JP2018524537A - 流体分配サブアッセンブリを有する蒸発器 - Google Patents

Abstract

蒸発器は、蒸発器シェルのシェル内部に配置された複数の熱素子を含む。作動流体を搬送するように構成された一次供給ラインはシェル内部に配置されている。複数の管セットは一次供給ラインに流体的に結合されており、各管セットは、第１の一次供給ラインに沿って、隣接する管セットから離れている。各管セットは複数の個々の管を含み、各管はシェル内部内の異なるサブセットの熱素子に近接している。各管は、複数の熱素子の少なくとも１つの外面に近接して作動流体を分配するように構成された複数の第１の流体分配ポイントを含み、それによって作動流体に接触する熱素子の表面積の量が増加し、蒸発器の総合効率が増加する。
【選択図】図１

Description

関連出願
本出願は、２０１５年６月１０日に出願された、「流体分配システム及び流下液膜式蒸発器（ＦＬＵＩＤ ＤＩＳＴＲＩＢＵＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＦＡＬＬＩＮＧ ＦＩＬＭ ＥＶＡＰＯＲＡＴＯＲ）」という名称の米国特許仮出願第６２／１７３，６５８号明細書の利益を主張する。同開示の全体を参照により本明細書に援用する。

実施形態は蒸発器に関し、特に、流体分配サブアッセンブリを有する蒸発器に関する。

蒸発器は、例えば熱交換器を含む多くの異なる用途に使用され得る。熱交換器用途では、１つ以上の熱素子と熱的に連通された蒸発器シェル内に作動流体を導入してもよく、これにより作動流体を蒸発させる。液満式蒸発器及びケトル式蒸発器では、熱素子は作動流体中に完全に又は部分的に浸される。この構成は、熱素子が比較的大量の作動流体に熱を伝達しなければならないことから比較的非効率である。その一方で、流下液膜式蒸発器は、作動流体を熱素子の上方で分配して、熱素子を溢れさせることなく作動流体が熱素子上に流れ落ちるようにする。このため、小規模用途において、流下液膜式蒸発器は熱素子の表面積全体を作動流体で濡れた状態に維持することが比較的容易であるため、液満式蒸発器及びケトル式蒸発器よりも効率的であり得る。しかしながら、より大規模な用途においては、加熱素子はより大型及び／又はより多数でなければならず、このことは従来の流下液膜式構成を用いて全熱素子の表面積を作動流体で濡れた状態に維持するのをより難しくする。その代わり、これらより大規模な用途における熱素子の多くの部分はドライアウトを生じる傾向があり、蒸発器の効率を低下させる。

より大規模の熱交換器の一例は海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）用途で使用され得る。従来のＯＴＥＣ用途では、蒸発器は、例えばアンモニアなどの低沸点を持つ作動流体が導入されるシェルアンドチューブ設計レイアウトを有してもよい。蒸発器の内部を通る管は比較的温暖な海面位の海水を搬送し、管と接触したアンモニアを蒸発させて、蒸発器と直列に設けたタービン発電機に動力を供給する。しかしながら、従来のＯＴＥＣ用途の大規模流下液膜蒸発器は３メートルを超える径を有することがあり、蒸発器の底部近辺の管の多くはドライアウトすることとなり得る。したがって、当該技術では、効率を向上させた大規模流下液膜式蒸発器に対する需要がある。

一実施形態では、蒸発器が開示される。蒸発器は、例えば、蒸発器シェルのシェル内部に配置された、温暖海水を搬送する管などの複数の熱素子を含む。アンモニアなどの作動流体を搬送するように構成された一次供給ラインは、例えば、シェル内部に配置されている。複数の管セットは一次供給ラインに流体的に結合されており、各管セットは、一次供給ラインに沿って、隣接する管セットから離れている。各管セットは複数の個々の管を含み、各管はシェル内部内の異なるサブセットの熱素子に近接している。各管は、複数の熱素子の少なくとも１つの外面に近接して作動流体を分配するように構成された複数の第１の流体分配ポイントを含む。この構成の利点の１つは、流体分配ポイントを蒸発器シェル全体にわたり３次元で分配することができ、それにより、熱素子の総外部表面積の濡れる割合が大きくなることである。その結果、熱素子による熱エネルギーのうち、蒸発器内の作動流体に伝達される割合が大きくなり、蒸発器の総合効率は増加する。

一実施形態では、蒸発器が開示される。蒸発器は、シェル内部を形成している蒸発器シェルを含む。蒸発器はシェル内部に配置された複数の熱素子を更に含み、各熱素子は、シェル内部と流体的に連通された外面を含む。蒸発器は、内部に配置された第１の一次供給ラインを更に含み、第１の一次供給ラインは作動流体を搬送するように構成されている。蒸発器は、第１の一次供給ラインに流体的に結合された複数の第１の管セットを更に含み、各第１の管セットは、第１の一次供給ラインに沿って、隣接する第１の管セットから離れている。各第１の管セットは複数の第１の管を含み、各第１の管は複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接する。各第１の管は複数の第１の流体分配ポイントを含み、各第１の流体分配ポイントは、複数の熱素子の少なくとも１つの外面に近接して作動流体を分配するように構成されている。

