口被布置在所述歧管区域中，并且
所述第一区被布置在所述歧管区域中，所述第二区被布置在所述歧管区域之外。
4.根据权利要求1或2所述的热交换板，其特征在于，所述热交换板进一步包括与所述前表面和所述后表面相接的周缘，其中所述周缘包括：
第一边缘，
第二边缘，所述第二边缘与所述第一边缘分隔开并且与所述第一边缘平行地延伸，
第三边缘，所述第三边缘在所述第一边缘和所述第二边缘之间延伸，以及
第四边缘，所述第四边缘与所述第三边缘分隔开并且与所述第三边缘平行地延伸，所述第四边缘在所述第一边缘和所述第二边缘之间延伸，
其中，
歧管区域从所述第三边缘向外延伸，
所述第一区布置在所述歧管区域中，
所述第二区沿着所述第三边缘在所述歧管区域和所述第二边缘之间延伸。
5.根据权利要求4所述的热交换板，其特征在于，所述第三区在所述第一区、所述第二区和所述第四边缘之间延伸。
6.根据权利要求1或2所述的热交换板，其特征在于，所述内部流体通路由所述热交换板的实质平坦的内部表面和所述热交换板的实质不平坦的内部表面限定。
7.根据权利要求3所述的热交换板，其特征在于，所述内部流体通路由所述热交换板的实质平坦的内部表面和所述热交换板的实质不平坦的内部表面限定。
8.根据权利要求4所述的热交换板，其特征在于，所述内部流体通路由所述热交换板的实质平坦的内部表面和所述热交换板的实质不平坦的内部表面限定。
9.根据权利要求5所述的热交换板，其特征在于，所述内部流体通路由所述热交换板的实质平坦的内部表面和所述热交换板的实质不平坦的内部表面限定。
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