CN101868676B - 可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器 - Google Patents

Abstract

一种有传热表面装置和在结构上且流体地连接于传热表面装置的立式蒸汽/水分离器的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器。它的垂向支承结构设置成支承着立式蒸汽/水分离器和传热表面。垂向支承结构是底端被支承的，而立式蒸汽/水分离器和热交换器的传热表面是由垂向支承结构提供顶端支承的。垂向支承结构为这种热交换器提供结构支承和刚度，还提供一种结构措施，利用这种结构措施可将这种热交换器竖立起来并吊起而便于把它安放到所选定的地方。提供一种便于进行这种热交换器从销售店到安装现场的装配、组装、运输和竖立安装的装配/运输/吊装夹具。这种夹具可支承固定在这种太阳能吸收器的支承结构上的两根耳轴，吊耳设置在支承结构的顶端。

Description

可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器

相关申请的交叉参考

本发明要求享有2008.10.24提交的编号为61/197,169的美国临时专利申请的优先权，其文本以完全阐述于本文中的方式包含于此。

技术领域

本发明总地涉及发电和工业锅炉设计领域，包括用于生产蒸汽诸如用于发电的蒸汽或用于工业用途的蒸汽的各种锅炉、蒸汽发生器和热交换器，更具体地说，本发明涉及一种具有构成一体的支承结构的、可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器。

背景技术

太阳能吸收器是用太阳光作为热源来生产用于驱动汽轮发电机并最终发出电的高质量蒸汽的太阳能发电***的首要设备。这种吸收器永久性地安装在架高的支承塔的顶上，而支承塔恰当地安装在能够收集太阳光射线并能把那些射线反射到吸收器上的目标壁面的日光反射装置或镜子场内。可用于这种***的一种设计简单、结构结实耐用、造价便宜、有效而紧凑的太阳能吸收器将会受到这一行业的欢迎。

发明内容

本发明的一个方面是提供一种用于把太阳光的热能传递给诸如水的工作流体的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器。这种热交换器用于把至少一部分水从液相转变成饱和蒸汽或过热蒸汽。

具体地说，本发明的一个方面提供一种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其包括：传热表面装置、在结构上且流体地连接于传热表面装置的立式蒸汽/水分离器、以及支承着立式蒸汽/水分离器和传热表面的顶端的垂向支承结构。

这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器可安放在塔形建筑物的顶上，利用太阳能来加热工作流体。安装在地面上的日光反射镜装置可自动地跟踪太阳并把太阳光的能量集中地反射给这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器。太阳投射的暴晒可加热工作流体，典型的是水，而产生饱和蒸汽或过热蒸汽，这些蒸汽可用于驱动汽轮发电机来发电。

Wiener等人的美国专利号6,336,429中公开的立式蒸汽/水分离装置可用于从蒸汽-水混合物分离出蒸汽。那种立式蒸汽/水分离器可在结构上且流体地连接于这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的加热表面而作为本文所述的可由销售店组装的设计结构的一部分。

垂向支承结构的底端支承在固定在塔形建筑物上的底座上。垂向支承结构上设有横向撑柱，用以给传热表面装置提供横向支撑，有利的是，传热表面装置包括互相不固定的相切管子构成的管板，同时允许管板在水平方向和垂向的不受约束的热膨胀，从而消除管子的附加应力。

垂向支承结构以及底座、横向撑柱和其它结构件不仅为这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器提供结构支承和刚度，而且还提供一种结构措施，利用这种结构措施可将这种热交换器竖立起来并吊起而便于安放到所选定的地方。这种结构允许热交换器的整个组件、立式蒸汽/水分离器和加热表面的相切管子管板可由销售店组装、运输、并随后在安装过程中作为一个单元吊起而安放在塔形建筑物上。垂向支承结构仍保持与太阳能吸收器热交换器在一起，这便于在有必要时从塔形建筑物上拆下太阳能吸收器热交换器。

本发明的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器有利地包括传热表面装置和以特定方式布置的流体输送管道而能够把所期望的热能传递给水。有利的是，传热表面是由许多排列成相切管子管板的管子构成，并可根据需要设置进口联管箱和出口联管箱。熟悉本技术领域的人都知道，输送蒸汽-水混合物的传热表面通常被称为蒸发表面或锅炉表面；内部输送蒸汽的传热表面通常被称为过热表面(或再加热表面，这取决于相关的蒸汽轮机的构造)。按照有关的锅炉设计规范，诸如美国机械工程师协会(ASME)的锅炉和压力容器规范的第一章，或法规所要求的其它同等规范，不管加热表面是那一种，管子的尺寸、材料、直径、壁厚、数目和排列都应基于使用温度和压力来选择。所要求的传热特性、压力降、循环比、现场吸收率、管子内工作流体的质量流量等等也都是必须考虑的重要参数。根据要安装这种热交换器的地点的地理位置，还应考虑有关的地震载荷和当地的设计规范。

本发明的另一方面，提供一种便于销售店进行组装、运输和现场竖立安装的装配/运输/吊装夹具，这种夹具便于这种热交换器从销售店到安装现场的装配、组装、运输和竖立安装。这种夹具可支承固定在这种太阳能吸收器的垂向支承结构上的两个耳轴。支承结构的顶端设有吊耳。在这种太阳能吸收器运到安装现场的安装场地之后，用吊车吊着它把它在耳轴上枢转到竖直位置，然后把它吊起随后安放在选定的地方。

更具体地说，本发明的另一方面提供一种用来便于进行一种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的装配、组装、运输和竖立安装的夹具，其包括底座和支柱，支柱设置在底座的每一端用于配合这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器上的耳轴，支柱允许在这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的现场竖立安装过程的一部分中把支承在支柱上的这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器绕耳轴从运输位置枢转到大致竖直的位置。