別の実施形態では、流体分配アッセンブリが開示される。流体分配アッセンブリは、作動流体を搬送するように構成された第１の一次供給ラインを含む。流体分配アッセンブリは、第１の一次供給ラインに流体的に結合された複数の第１の管セットを更に含み、複数の第１の管セットは、複数の熱素子間に配置されるように構成されている。各第１の管セットは、第１の一次供給ラインに沿って、隣接する第１の管セットから第１の距離離れている。各第１の管セットは複数の第１の管を含み、各第１の管は、複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接して配置されるように構成されている。各第１の管は複数の第１の流体分配ポイントを含み、各第１の流体分配ポイントは、複数の熱素子の少なくとも１つの外面に近接して作動流体を分配するように構成されている。

別の実施形態では、熱交換システムが開示される。熱交換システムは蒸発器を含む。蒸発器は、シェル内部を形成している蒸発器シェルを含む。蒸発器は、シェル内部に配置された複数の熱素子を更に含み、各熱素子は、シェル内部と流体的に連通された外面を含む。蒸発器は、内部に配置された第１の一次供給ラインを更に含み、第１の一次供給ラインは作動流体を搬送するように構成されている。蒸発器は、第１の一次供給ラインに流体的に結合された複数の第１の管セットを更に含み、各第１の管セットは、第１の一次供給ラインに沿って、隣接する第１の管セットから離れている。各第１の管セットは複数の第１の管を含み、各第１の管は複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接する。各第１の管は複数の第１の流体分配ポイントを含み、各第１の流体分配ポイントは、複数の熱素子の少なくとも１つの外面に近接して作動流体を分配するように構成されている。熱素子は、作動流体を気化するように構成されている。熱交換システムは、作動流体入口と、作動流体出口と、タービンと、を含むタービン発電機を更に含み、作動流体入口はシェル内部に流体的に結合されており、気化した作動流体を受け入れるように構成されており、タービンは作動流体入口と作動流体出口との間に流体的に結合されており、タービン内を通過する気化した作動流体に応じて電気エネルギーを発生するように構成されている。熱交換システムは、作動流体出口と第１の一次供給ラインとの間に流体的に結合された凝縮器を更に含み、凝縮器は、作動流体を凝縮し、凝縮した作動流体を第１の一次供給ラインに供給するように構成されている。

別の実施形態では、蒸発器を組み立てる方法が開示される。当該方法は、複数の熱素子を蒸発器フレーム内に配置するステップを含む。当該方法は、流体分配サブアッセンブリの複数の流体分配管を熱素子間に配置するステップであって、各第１の管は複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接する、ステップを更に含む。当該方法は、蒸発器フレーム及び流体分配サブアッセンブリを蒸発器シェル内に収めるステップを更に含む。

当業者であれば、添付図面に関連する以下の実施形態の詳細な説明を読むと本開示の範囲を理解し、その更なる態様を実現するであろう。

本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を成す添付図面は、本開示のいくつかの態様を示し、明細書と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。

一実施形態による、蒸発器フレーム及び第１の流体分配サブアッセンブリを含む蒸発器の構成要素の図である。 組み立てられた形態における図１の蒸発器の構成要素の図である。 組み立てられた形態における、第２の流体分配サブアッセンブリを更に含む図１の蒸発器の構成要素の図である。 一実施形態による、蒸発器の組み立て及び動作を示す図１〜図３の蒸発器の断面図である。 一実施形態による、蒸発器の組み立て及び動作を示す図１〜図３の蒸発器の断面図である。 一実施形態による、蒸発器の組み立て及び動作を示す図１〜図３の蒸発器の断面図である。 別の実施形態による、一体型流体分配サブアッセンブリを有する蒸発器フレームを含む蒸発器の構成要素の図である。 一実施形態による、蒸発器の動作を示す図５の蒸発器の断面図である。 一実施形態による、蒸発器を含むＯＴＥＣ発電システムの概略図である。 一実施形態による、蒸発器フレーム及び流体分配サブアッセンブリを含む蒸発器を組み立てる方法を示す流れ図である。

以下に記載する実施形態は、当業者による実施形態の実施を可能にする情報を示すと共に、実施形態の実施の最良の態様を示す。当業者であれば、以下の説明を添付図面の観点から読むと、本開示の概念を理解し、本明細書中で特に扱われないこれら概念の用途を認識するであろう。これら概念及び用途は本開示及び添付の特許請求の範囲の範囲内であると解釈すべきである。