表明本发明的特征的各个新颖的特色结构详细指出于权利要求书中并构成本发明的一部分。从以下的说明，特别是参照附图来阅读说明，将能更好地理解本发明的这些和其它特色结构，并且更容易地鉴赏它们的优点。因此，为了更好地理解本发明以及应用本发明能够得到的好处，请参阅构成本发明的一部分并图示出本发明的优选实施例的各附图和文字描述。

附图说明

图1是本发明的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的等角投影分解立体图，示出传热表面、在结构上且流体地连接于传热表面的立式蒸汽/水分离器、以及设置成支承着立式分离器和传热表面的垂向支承结构的布置；

图2是图1所示的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的再一个立体图，为了清晰，省略了某些部件，示出本发明的热交换器管板、垂向支承结构、以及用于通过垂向支承结构给那些管板提供支承的各横向撑柱；

图2A是图1和2所示的本发明的蒸发器管板之一的立体图；

图2B是图1和2所示的本发明的蒸汽多次通过式主过热器管板之一的立体图；

图3是图1所示的本发明的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的垂向内部支承结构的立体图，为了清晰，其中立式分离器、蒸汽上升管和供水管、蒸汽管路、以及隔热屏都省略了；

图4是图1所示的本发明的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的立式蒸汽/水分离器的立体图；

图5是本发明的可将水-蒸汽混合物输送到立式分离器的蒸汽上升管的立体图；

图6是本发明的用于将蒸汽输送到过热器管板的饱和蒸汽连接管路、以及用于蒸汽温度控制的温度调节器和相关管路的立体图；

图7是本发明的用于把水输送到蒸发器管板的供水管的立体图；

图8和9是本发明的用于保护蒸发器的上和下联管箱和管子以及过热器管板的隔热屏的立体图；

图10是一种典型的带有光线遮挡层和隔热层的蒸发表面管板或过热表面管板的一个视图；

图11是本发明的立式蒸汽/水分离器的另一视图，图示出至它的各种连接以及这种立式蒸汽/水分离器的低、正常和高水位；

图12是本发明的用于通过垂向的支承结构给蒸发器管板和过热器管板提供支承的撑柱布置的一个实施例的立体图；

图13和图14是本发明的装配/运输/吊装夹具的两个立体图，这种夹具便于这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器从销售店到安装现场的装配、组装、运输和竖立安装，图13图示出这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器处于组装起来而便于运输的状态，图14图示出这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器处于竖立过程中的部分竖直状态；

图15、16和17分别是本发明的一种拼合式隔膜板的顶视图、端视图和切开视图，这种隔膜板用在过热器进口联管箱和出口联管箱里，用于在采用相切管子时建立过热器管板内的多个蒸汽路径；

图18是本发明的相切管子支承***的撑柱布置的一个替换实施例的立体图；

图19和20是图18的两个部分的放大视图，为了清晰，在图20中，图18的相切管子支承***的某些部分被省略了；

图21是沿着热交换器壁面的一个平面观看的图19的相切管子支承***的侧视图；以及

图22是图21的俯视图。

具体实施方式

下面参照各附图，在各附图中，类似的附图标记标示相同的或在功能上类似的零件。

本发明采用Wiener等人的美国专利号6,336,429所述的立式蒸汽/水分离装置而从由本发明的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器产生的蒸汽-水混合物分离出蒸汽。上述Wiener等人的美国专利号6,336,429的文本以完全阐述于本文中的方式包含于此。那种立式蒸汽/水分离器在结构上且流体地连接于这种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的加热表面，作为本文所述的可由销售店组装的设计的一部分。

为了理解本发明，可能需要对热交换器、锅炉和/或蒸汽发生器技术的某些术语和原理有一定程度的了解，为此，读者可参阅Steam/its generation anduse，第40编，Stultz和Kitto编著，版权1992，The Babcock & Wilcox Company(巴布科克和威尔科克斯公司)，以及参阅Steam/its generation and use，第41编，Kitto和Stultz编著，版权2005，The Babcock & Wilcox Company(巴布科克和威尔科克斯公司)，它们的文本以充分阐述于本文中的形式包含于此。

参照图1到11，其表示出本发明的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10，这种热交换器由下列主要部件构成：

蒸发器管板或称锅炉管板12；

主过热器(PSH)管板和次过热器(SSH)管板14；

立式蒸汽/水分离器16；

垂向的内部支承结构18、横向撑柱20和对塔形建筑物的连接结构22；

供水管24、上升管26和饱和蒸汽连接管路28；

喷水温度调节器30和管路32；

联管箱隔热屏34；

光线遮挡层36和隔热层38；

指示仪表40；以及

平台42和便于上下的梯子。

更具体地说，并总地依序参照图1至11，可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10具有包括蒸发器传热表面12和过热器传热表面14以及在结构上且流体地连接于它们的立式蒸汽/水分离器的结构布置；还具有设置成支承立式蒸汽/水分离器16和传热表面12和14的顶端的垂向内部支承结构18。垂向支承结构18是设置在立式蒸汽/水分离器16和传热表面装置12和14之间。可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10是可由销售店进行充分地组装的，只是联管箱隔热屏34、安全阀、通气管、消音器和其它专用仪表(未示)除外。可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10是可充分泄放的。

可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10的每一侧包括蒸发器管板12和过热器管板14。两个主过热器(PSH)管板14构成太阳能吸收器10的角部，以及两个次过热器(SSH)管板14构成吸收器10的相反的角部(未示)。蒸发器管板12和过热器管板14是由许多间距紧密而相切但互相之间不固定(不形成膜壁)的管子构成的，为使管子有附加的柔性，在靠近联管箱处管子做成弯的。这些管子是小直径的薄壁管子，以使管子的热表面到冷表面的温度差为最小。管子的这种固定方式允许管板在水平方向和垂向产生不受约束的热膨胀，借以消除管子的附加应力。这些设计特点可使管子的柔性为最大而使其热应力为最小，并使管子有弓弯的可能性。尽管蒸发器管板12和过热器管板14的上述布置是一种优选的实施例，但是在本发明的范围内还可以有其它的布置。例如，可以不是在每一侧设置蒸发器管板12和过热器管板14，或者可让两个过热器管板14不是在角部互相接触，甚或可以将多个不同构形的蒸发器管板12和过热器管板14设置在规定的一侧。

这种太阳能吸收器热交换器10是由内部的垂向支承结构18在顶端支承的。垂向支承结构18通过与太阳能吸收器10的底部结构为一体的过渡段22用螺栓连接于塔形建筑物的突缘(未示)。在不同高度上的三个横向撑柱20可将风力和地震载荷从管板12和14传递到支承结构18。各撑柱20的梁固定于垂向内部支承结构18的立柱。

吸收器10设计成能够进行自然循环而不需要循环泵。给水在吸收器10的高度中点附近进入立式蒸汽/水分离器16。过冷的水向下流过在立式蒸汽/水分离器16的底部的下降管17。供水管24把水输送到蒸发器管板12的下联管箱。来自反射镜场的热量被向上流过蒸发器管板12里的管子的水吸收，这些水的密度低于流出立式蒸汽/水分离器16的水的密度，以致可产生自然的泵打作用。水-蒸汽混合物在立式分离器16的顶部退出联管箱。上升管26将水-蒸汽混合物输送到立式蒸汽/水分离器16。上升管接头27在立式蒸汽/水分离器16上的进口喷嘴是布置成切向的并向下倾斜而能产生向下的旋流进而能促使水份去除。湿蒸汽向上流过多孔板、涤气器和干燥盘，而除去最后的水份。被这样地除去的水向下流并与存在于立式蒸汽/水分离器16里的水混合而进行再循环。尽管各供水管24和上升管26在各附图中表示为相当直的流体路径，但是熟悉本技术领域的人能够理解，它们在布置和长度方面的实际设计将取决于为适应由这种太阳能吸收器热交换器在工作中的热胀冷缩引起的预期运动而要求它们具有的柔性大小。因而，为使它们具有所要求的柔性，可能需要它们具有附加的弯曲处或长度。

干饱和蒸汽从立式蒸汽/水分离器16的顶部流出并流过饱和蒸汽连接管路28而流向位于过热器管板14的顶部的主过热器(PSH)管板14的进口联管箱。由于管板是由许多间距紧密而相切的管子构成的(见图15-17)，以及采用特殊设计的隔膜联管箱58，两个主过热器管板14具有一个或多个(在一个实施例中，是5个)蒸汽流过次数，蒸汽每流过一次流经多个管子(在一个实施例中，是9个)。蒸汽并行地流过两个主过热器管板14，从邻接于蒸发器管板12的端头开始流向中央。这种布置可使最冷的蒸汽紧邻蒸发器管板12，因而可在起动过程中保护主过热器管板14免于发生能量散失。随后蒸汽从底部的主过热器联管箱流出，向上流过温度调节器30和相关的管路32并混合于用于调节温度的给水，然后分开并进入顶部的两个次过热器管板14的联管箱。两个次过热器管板14的布置与两个主过热器管板14的布置相同，但它们是位于太阳能吸收器10的相反的角部。蒸汽经设在吸收器10的底部的主蒸汽管道(未示)流出吸收器10。

上和下联管箱以及蒸发器管板12和主过热器、次过热器管板14上的管子弯曲处都可由如图所示的延伸于吸收器10的外周的隔热屏34提供保护而免于发生能量散失并免受杂散光能的影响。有利的是，隔热屏34包括由吸收器支承结构18支承着的有加强肋的钢板。曝露的那一侧涂成白色以降低工作温度。背侧不加隔热层以降低工作温度。在隔热屏34和构成管板12和14的那些管子之间还留有空隙，以允许空气自然流动而进行附加的冷却。

管板12和14的背面需要有光线遮挡层36，以保护隔热层38和内部结构免于曝露于可能通过各相切管子之间的缝隙进来的雨水和光热。有利的是，遮挡层36可包括由管子固定结构支承的金属薄板阵列。遮挡层36的面朝管子那一侧可涂成白色的，以使反射性为最大并降低工作温度。遮挡层36也将支承管板的隔热层38和相关的外层包覆。

太阳能热交换器10应包括按照需要配备的仪表40，用于测量管子热表面和流体的温度、管板的热通量和太阳能吸收器的各个部件可能发生的应变、变形和热膨胀。在所有各附图中，那些仪表40的位置都是示意地表示的，而不是特别要求的。

设置有两个平台42，以便于进出上和下人孔或进出设在立式蒸汽/水分离器16上的门，可借助梯子登上这两个平台。

虽然太阳能吸收器热交换器10是可充分泄放的，但是每天进行泄放可能是不经济的，也是不希望的，因此可能需要用热跟踪、保温罩盖或某些其它措施进行防冻保护，特别是对于曝露的管板12。

立式蒸汽/水分离器16是Wiener等人的美国专利号6,336,429所揭示的那种型式的，它以已知的方式工作而从蒸汽-水混合物分离出蒸汽。这种型式的立式蒸汽/水分离器16特别适用于应对热交换器10的热量输入的瞬间剧变，这种瞬间剧变可能引起立式蒸汽/水分离器16内水位的剧烈变化。从蒸汽-水混合物分离出来的水被输送到分离器16的下部并与补充的给水相混合，随后被输送到蒸发表面12而再一次开始蒸发过程。