本明細書中に記載される任意の流れ図は説明のため必然的にある順序で記載されるが、特に明示されない限り、実施形態は任意の特定のステップの順序に限定されない。本明細書中における、順序の、要素との併用は、「第１の管セット」及び「第２の管セット」など、類似又は同一の符号となる可能性のあるものを単に区別するためのものであり、本明細書で特に明示されない限り、優先順位、種類、重要度、又は他の属性を意味するものではない。本明細書中で数値と共に使用される用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、同数値よりも１０パーセント大きい又は同数値の１０パーセント未満の範囲内の任意の値を意味する。

一実施形態では、蒸発器が開示される。蒸発器は、例えば、蒸発器シェルのシェル内部に配置された、温暖海水を搬送する管などの複数の熱素子を含む。アンモニアなどの作動流体を搬送するように構成された一次供給ラインは、例えば、シェル内部に配置されている。複数の管セットは一次供給ラインに流体的に結合されており、各管セットは、第１の一次供給ラインに沿って、隣接する管セットから離れている。各管セットは複数の個々の管を含み、各管はシェル内部内の異なるサブセットの熱素子に近接している。各管は、複数の熱素子の少なくとも１つの外面に近接して作動流体を分配するように構成された複数の第１の流体分配ポイントを含む。この構成の利点の１つは、流体分配ポイントを蒸発器シェル全体にわたり３次元で分配することができ、それにより、熱素子の総表面積の濡れる割合が大きくなることである。その結果，熱素子による熱エネルギーのうち、蒸発器内の作動流体に伝達される割合が大きくなり、蒸発器の総合効率が増加する。

これに関連し、図１は、一実施形態による蒸発器１０の構成要素を示す。この実施形態では、蒸発器１０は、蒸発器シェル内部に配置された複数の熱素子１２を有する蒸発器シェル（図示せず）を含む。この実施形態では、熱素子１２は、熱流体１４を搬送するように構成されたパイプであるが、他の種類の熱素子１２を使用してもよいと理解すべきである。各熱素子１２は、蒸発器シェル内部と流体的に連通された外面１６を有する。熱素子１２は剛性円筒状蒸発器フレーム１８内に積み重ねられている。剛性円筒状蒸発器フレーム１８は、熱素子１２を既定のパターンで保持し、蒸発器１０の構造的支持を与えるように構成されている。図１の図では、蒸発器１０の内部要素をより明確に示すために熱素子１２は蒸発器フレーム１８の左上４分の１に配置されているが、使用時、熱素子１２は蒸発器フレーム１８の全体にわたり配置されると理解すべきである。

この実施形態では、蒸発器フレーム１８は、蒸発器フレーム１８の外周部に配列された複数の縦部材２０と、蒸発器１０の長さに沿って規則的な間隔を開けて縦部材２０に結合された複数の円形部材２２と、を有する。複数の交互に配された水平支持部材２４のセット及び垂直支持部材２６のセットは円形部材２２内で結合され、熱素子１２を所定の場所に保持し、蒸発器１０の剛性を高める。

従来の蒸発器（図示せず）では、作動流体は、作動流体が熱素子１２上を流れ落ちるように蒸発器フレーム１８の頂部において噴霧され得る又はそれ以外の手法で分配され得る。しかしながら、作動流体は最上部の熱素子１２と接触すると即座に蒸発し始める。したがって、多数の熱素子１２及び／又はより大型の熱素子１２を収容するより大規模な用途では、作動流体は蒸発器フレーム１８内の最下部の熱素子１２に到達する前に完全に気化する場合がある。他方では、蒸発器フレーム１８の頂部においてより多量の作動流体が導入される場合、最上部の熱素子１２は作動流体で事実上溢れる場合があり、それにより、最上部の熱素子１２が、液満式蒸発器及び／又はケトル式蒸発器に通常は関連付けられる非効率性を呈する原因となる。

これら及びその他の欠点に対処するために、本実施形態では、蒸発器１０は、蒸発器１０内に作動流体２９を分配するための流体分配サブアッセンブリ２８（１）を含む。流体分配サブアッセンブリ２８（１）は、作動流体２９を搬送するように構成された第１の一次供給ライン３０（１）を含む。この実施形態では、複数の第１のマニホールド管３２（１）は、第１の一次供給ライン３０（１）に沿って、規則的な間隔を開けて離れており、複数の管セット３４（１）は第１のマニホールド管３２（１）のそれぞれから延びている。このようにして、管セット３４（１）の個々の第１の管３６（１）のそれぞれは、マニホールド管３２（１）を介して第１の一次供給ライン３０（１）に流体的に結合されている。