之所以选用立式蒸汽/水分离器16而不选用传统的卧式汽鼓，有下列原因：1)它非常适合于装进这种太阳能吸收器内；2)它可消除汽鼓那种发生***变形的可能性；3)可以用这种立式分离器达到需要的蒸汽分离表面面积；以及4)如果愿意，这种立式分离器可用于支承这种热交换器的加热表面管板并且这种分离器还可在底部被支承。

按照本发明，在太阳能吸收器热交换器10里采用立式蒸汽/水分离器16，而不采用传统的卧式汽鼓，还有其它优点，特别是在关停的状态。这些优点来自于分离器16的结构和连接于它的各个连接的组合、以及这些连接的位置和蒸发器管板12的上联管箱的高度之间的物理关系。参照图11，蒸发器管板12的上联管箱的高度相对于立式分离器里的正常水位(NWL)、高水位(HWL)和上升管接头或穿透处27的高度是特别设定为能够保持立式分离器16的温度和压力，这一特点对于过夜关停特别有好处。正常工作的HWL是设定在与蒸发器管板12的上联管箱的高度相匹配的高度，而正常工作的NWL是在HWL以下的某个位置(见图11)。立式分离器16上的上升管穿透处27是在正常工作的HWL和蒸发器管板12的上联管箱以上。在(这种太阳能吸收器)被关停之后，蒸发器管板12里的水将逐渐变冷，其比重将大于立式分离器16里的仍是温热的水的比重。由于这一比重之差，蒸发器管板12里的水倾向于回流：沿着蒸发器管板12流过供水管24和给水接头25并向上流过下降管17而进入立式分离器16；如果出现这样的情况，来自蒸发器管板12的较冷的水就将很快使立式分离器16变冷。但是，由于立式分离器16上的上升管穿透处27是在正常工作的HWL以上，已在立式分离器16里的较温热的水不连通于上升管26，因而不能流进上升管26和蒸发器管板12的上联管箱，所以回流不可能发生。这迫使蒸发器管板12里的较冷的水留在蒸发器管板12内，而允许温热的水留在立式分离器16内，这有助于整夜地保持立式分离器16的温度和压力。因此，在随后的早晨，立式分离器16是处于温度和压力都较高的状态，这允许太阳能吸收器热交换器10较快地起动，若是立式分离器16被完全冷却到环境温度，其起动就要慢得多。重要的是应注意到，这种特定的布置或立式分离器16的HWL、NWL和LWL的这种设定将允许这种循环***在蒸发器管板12吸收热量时以一种令人满意的方式进行工作；可使这种循环***最佳化而正常地工作于有规律的蒸汽发生状态，并且还具有上述特点而能使循环***在太阳能吸收器热交换器10处于不工作状态时的温度下降为最小。与采用传统的卧式汽鼓的锅炉相比，用本发明的立式分离器16实现这一概念容易得多。

太阳能吸收器热交换器10必须能够在天空中有云层飘过之后快速起动并快速升高负荷，以使可用的热利用率为最大并能以全负荷工作，以及使反射镜指向偏离为最小。如果负荷增大或减小得太快，传统的汽鼓容易出现汽鼓***现象(见下述)。在汽轮机的节汽阀开得很大时，如果有一大片云飘过来而降低了太阳能吸收器可吸收的热量，汽鼓压力将由于蒸汽产量的降低而降低。这将使汽鼓内的蒸汽过热而使汽鼓的上半部金属的温度高于其下半部金属的温度，这进而将引起汽鼓变形或向上***。当负荷迅速增大时，由于蒸汽冷凝而冷却汽鼓的上半部，将发生相反的情况。久而久之，这可能导致汽鼓的疲劳损坏。

立式蒸汽/水分离器16的内径选择为能够给蒸汽分离设备提供足够的表面面积以及提供足够的存水量，以允许这种锅炉在万一断了给水时能够以峰值蒸汽流量工作一小段时间(约1.5分钟)，即使在发生断水时立式分离器16里是处于低水位(LWL)状态，也能如此。

分离器16里的蒸汽分离设备包括多孔板、涤气器和干燥盘，它们都安装成靠近立式分离器16的顶部，如图所示。这些部件的用途是在蒸汽流出立式分离器16之前除去蒸汽中的那些多余的水份。这还可降低把固体颗粒物带入过热器14的可能性，那些固体颗粒物可能是从管子内壁析出的并可能引起过热点。

到立式蒸汽/水分离器16的给水连接有隔热套管。这种喷嘴以一个角度向下，以致即使水位是在低水位以下，给水也不会对分离器16造成流体撞击和热冲击。

上和下人孔或称进出门(见图1、4和11)可分别提供维护蒸汽分离设备和涡流抑制器的通路。分离器16的外表面有保温包覆层以降低热损失。

可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10设计成具有自然循环特性因而其工作不需要循环泵。这意味着，吸收较多热输入的那些回路有较大的蒸汽/水流量，而吸收较少热输入的那些回路将有较小的流量。尽管不是优选的，但是如果愿意，为了有利于水和水-蒸汽混合物在整个热交换器10内的循环，可以在分离器16的下部在下降管17上有利地设置一个或多个循环泵，用于把水打回到蒸发表面，以建立泵辅循环或泵打循环作用。

太阳能吸收器热交换器10的管板12和14都设计成具有高度的可靠性，可在高度频繁的循环工作状态下达到很长的使用寿命，并能承受日复一日地起动、关停和云层造成的瞬变，而不会发生低循环疲劳损坏。蒸发和过热传热表面12和14是由互相之间不固定的相切管子管板构成，就是说，构成管板的那些管子是互相紧密并排的但并不焊接在一起。在工作过程中，由于各个管子之间有温差，管板里的每个管子相对于其它管子有不同长度的热膨胀，但下联管箱在各个管子的平均温度基础上还是要向下运动并保持水平，因为它比管子刚硬得多而不会弯曲。这将使管子内特别是过热器的管子内产生应力，因为蒸汽每一次通过时各个管子都是工作在不同的平均温度下。所以管子在进口联管箱和出口联管箱处的弯曲可提供某种程度的弹性，就是说，可降低管子的靠近联管箱接头的应力，因而可降低管子弓弯的可能性。顶端支承的管板可产生自由向下的热膨胀。管子是小直径的薄壁管，因而可使热表面对冷表面的温度差、热应力、以及管子的弓弯可能性皆为最小。在一个实施例中，蒸发器管板12和过热器管板14分别是用材料为SA210A1和SA213T22的31/32英寸外径×0.095英寸壁厚的管子制造的。根据温度、压力和其它的考虑，可以采用其它的管子材料和厚度。

蒸发器加热表面12的管板设有下部进口联管箱和上部出口联管箱。这有利于太阳能吸收器热交换器10的自然循环设计。在构成蒸发器加热表面的管板12的管子里产生的蒸汽-水混合物被收集在上部出口联管箱里，而出口联管箱也用作混合点，以校正可能存在于蒸汽-水混合物里的温度不平衡。出口联管箱上的各短管是通过各上升管26连接于立式蒸汽/水分离器16的上部的短管或称上升管接头27。立式蒸汽/水分离器16以已知的方式工作(见Wiener等人的美国专利号6,336,429)，把蒸汽从蒸汽-水混合物分离出来。

如果把热交换器10简单地设计成用于生产饱和蒸汽，而不生产过热蒸汽，那么所有的管板都将是蒸发表面12，并且在分离器16的顶部的饱和蒸汽出口连接处28将把蒸汽输送到分离器的下游应用处。

根据初始蒸汽温度和压力以及所希望的出口过热蒸汽温度，为了使过热器表面的管子内有足够大的质量流量，构成过热器表面14的各管板可以是多次通过的过热器，这样的概念属于本发明的范围之内。这样的蒸汽多次通过设计不仅要考虑过热器14里的管子的温度，还应考虑毗邻的结构或蒸发器管板12里的管子的温度，以便关注热膨胀的差值。还有，在整个说明书中，根据上下文的关系，过热器14可能指的是主过热器(在用于控制蒸汽温度的喷水调温阶段的上游)和次过热器(在用于控制蒸汽温度的喷水调温阶段的下游)两者中的任一个或两者。

如图所示，在三个高度上的各横向撑柱20可把风、地震、运输和热膨胀等引起的来自管板12、14载荷传递到支承结构18。各横向撑柱20的梁固定于内部支承结构18的立柱并且是在交错的高度上，以允许各横向撑柱20能够延伸到拐角处。各横向撑柱20还是处于管板隔热屏的外面，因而被称为“冷的”撑柱设计。由边缘为波浪状的板条23和销子33保持连系条31顶在蒸发器管板12上，对于过热器管板14，用图12中所示的管子卡板29，这将在下文说明。连系条31、横向撑柱20、边缘为波浪状的板条23、销子33和管子卡板29这一***内的间隙，当管板在垂向以及在连系条的轴向热膨胀时，允许管板相对于固定的连系条31滑动；这允许沿着连系条31的轴向膨胀但不允许沿着垂直于管板平面的方向膨胀。连系条的各支承脚21被夹固于横向撑柱20的突缘。这一***允许管板在垂向和在连系条31的轴向不受约束的热膨胀，从而可消除管子的附加应力。

为了降低成本和增强管板在运输过程中的刚性，如图所示，在每个高度上的横向撑柱20处用边缘为波浪状的板条23、连系条31和销子33把蒸发器管板12固定住。用三组边缘为波浪状的板条23横跨蒸发器管板12的宽度，而不是用一个连系条31把所有管子都连系起来，这可降低管子固定焊缝处的应力，特别是管子的在各高度上的横向撑柱20之间的应力，因为在那些地方管子是直的(没有能够降低由热膨胀差值引起的应力的弯曲处)。

给过热器管板14提供了一种更加柔性的管子固定设计，就是为过热器管板14提供了独立于蒸发器管板12的横向撑柱***。如图所示，过热器管子是用管子卡板29和连系条35构成的结构固定的。这将允许过热器管板14的每一根管子单独地膨胀，因为与蒸发器12相比，过热器14的各个管子特别是蒸汽通过次序不同的各相邻管子的潜在温度差较大。

各管板还曾设计成使设计结构数目为最少，以降低成本。关于管子的弯曲几何形状，仅有两种设计结构或称形状，一种用于蒸发器12，另一种用于过热器14，它们的不同仅在于对管子的哪一侧加以固定。这表示于图2，从该图可看出，在太阳能吸收器热交换器10的一侧的上和下联管箱都是位于相切管壁管板的平面以外，而在太阳能吸收器热交换器10的毗邻侧的上和下联管箱是位于相切管壁管板的平面以内。

如图1、2和3所示，太阳能吸收器热交换器10由内部支承结构18提供顶端支承。垂向支承结构18的顶端钢构件支承着管板12和14以及立式蒸汽/水分离器16。背靠背的槽钢框架构成顶端钢构件的四周，管板12和14由固定于框架的垂向杆件支承着。这种设计允许管板和立式分离器自由地向下热膨胀。这种支承结构可采用材料为典型的碳钢诸如A36和A992的标准的钢结构型材，并且其大部分构件可用螺栓连接起来。根据温度和其它的考虑，也可以采用其它的材料。还可以采用管材，但其成本可能较高并且从订货到交货的时间可能较长，还会使端部连接设计复杂化。