第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）は蒸発器フレーム１８と組み合わせられ、各第１の管３６（１）は複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子１２に近接して配置されている。これに関連し、図２は、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）と組み合わせられた蒸発器フレーム１８を示す。各第１の管３６（１）は、複数の第１の流体分配ポイント３８（１）を含み、各第１の流体分配ポイント３８（１）は複数の熱素子１２の少なくとも１つの外面１６に近接して作動流体２９を分配するように構成されている。

上述の通り、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）の流体分配ポイント３８（１）は熱素子１２間に３次元で比較的均一に分配されていることから、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）によって熱素子１２の総表面積の濡れる割合が大きくなる。これによりまた、一番上の熱素子を溢れさせることなく一番下の熱素子１２を濡らすことを可能とし、蒸発器１０の総合効率は増加する。

この実施形態では、図１及び図２の蒸発器１０は海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）用途での使用に適しており、以下、ＯＴＥＣ用途の文脈において説明する。しかしながら、本明細書中の実施形態はこのようには限定されず、多くの他の種類の蒸発器用途に適用できることは理解すべきである。ＯＴＥＣシステムにおいて、例えば、ＯＴＥＣシステムで使用される熱蒸発器１０は熱流体１４として温暖海水を用いてもよく、熱素子１２（即ち、この実施形態では、温暖海水用パイプ）の数及び大きさはＯＴＥＣシステムの要件に基づき異なり得る。例えば、１００メガワットＯＴＥＣシステムなどの大規模ＯＴＥＣシステムでは、蒸発器１０は、例えば、約１３ｍｍ〜約２５．４ｍｍのパイプ内径を有する１８，０００個〜２０，０００個の熱素子１２を含んでもよく、蒸発器１０は約５メートルの総径を有する。より小電力のＯＴＥＣシステムでも、蒸発器１０は、例えば約５，０００個〜約１０，０００個の熱素子を含んでもよく、蒸発器１０は約３メートル〜約４メートルの総径を有する。この実施形態では、熱素子１２は正方形配列形状で配列されているが、熱素子１２は所望の通り、例えば、三角形又はダイヤモンド型配列形状などの他の形状で配列することができると理解すべきである。第１の管３６（１）及び第２の管３６（２）はまた、互いに非直交角度で方向付けられる。例えば、熱素子１２が三角形又はダイヤモンド型配列形状（図示せず）で方向付けられる場合、第１の管３６（１）及び第２の管３６（２）は互いに３０度又は６０度の角度であってもよい。例えば、供給ライン３０、水平支持部材２４、垂直支持部材２６、及び／又は熱素子１２を含む他の要素もまた、互いに異なる角度で配列されてもよい。

図１及び図２には２つの第１の管セット３４（１）のみを示すが、第１の一次供給ライン３０（１）は任意の数の第１の管セット３４（１）に結合してもよい。例えば、別の実施形態では、第３の流体分配サブアッセンブリ（図示せず）に、第１の管３６（１）及び第２の管３６（２）の両方に対し３０度である第３の角度で、複数の第３の管セット（図示せず）を配置することができる。

熱素子１２はまた、伝熱を促進するための種々の性質を有してもよい。例えば、熱素子１２は、熱素子１２の表面積を拡張するように加工された促進管であってもよい。例えば、いくつかの実施形態では、熱素子１２は、波形が付けられてもよく、溝が付けられてもよく、巻かれてもよく、機械加工されてもよく、刻みを付けられてもよく、粗面加工されても（例えば、サンドブラスト加工されても）よく、エッチングされても（例えば、プラズマエッチングされても）よく、焼結されてもよく、及び／又は多孔質材料などの異なる材料で被覆されてもよい。このように、各熱素子１２の外面１６は、所望の通り、均一であっても不均一であってもよい。動作時、蒸発器１０はまた、特定の用途に応じて水平に又は垂直に位置してもよい。

いくつかの実施形態では、第１の管セット３４（１）は互いから約０．６メートル〜約１．２メートル離れてもよい。いくつかの実施形態では、蒸発器１０は長さ８〜１０メートルであってもよい。いくつかの実施形態では、スペーシングは、Ｔｕｂｕｌａｒ Ｅｘｃｈａｎｇｅｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒｅｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ，Ｉｎｃ．（ＴＥＭＡ）のバッフルスペーシングの基準に準拠してもよい。第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）は、非限定的な例として、金属、プラスチック、複合物、セラミック、ステンレス（ＳＳ）、又はチタン（Ｔｉ）金属、熱可塑性樹脂、フッ素重合体等を含む任意の適切な材料を含んでもよい。

この例では、第１のマニホールド管３２（１）は、図１及び図２に示される熱素子１２の外周部に合致する、実質的に円弧に湾曲している。いくつかの実施形態では、第１の流体分配ポイント３８（１）は、非汚損及び／又は自己洗浄ノズルであってもよい。金属、プラスチック、複合物及び／又はセラミックノズルを含む任意の適切なノズルを用いてもよいと理解すべきである。他の実施形態では、第１の流体分配ポイント３８（１）は、第１の管３６（１）に加工される特徴を含んでもよい。第１の流体分配ポイント３８（１）は、パイプ全てに確実に到達するために十分に実証された噴射パターンを有してもよい。