参照图1到7，供水管24把水从立式蒸汽/水分离器16的下降管17输送到蒸发器管板12的进口联管箱。上升管26把蒸汽-水混合物从蒸发器管板12的上联管箱送回到立式蒸汽/水分离器16。供水管24和上升管26的数量和尺寸设计成能满足自然循环要求。它们还设计成有一定的柔性，以适应管板12的联管箱和立式蒸汽/水分离器16的不同热膨胀，从而使各接头处的应力为最小。

各饱和蒸汽接头和饱和蒸汽连接管路28可把干饱和蒸汽从立式蒸汽/水分离器16的顶部输送到安装在管板14顶部的主过热器(PSH)进口联管箱。由于进口联管箱窄小，所以只需要两个饱和蒸汽连接管，每个联管箱一个，如图所示。这种管路可用碳钢制造并可采用标准的管材规格和壁厚系列。所有管路都应有保温包覆，以降低热损失。

可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10具有一个用于蒸汽温度控制的喷射调温阶段和管路32，其安装在主过热器和次过热器之间，如图1和6所示。这样一个单一的调温阶段可降低成本并简化管路。如图所示，调温器和管路32是安装在吸收器外壳内。调温器用给水进行调温。调温器和管路是由吸收器的支承结构18和/或管板的联管箱来支承。这些部件也都应有保温包覆，以降低热损失。

对上和下联管箱和各管板的管子弯曲处须加以保护，以免能量散失和受杂散光的影响。这可用延伸于太阳能吸收器10的四周的隔热屏34来达到，如图1、8和9所示。可将隔热屏34的一端或称边缘用螺栓连接于或焊接于支承结构18，而让其另一端是自由的。隔热屏34用薄钢板制成，其背侧上以及沿着自由边缘有加强肋，以便能承受风力和地震载荷。也可把隔热屏34的角部结合起来，以增大刚性，这样就不必固定于管子。需要有应对热膨胀的措施，以降低或防止因膨胀不均而产生扭曲。隔热屏34的曝露那一侧应涂成白色的，其背侧不要加隔热屏，以降低工作温度。应在隔热屏34与管板12和14之间留出空隙，以允许空气自然流动而加强冷却。为了减小尺寸以便于运输，隔热屏34应到现场再进行安装。

管板12和14的背侧需要有管板遮挡层36，以保护隔热层和结构免于曝露于可能通过各互相不固定的相切管子之间的缝隙进来的雨水和热量。请看图10表示的管板遮挡层***。管板遮挡层36包括一排由管子固定结构支承着的金属片。其一端被固定，而另一端可以有受引导的热膨胀。对于蒸发器管板12，管板遮挡层被支承于边缘为波浪状的板条，而对于过热器管板14，管板遮挡层被支承于连系板。管板遮挡层36的面对管子的那一侧应涂成白色的，以使反射率为最大而降低工作温度。管板遮挡层36还应支承管板的保温包覆层。

还应设置用于测量管子热表面的温度、流体温度和管板的热通量的仪表40。还可设置另外一些仪表，诸如用于测量各个部件的变形和热膨胀的应变仪和传感器。应该用焊接在靠近联管箱的管子出口根部的冷(隔热)侧的垫块焊接热电偶测量过热蒸汽的温度。

如图13和14所示，本发明的另一方面是关于一种装运夹具或称装配/运输/吊装夹具50，其便于这种热交换器从销售店到安装现场的装配、组装、运输和竖立安装。这种夹具包括底座52和设在其一端的两个支柱54。支柱54支承着固定在太阳能吸收器10的垂向支承结构18上的两个耳轴56。在可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10的运输过程中，为了支承它，耳轴56配合夹具上的支柱54，并用于在可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10的现场竖立安装的一部分进程中，允许把在支柱54上的太阳能吸收器热交换器10从运输位置枢转到大致竖直的位置。吊耳是位于支承结构18的顶端。运输到安装现场的工作场地之后，就用吊车吊着太阳能吸收器热交换器10并把它在耳轴56上枢转到竖直状态，然后把它吊起，安放到选定的地方，诸如吸收器安放塔(未示)的顶上。

图15到17分别是用在过热器进口和出口联管箱里的拼合式隔膜板58的顶视图、端视图和切开视图，其用于在采用相切管子时建立过热器管板14里的多个蒸汽路径。传统的圆形隔膜板是焊接于联管箱的内侧，用于把联管箱沿着其长度分隔成多个独立的流体隔室。只要各个管子根部接头沿着联管箱的长度间隔得足够远，这种作法就是可行的。但是，在本发明中，构成过热器管板14的那些相切管子是紧密间隔的，进口和出口联管箱上的管子根部接头是交错的且紧密于一起。传统的圆形隔膜板将会与固定于联管箱的某些管子根部发生干涉。为了避免这一问题，把隔膜板做成为由两个半圆形隔膜板A和B构成的拼合式隔膜板58，如图所示，将它们***联管箱并沿着直径互相焊接起来并在每个板A和B的圆周处焊接于联管箱的内表面。