蒸発器１０内における作動流体２９のより均一な分配を促進するために、複数の流体分配サブアッセンブリ２８を用いてもよい。これに関連し、図３は、蒸発器１０の一部として、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）の向きに対して横断方向の向きで組み立てられた第２の流体分配サブアッセンブリ２８（２）を示す。第２の流体分配サブアッセンブリ２８（２）は、第２の一次供給ライン３０（２）及び複数の第２のマニホールド管３２（２）を含む、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）に類似する特徴を含み、複数の第２の管セット３４（２）は第２の一次供給ライン３０（２）と流体的に連通されている。

第１の管３６（１）を第２の管３６（２）に対して実質的に垂直に方向付けることによって、流体分配ポイント３８（１）、３８（２）は熱素子１２の全体にわたり異なる規則的なパターンで位置し、作動流体２９は熱素子１２の全体に広がり、熱素子１２の可能な限り多くの総表面積１６に到達するようになる。この実施形態では、第１の管セット３４（１）は第２の管セット３４（２）と互い違いの配列で位置し、各第１の管セット３４（１）は蒸発器１０の長手方向の軸線に沿って、隣り合う第２の管セット３４（２）から既定の距離（例えば、１フィート以上）に位置している。このようにして、第１の管３６（１）及び横断方向に方向付けられた第２の管３６（２）は、熱素子１２の長さに沿って蒸発器１０の全長の範囲内に規則的な交互のパターンで分配されている。

この実施形態では、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）の第１の管３６（１）は実質的に垂直な向きを有し、第２の流体分配サブアッセンブリ２８（２）の第２の管３６（２）は実質的に水平の向きを有するが、流体分配サブアッセンブリ２８の第１の管３６は、例えば、熱素子１２の配列形状又は他の態様に基づき、所望の通り任意の数の異なる向きで配列してもよいと理解すべきである。

これに関連し、図４Ａ〜図４Ｃは、蒸発器１０の組み立て及び動作を示す図１〜図３の蒸発器１０の断面図であり、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）及び第２の流体分配サブアッセンブリ２８（２）は垂直に対して実質的に４５度に方向付けられている。図４Ａを参照すると、蒸発器フレーム１８は、熱素子１２の正方形配列形状も４５度の角度で方向付けられるように、蒸発器シェル４０内に４５度の角度で方向付けられている。第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）は、どの熱素子１２にもその上方に少なくとも１つ第１の管３６（１）が配置され、また、どの熱素子１２も少なくとも１つの流体分配ポイント３８（１）に近接して配置されるように、蒸発器フレーム１８に沿って取り付けられている。図４Ｂによって示されるように、第２の流体分配サブアッセンブリ２８（２）は同様に、どの熱素子１２にもその上方に少なくとも１つの第２の管３６（２）が配置され、また、どの熱素子１２も少なくとも１つの第２の流体分配ポイント３８（２）に近接して配置されるように、蒸発器フレーム１８に沿って取り付けられている。図４Ｃは、完全に組み立てられた蒸発器１０の断面図を示し、蒸発器フレーム１８と、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）と、第２の流体分配サブアッセンブリ２８（２）とは蒸発器シェル４０内で共に組み立てられている。このようにして、全ての熱素子１２を、蒸発器１０の全長に沿って、第１の流体分配サブアッセンブリ２８（１）及び第２の流体分配サブアッセンブリ２８（２）の両方により比較的均一に濡らしてもよい。

蒸発器フレーム１８の機能と流体分配サブアッセンブリ２８の機能を一体構造にまとめることも可能である。これに関連し、図５は、熱素子１２及び蒸発器シェル４０（図示せず）の構造的支持及び剛性を同時に与えると共に、蒸発器４２の全長に沿って、全ての熱素子１２間における作動流体２９の均一分配を促進するように構成された一体型流体分配フレーム４４を有する蒸発器４２を示す。この実施形態では、複数の一次供給ライン４６は複数の円形マニホールド管４８の周りに配列されている。交互する複数の第１の管５０及び第２の管５２は、熱素子１２の長さに沿って、円形マニホールド管４８の端から端に渡されている。この実施形態では、第１の管５０は水平に配列されており、第２の管５２は垂直に配列されているが、他の形状を所望の通りに使用してもよいと理解すべきである。この実施形態では、交互する複数の第１の管５０及び第２の管５２は熱素子１２の構造的支持を与え、蒸発器４２に剛性を与える。

一次供給ライン４６は、また、円形マニホールド管４８を介して第１の管５０及び第２の管５２に作動流体２９を供給するように構成されている。これにより、蒸発器４２の長さに沿って、第１の管５０及び第２の管５２それぞれの複数の流体分配ポイント５４を通じて熱素子１２間に作動流体２９を均一に分配することを可能にする。