参照图18到22，它们图示出本发明的相切管子支承***的一个替换实施例。包括撑柱、支承脚、连系条和管子卡板(在考虑用在本发明的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器10里的那种型式的过热器管板14时)的典型的相切管子支承***不能在联管箱的轴向提供足够的支承或者说不能有力地加强一种“不透光的”构造。由于吸收器10是可由销售店组装的并将是被卧放着运输到现场然后竖起到竖立位置，所以重要的是要在运输和竖立过程中以及在这两种状态之间给相切管子管板12和14提供足够的支承。更具体地说，需要提供一种非同一般的支承程度，这种支承程度应考虑到太阳能吸收器热交换器10在地震高发区域的运输和安装，应能适应所有预料的热膨胀，应能增强恰当的管子间距以确保一种“不透光的”构造，应能支持可制造性，以及应能支持必要时进行现场更换。这种相切管子支承***必须能给主和次过热器管板14和蒸发器管板12提供足够的支承。

为了解决这些问题，在这一实施例中，管板12和14的每根管子上采用沿着部分圆周焊接的管子耳板60，并且相邻各管子上的耳板60定位在错开的高度上，各耳板之间有空隙，以适应制造上的考虑和预料的管子对管子的温差(在考虑过热器管板14时应足够地重视这种温差)。如图20所示，每个管子耳板60设有两个通孔，各可穿过销子62，集合梁组件由有销子62可穿过的对应通孔的上和下集合梁64和其间的连接板68构成，因此用销子62可建立管子耳板60对集合梁组件的两销定位连接。这样，该实施例可通过采用n+1个中间安装的销子62支承由n个管子构成的管板，其中n是代表管板中的管子数目的整数。所以，尽管许多方式有利于单销(每个耳板)支承定位设计，但是通过给每个管子采用单个耳板而近似于给每个管子采用单个销子(在考虑制造所需要的总数量时)，仍可类似地达到这一效果。各管子耳板60和集合梁组件之间的间隙也能适应制造上的考虑和预料的管子对管子的温差。

每个被支承的管板的两个中间连接板68通过销子70和可转动的连接杆72连接于连接杆支承耳74，而连接杆支承耳74固定于挠性的支承构件76，而支承构件76又通过结构钢78连接于构成垂向支承结构18的立柱(图19、21和22)。通过上述***，可由结构钢78有效地支承在垂直于管板所定义的平面的方向作用在每个管子上的力。此外，可转动的连接杆72能够转动，因而适应整个被支承的管板的平均热膨胀；这一实施例中的可转动连接杆72是典型地预设为适应1/2英寸的这种热膨胀。两个集合梁组件支承耳80按照被支承的管板定位在恰当的位置，使集合梁组件可因管板的平均热膨胀而走动，同时也为由结构钢78有效地支承的这一组件、光线遮挡层、隔热层、以及包覆层的垂向静载荷提供载荷路径。

从图18和22可清楚地看出，缓冲器导轨82固定于集合梁组件的当中(考虑联管箱的轴向)，悬臂缓冲器84固定于挠性支承构件76，而挠性支承构件76又是通过结构钢78固定于垂向支承结构18的柱子。通过上述***，结构钢78可有效地支承沿着联管箱的轴向作用在每个管子上的力，同时允许管板的对应热膨胀。此外，缓冲器***可为沿着联管箱轴向的热膨胀提供当中定位的固定点。尽管该实施例的主要功能是在所有预料的载荷状态充分地支承相切管子管板，同时允许对应的热膨胀，但是通过这一作法的应用也实现了若干其它优点：

1.集合梁组件提供了方便的架子，光线遮挡层、隔热层、以及包覆层都可支承在这个架子上；

2.集合梁组件可降低成本并有利于销售店的制作。管子耳板60、销子62、集合梁64、以及中间连接板68的制造和装配给出了方便的夹具，其有助于整个制造过程。可将这个夹具暂时地在合适的高度上固定于管板组件，并把各个管子耳板60点焊定位。在把夹具拆下之后，进行管子耳板60的最终焊接，而将管板装配于集合梁组件。

销子70和连接杆72构成的***可支持现场更换。通过拆开有关的联管箱/管路接头，解开两个联管箱的垂向支承杆，以及拆下在每个相切管子支承高度上较靠近支承结构18的两个销子70，就可把管板完全拆离于垂向支承结构18(在考虑单个管板时)。由于它们是处在光线遮挡层、隔热层、以及包覆层的外面，所以本发明可给出一种方便的在现场拆出管板进行更换的方法。

这一实施例的与上述设计无关的要素是在部分圆周上焊接的管子耳板60定位在错开的高度上的设计，每个高度上提供两个由销子62销定的支承位置，这允许由n+1个中间定位的销子支承由n个相切管子构成的管板。

如果愿意，可用不同的结构型材构成集合梁组件。例如，可以不用成对的长方形板条来构成每个集合梁64，它们可能因自身重力而产生弯曲，而用刚性较好的90度角钢来构成集合梁64。可让设置在每个角钢的两个臂之一上的那些通孔66更准确地对准耳板60上的通孔，这便于各销子62的安装。可将角钢的另一个臂朝向垂向支承结构18。或者，可采用一根T形断面的型钢，将T形断面的主干定位在交错的各管子耳板60之间，并把用于穿过销子62的通孔66设置在主干上，而将T形断面的横条朝向垂向支承结构18。

如各图所示的悬臂的空心结构型材(HSS)的缓冲器84和HSS的挠性支承构件76，可用W形断面的或其它结构型材来类似地制成。这将允许对结构件采用更通用的固定方式，也更容易把相切管子支承***的挠性支承构件76用于结构钢中的附加目的。各个部件可用碳钢制造，或可用不锈钢或其它合金钢之类的其它材料制造。

还应能理解，尽管上述相切管子支承***有对太阳能吸收器热交换器的特定适用性，但其不限于这一种安装情况，而是这种***可用于任何热交换器，只要其中必须适应各相互不固定的相切管子管板的不同的和平均的热膨胀，同时要为所有预料的载荷状态提供足够的支承。