図６は、蒸発器シェル４０内に配置された流体分配フレーム４４を含む図５の蒸発器４２の断面図を示す。この実施形態において円形マニホールド管４８の周りに複数の一次供給ライン４６を用いる利点の１つは、第１の管５０及び第２の管５２の異なる部分における圧力差が減少することである。これは、作動流体２９が第１の管５０及び第２の管５２の両端から実質的に同等の圧力で第１の管５０及び第２の管５２に供給され、各第１の管５０及び第２の管５２の長さに沿ってより小さな圧力差をもたらすことが理由である。この圧力差の減少によって、流体分配ポイント５４は作動流体２９をより狭い範囲の圧力で提供することを可能にし、それにより、蒸発器４２全体にわたる各流体分配ポイント５４からより均一な量の作動流体２９を提供する。

上述の通り、開示される実施形態は、例えば、ＯＴＥＣ発電用途などの大規模熱交換器用途に好適であってもよい。これに関連し、図７は、実施形態が実施され得る発電用ＯＴＥＣシステム５６の概略図である。この実施形態のＯＴＥＣシステム５６は、作動流体６４を搬送する閉ループ導水管６２に流体的に結合された１つ以上のタービン発電機６０を有する海上プラットフォーム５８を含む。作動流体６４は上述の作動流体２９と同一であっても類似してもよい。

閉ループ導水管６２はまた、上に開示した蒸発器１０、４２の１つであってもよい蒸発器６６と、タービン発電機６０と直列に配置された凝縮器６７と、を含む。この実施形態では、タービン発電機６０は浮遊船体６８によって支持されており、蒸発器６６及び凝縮器６７は海水面より下に配置してもよい。

この実施形態では、ＯＴＥＣシステム５６の動作中、熱交換ポンプ７０は作動流体６４を蒸発器６６内に送る。温暖海水用ポンプ７２は、温暖海面領域７４内に配置された温暖海水入口７６を通じて海洋の温暖海面領域７４から温暖海水を送る。典型的なＯＴＥＣ配備では、海面領域７４内の水は摂氏約２５度の実質的に一定の温度である（天候及び日光条件に従う）。例えば、蒸発器１０、４２に関して上述した通り、温暖海水は蒸発器６６内の作動流体６４を気化するほど十分に加熱する。

現時点でわずかに冷却されている使用済みの温暖海水は、その後、温暖海水出口７８を通じて蒸発器６６から排出される。気化した作動流体６４はタービン発電機６０の両側における閉ループ導水管６２の圧力差を生じさせ、それにより、気化した作動流体６４をタービン発電機６０内に強制的に送り出し、タービン発電機６０内の作動流体６４の流れに応じてタービン発電機６０に電気エネルギーを発生させる。

気化した作動流体６４は、タービン発電機６０を出た後、凝縮器６７に入る。低温海水ポンプ８０は、海洋の低温深海領域８２から、低温深海領域８２内に配置された低温海水入口８４を通じて低温海水を送る。通常、低温深海領域８２は海洋の表面より約１，０００メートル下であり、この深さにおいて、水は摂氏２、３度の実質的に一定の温度である。低温海水は凝縮器６７内の作動流体６４を冷却して作動流体６４を液相に凝縮する。気化した作動流体６４は熱交換ポンプ７０によって蒸発器６６へと戻され、このサイクルは無期限に継続する。

一方、現時点でわずかに加温されている使用済みの低温海水は、低温海水出口８６を通じて凝縮器６７から排出される。この実施形態では、使用済みの温暖海水及び使用済みの低温海水の両方は、温暖海面領域７４及び低温深海領域８２の両方から離れた海洋の中間位領域８８に排出されるが、使用済みの海水は異なる位置に排出することができる。これは、使用済みの海水が、温暖海水入口７６又は低温海水入口８４に近接して排出されないことを前提とする。温暖海水入口７６又は低温海水入口８４において、使用済みの海水は、入来する暖水の平均温度を低下させ、又は入来する低温海水の平均温度を上昇させ、蒸発器６６及び／又は凝縮器６７の効率を低下させる可能性がある。

この実施形態では、海上プラットフォーム５８は緊張係留式海上プラットフォームであり、浮遊船体６８は、デッキ、ケーソン、及び浮体（図示せず）を含む。浮遊船体６８は、剛性緊張係留部（ｔｅｎｓｉｏｎ ｌｅｇ）（図示せず）によって海底９２の上方の配備位置９０に固定されている。