因此，应能理解，本发明提供一种有以下优点的在热力上和成本上都为高效益的太阳能吸收器热交换器设计。这种设计是低成本的，并能在批量生产的条件下可由销售店进行组装。其尺寸允许由通常卡车运输限制范围(卡车宽度＜13英尺，总高度＜12英尺6英寸，总长度＜35英尺)内的卡车进行运输。相当轻的重量可降低运输和竖立安装费用。这种太阳能吸收器热交换器设计成可在频繁的循环工作状态下具有高度的可靠性和很长的寿命，并能经受日复一日的起动、关停和云层引起的瞬变，而不会发生低循环疲劳损坏。立式蒸汽/水分离器能够在云层飘过之后快速起动并快速升高负荷，而能使可用的热利用率最大化并全负荷工作。蒸汽/水的自然循环设计是能够充分泄放的，并可避免需要高成本的循环泵，同时能满足需要的蒸汽产量和性能。

尽管以上已经结合特定的结构措施、材料、以及实施例说明了本发明，但是应能理解，在本发明的精神和范围内，可以采取许多途径对本发明进行改变。例如，可根据所需要的蒸汽产量，将这种太阳能吸收器热交换器按比例增大到较大的尺寸；当然，为了最大限度地利用可由销售店组装这一优点，可能必须考虑具体的装运或运输限制。所以，本发明不限于以上公开的具体内容，而是应涵盖属于本发明的范围内的所有等同的作法。

Claims (15)

1.一种可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，包括：

传热表面装置，所述传热表面装置包括蒸发器管板和过热器管板；

立式蒸汽/水分离器，所述立式蒸汽/水分离器在结构上流体地连接于所述传热表面装置；以及

垂向支承结构，所述垂向支承结构支承所述立式蒸汽/水分离器和所述传热表面装置的顶部，且设置在所述立式蒸汽/水分离器和所述传热表面装置之间，

其中，所述太阳能吸收器热交换器的每一侧包括至少一个蒸发器管板和至少一个过热器管板；并且

其中，至少一个所述过热器管板包括上联管箱和下联管箱，每个联管箱有由两个半圆形隔膜板构成的拼合式隔膜板，以形成蒸汽多次通过的过热板。

2.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，所述蒸发器管板和所述过热器管板包括互相不固定的相切管子构成的管板。

3.如权利要求2所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，包括隔热屏，所述隔热屏设置成为所述互相不固定的相切管子管板的上端和下端以及连接于它们的所述联管箱提供隔热保温。

4.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，在所述太阳能吸收器热交换器的至少两个侧面的所述过热器管板相交而形成第一角部。

5.如权利要求4所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，形成与所述第一角部相反的第二角部的过热器管板包括次过热器管板。

6.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，所述立式蒸汽/水分离器包括：切向布置的、向下倾斜的进口喷嘴上升管接头，其可使进来的蒸汽/水混合物产生向下的旋流而促使水份的去除；以及用于去除最后的水份的内部多孔板、涤气器和干燥盘。

7.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，包括把所述蒸发器管板和所述过热器管板和冷的横向撑柱连接起来的边缘为波浪状的板条、销子和管子卡板，以降低由不同的热膨胀引起的应力。

8.如权利要求2所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，所述蒸发器管板和所述过热器管板包括设置在所述蒸发器管板和所述过热器管板背后的隔热层和包覆层，并且还包括设置在所述管板的背面与所述隔热层和包覆层之间的光线遮挡层，以保护所述隔热层和包覆层以及所述垂向支承结构免于曝露于通过构成所述蒸发器管板和所述过热器管板的互相不固定的相切管子之间的缝隙进来的雨水和光线。

9.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，所述太阳能吸收器热交换器设计成能够进行自然循环而不需要循环泵。

10.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，所述太阳能吸收器热交换器设有至少一个循环泵，用于建立泵辅循环或泵打循环。

11.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，包括固定于所述垂向支承结构的耳轴，所述耳轴用于在所述可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器的运输过程中配合夹具上的支柱以支承所述太阳能吸收器热交换器，以及用于在所述太阳能吸收器热交换器的现场竖立安装过程的一部分中允许把支承在所述支柱上的所述太阳能吸收器热交换器从运输位置枢转到大致竖直的位置。

12.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，所述立式蒸汽/水分离器设有上升管喷嘴接头，所述上升管喷嘴接头定位成能够在关停过程中，以防水从所述蒸发器管板回流到所述立式蒸汽/水分离器。

13.如权利要求1所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，

所述蒸发器管板和所述过热器管板由连接于联管箱并由所述垂向支承结构支承的互相不固定的相切管子构成，以便适应管子对管子的温度差以及作为整体的所述管子管板的平均热膨胀；并且

通过在沿着所述管子的错开的高度上在所述管子上设置在部分圆周上焊接的管子耳板来适应管子对管子的温度差，每个所述管子耳板上设置两个对集合梁组件的销定支承部位，以允许由所述垂向支承结构通过n+1个中间定位的销子来支承有n个管子的相切管子管板。

14.如权利要求13所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，用固定于所述集合梁组件且固定于所述垂向支承结构的可转动的连接杆来适应所述作为整体的所述相切管子管板的平均热膨胀。

15.如权利要求13所述的可由销售店组装的太阳能吸收器热交换器，其特征在于，包括固定于所述集合梁组件的当中的缓冲器导轨和固定于所述垂向支承结构的悬臂缓冲器，其给热膨胀提供当中定位的固定点并允许由所述垂向支承结构有效地支承沿着联管箱的轴向作用在每根管子上的力，同时允许相切管子管板热膨胀。