いくつかの実施形態では、海上プラットフォーム５８は海洋以外の水域（例えば、湖、海等）内の別の配備位置９０に配備してもよい。いくつかの実施形態では、海上プラットフォーム５８は、半潜水型プラットフォーム、スパー型プラットフォーム、掘削船型プラットフォーム、ジャッキアップ型海上プラットフォーム、グレージングプラント（ｇｒａｚｉｎｇ ｐｌａｎｔ）等など、別の種類の海上プラットフォームであってもよい。

この実施形態では、タービン発電機６０はタービン駆動式発電機である。上述の通り、この実施形態では、タービン発電機６０は流体の流れに応じて電気エネルギーを生成し、生成した電気エネルギーを１つ以上の出力ケーブル９４で供給する。このように、タービン発電機６０は、海面領域７４内の水の温度と深海領域８２内の水の温度の差を基に電気エネルギーを生成するランキンサイクル機関の一部である。

上述の通り、蒸発器６６は例えば、上述した蒸発器１０、４２などのシェルアンドチューブ型熱交換器であってもよく、凝縮器６７もまた、類似の特徴を有するシェルアンドチューブ型熱交換器であってもよい。

ＯＴＥＣシステム５６における作動流体６４としてアンモニアを使用することが多い。しかしながら、海面領域７４内の水の温度で蒸発し、深海領域８２内の水の温度で凝縮する任意の流体であれば、作動流体６４として使用するのに適している（材料適合性を条件とする）ことは当業者には明白であろう。

ここで図８を参照すると、図１〜図３の蒸発器１０を組み立てる方法１００が開示される。この実施形態では、方法１００は、複数の熱素子、例えば熱素子１２を蒸発器フレーム内に配置するステップ（ブロック１０２）を含む。方法１００は、複数の流体分配管、例えば、流体分配サブアッセンブリの管３６を熱素子間に配置するステップであって、各管は複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接する、ステップ（ブロック１０４）を更に含む。方法１００は、蒸発器フレーム及び流体分配サブアッセンブリを蒸発器シェル、例えば、蒸発器シェル４０内に収めるステップを更に含む。

これら実施形態は、数ある利点の中でも、低コスト、大規模、高効率の蒸発器を容易なものにする。これら実施形態によって、均一な流れの分配及び蒸発器コア体積全体を噴霧蒸発に使用することにつながる。

当業者であれば、本開示の好適な実施形態の改良形態及び修正形態を理解するであろう。このようなあらゆる改良形態及び修正形態は本明細書中及び以下の特許請求の範囲に開示される概念の範囲内であるとみなされる。

Claims (21)

1. シェル内部を形成している蒸発器シェルと、
   前記シェル内部に配置された複数の熱素子であって、各熱素子は、前記シェル内部と流体的に連通された外面を含む、複数の熱素子と、
   前記内部に配置された第１の一次供給ラインであって、前記第１の一次供給ラインは作動流体を搬送するように構成されている、第１の一次供給ラインと、
   前記第１の一次供給ラインに流体的に結合された複数の第１の管セットであって、各第１の管セットは、前記第１の一次供給ラインに沿って、隣接する第１の管セットから離れている、複数の第１の管セットと、
   を含み、
   各第１の管セットは複数の第１の管を含み、各第１の管は前記複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接しており、各第１の管は複数の第１の流体分配ポイントを含み、各第１の流体分配ポイントは、前記複数の熱素子の少なくとも１つの前記外面に近接して前記作動流体を分配するように構成されている、
   蒸発器。
2. 前記第１の一次供給ラインは第１の方向に延びており、前記複数の熱素子は前記第１の方向に延びており、前記複数の第１の管セットの前記複数の第１の管は前記第１の方向に直交する第２の方向に延びている、請求項１に記載の蒸発器。
3. 前記内部に配置された第２の一次供給ラインであって、前記第２の一次供給ラインは前記作動流体を搬送するように構成されている、第２の一次供給ラインと、
   前記第２の一次供給ラインに流体的に結合された複数の第２の管セットであって、各第２の管セットは、前記第１の一次供給ラインに沿って、隣接する第２の管セットから離れている、複数の第２の管セットと、
   を更に含み、
   各第２の管セットは複数の第２の管を含み、各第２の管は前記複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接しており、各第２の管は複数の第２の流体分配ポイントを含み、各第２の流体分配ポイントは、前記複数の熱素子の少なくとも１つの前記外面に近接して前記作動流体を分配するように構成されている、
   請求項１に記載の蒸発器。
4. 前記第１の一次供給ラインは第１の方向に延びており、前記第２の一次供給ラインは前記第１の方向に延びており、前記複数の熱素子は前記第１の方向に延びており、前記複数の第１の管セットの前記複数の第１の管は前記第１の方向に実質的に直交する第２の方向に延びており、前記複数の第２の管セットの前記複数の第２の管は前記第１の方向に実質的に直交する第３の方向に延びており、前記第３の方向は前記第２の方向とは異なる、請求項３に記載の蒸発器。
5. 前記第２の方向は前記第３の方向に実質的に直交する、請求項４に記載の蒸発器。
6. 前記複数の熱素子のそれぞれはパイプであり、各パイプは、前記パイプの前記外面と熱的に連通された熱流体を搬送するように構成されている、請求項１に記載の蒸発器。
7. 前記熱流体は海水である、請求項６に記載の蒸発器。
8. 前記作動流体はアンモニアである、請求項７に記載の蒸発器。
9. 各パイプにおいて、前記パイプの前記外面は不均一である、請求項８に記載の蒸発器。
10. 前記複数の熱素子は方形配列形状で配列されている、請求項１に記載の蒸発器。
11. 前記複数の熱素子は三角形配列形状で配列されている、請求項１に記載の蒸発器。
12. 前記複数の熱素子は約２，５００個の熱素子〜約２０，０００個の熱素子を含み、前記蒸発器シェルは約２メートル〜約５メートルの径を有する、請求項１に記載の蒸発器。
13. 前記第１の管は約６ｍｍ〜約１０ｍｍの内径を有する、請求項１２に記載の蒸発器。
14. 複数の第１のマニホールド管を更に含み、前記複数の第１のマニホールド管の各第１のマニホールド管は前記第１の一次供給ラインに流体的に結合され、各第１の管セットの前記複数の第１の管に流体的に結合されている、請求項１に記載の蒸発器。
15. 各マニホールド管は前記複数の熱素子の外周部の周りに配置されている、請求項１４に記載の蒸発器。
16. 前記複数の第１の管セットは、金属、プラスチック、複合物、セラミック、ステンレス、チタン、熱可塑性樹脂、及びフッ素重合体からなる群の１つを含む、請求項１に記載の蒸発器。
17. 作動流体を搬送するように構成された第１の一次供給ラインと、
    前記第１の一次供給ラインに流体的に結合された複数の第１の管セットであって、前記複数の第１の管セットは、複数の熱素子間に配置されるように構成されており、各第１の管セットは、前記第１の一次供給ラインに沿って、隣接する第１の管セットから第１の距離離れている、複数の第１の管セットと、
    を含み、
    各第１の管セットは複数の第１の管を含み、各第１の管は、前記複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接して配置されるように構成されており、各第１の管は複数の第１の流体分配ポイントを含み、各第１の流体分配ポイントは、前記複数の熱素子の少なくとも１つの外面に近接して前記作動流体を分配するように構成されている、
    流体分配アッセンブリ。
18. シェル内部を形成している蒸発器シェルと、
    前記シェル内部に配置された複数の熱素子であって、各熱素子は、前記シェル内部と流体的に連通された外面を含む、複数の熱素子と、
    前記内部に配置された第１の一次供給ラインであって、前記第１の一次供給ラインは作動流体を搬送するように構成されている、第１の一次供給ラインと、
    前記第１の一次供給ラインに流体的に結合された複数の第１の管セットであって、各第１の管セットは、前記第１の一次供給ラインに沿って、隣接する第１の管セットから離れている、複数の第１の管セットと、
    を含み、
    各第１の管セットは複数の第１の管を含み、各第１の管は前記複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接しており、各第１の管は複数の第１の流体分配ポイントを含み、各第１の流体分配ポイントは、前記複数の熱素子の少なくとも１つの前記外面に近接して前記作動流体を分配するように構成されており、前記熱素子は、前記作動流体を気化するように構成されている、蒸発器と、
    作動流体入口と、作動流体出口と、タービンと、を含むタービン発電機であって、前記作動流体入口は前記シェル内部に流体的に結合されており、前記気化した作動流体を受け入れるように構成されており、前記タービンは前記作動流体入口と前記作動流体出口との間に流体的に結合されており、前記タービン内を通過する前記気化した作動流体に応じて電気エネルギーを発生するように構成されている、タービン発電機と、
    前記作動流体出口と前記第１の一次供給ラインとの間に流体的に結合された凝縮器であって、前記凝縮器は、前記作動流体を凝縮し、前記凝縮した作動流体を前記第１の一次供給ラインに供給するように構成されている、凝縮器と、
    を含む、熱交換システム。
19. 前記熱交換システムは海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）システムである、請求項１８に記載の熱交換システム。
20. 蒸発器を組み立てる方法であって、
    複数の熱素子を蒸発器フレーム内に配置するステップと、
    流体分配サブアッセンブリの複数の流体分配管を前記熱素子間に配置するステップであって、各第１の管は前記複数の熱素子のうち異なるサブセットの熱素子に近接する、ステップと、
    前記蒸発器フレーム及び前記流体分配サブアッセンブリを蒸発器シェル内に収めるステップと、
    を含む、方法。
21. 海洋熱エネルギー変換（ＯＴＥＣ）システム内に前記蒸発器を配置するステップを更に含む、請求項２０に記載の方法。

Images