CN101262937B - 具有多个管排列的热交换器 - Google Patents
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Abstract
一种热交换装置包括壳体、设在该壳体内的第一排列流体导管和设在该壳体内的第二排列流体导管。第一和第二排列流体导管被构造输送第一流体。该热交换装置还包括设在壳体内的第一流体通道，其中，壳体的内表面和导流板限定第一流体通道。第一流体通道被构造输送第二流体。导流板被构造成将第一流体通道分成第一流动通路和第二流动通路，其中，第一排列流体导管贯穿第一流动通路，而第二排列流体导管贯穿第二流动通路。
Description
技术领域
本发明总体上涉及热交换器和构造所述热交换器的方法。
背景技术
具有许多排列平行管的热交换器和热交换器化学反应器在现有技术中人所共知。这些制品的传统设计实践被编成设计标准。在这里引入作为参考的美国专利No.6,497,856(’856专利)指出一种由天然气、丙烷、液化石油气(LPG)、酒精、石脑油和其它烃燃料生产氢的热交换化学反应器。典型的工业应用包括用于氨合成和其它化学过程的原料，在金属处理工业中用于半导体制造；以及在其它工业应用中包括石油脱硫和商业气体市场的氢生产。与用传统工业氢发生器生产的相比以较小规模对低成本氢的需要，已产生小型氢生产装置的市场(小于每小时15000标准立方英尺(scfh))。由于对氢作为固定和移动动力装置的燃料，尤其是采用电化学燃料电池的那些动力装置需要氢作为燃料日益增长的积极性，因此增大了这种需求。
2003年5月13日提交的美国专利申请系列No.10/436,060(’060专利申请)公开了一种有利的热交换装置，该装置提供一种成本效益高的热交换结构，这种结构减少了管形热交换器，比如在高温和压力下工作的那些热交换器的壳侧流体泄漏和旁通，该专利申请在这里引入作为参考。’060专利申请的图1示出管形热交换器芯部，该芯部包括排列管2，这些管密封地连接在第一管板3与第二管板4之间。第一流体从密封地连接到第一管板3上的入口歧管流过该排列管2中的管离开连接到第二管板4上的第二歧管。排列管2在管的外表面上设有导流板或者板5，这些导流板或板5用来使第二流体基本上垂直于管排2的轴线流动。所有导流板具有小的延伸部18，该延伸部延伸到每个流体段中的流动通道和翅片区的外部。这些延伸部18设置用来配合到耐热管道系统中，以引导第二流体的流动。’060专利申请的图2示出一种结构，该结构提供在壳体100内流动的改进歧管装置，该壳体100由壳体件，比如片状罩盘20、30和各种导流板的部分构成，其中各种导流板的部分形成热交换器的外壳的一部分，比如导流板13-16和19的部分。壳体100可以达到零泄漏的状况。
但是，本发明的发明人已确定，在’060专利申请中所述的热交换装置具有一定容量的限制，而这些限制在本发明中得到改善。热应力控制在’856专利和’060专利申请中所述的重整技术中虽然不是最大的也是最大限制因素中的一个。由于重整器往往会在高热应力下操作，随着反应器的尺寸按比例增大，因此跨越管排的高压降(即压力变化ΔP)在导流板和盘管道系统上会施加巨大的应力。这些巨大的应力由于在工作温度下蠕变而导致过早破坏。通过简单地增加具有附带较大盘面积的热交换器各段的横截面积可以降低压力降，但是对于相同压力负荷而言，应力在较大盘中大得多。因此，简单地增加热交换器段的面积不会提供适当的解决方案。此外，当反应器的尺寸按比例增大时，由于盘的巨大尺寸和来自燃烧器的悬臂力，而使悬臂式燃烧器风箱受到高应力的影响。此外，非常大的反应器需要非常厚的管板。这些厚而粗壮的管板不仅昂贵，而且还非常刚硬。因此，在管板上需要一些大的偏置孔，以防止管板的热膨胀损坏贯穿其中的管排，尽管这些孔可以最小化，如美国出版物No.2003/0173062A1中所论述的那样，该出版物在这里全部引入作为参考。通过使管排列旁通，这种大通孔限制了重整器的效率。
因此，希望提供一种克服上述容量限制的热交换结构。
在制造氢时，尤其是根据美国专利No.6,623,719(’719专利)的方法即燃烧空气在水气变换过程的冷却中被预热来制造氢时，同时控制火焰温度、水气变换过程温度和蒸汽重整器入口温度可能是极其困难的。违反优选的温度条件，可能导致燃料转化率差、热应力高、腐蚀过大，以及产生系统内蒸汽局部冷凝和再煮沸的问题。这些缺点在瞬间操作期间，比如起动、停机和负荷变化期间特别会出现问题。因此，希望提供一种控制不良违反优选工作温度的装置和方法。
在’719专利中，在处理冷凝器中的水气变换过程之后，一些热能作为废热散失到大气中。这种废弃的热能不利地提高了氢加工的生产费用并且提高了改变气候的气体排放。因此，希望提供一种既经济建造又不会有害影响氢发生过程可操作性的回收额外废热的装置和方法。
发明内容
本发明有利地提供一种热交换装置，该热交换装置包括具有设置于其中的第一流体通道的壳体。壳体的内表面和导流板限定第一流体通道。第一流体通道被构造成用于输送第二流体。第一排列流体导管和第二排列流体导管设置在壳体内。第一排列流体导管和第二排列流体导管被构造成用于输送第一流体。导流板被构造成将第一流体通道分成第一流动通路和第二流动通路，并且第一排列流体导管贯穿第一流动通路，而第二排列流体导管贯穿第二流动通路。
本发明还有利地提供了底部组件和顶部组件，该底部组件包括壳体和第一流体通道，而顶部组件则具有贯穿其中的额外流体通道并且包括过热器部分、锅炉(boiler)部分和预热器部分。顶部和底部组件及其中流体通道为垂直布置，这种布置有利地利用了流过通道的加热流体的浮力，以便产生通过顶部和底部组件的自然通风，由此降低热交换器内的压力。理想的是，在重整器壳体内得到真空。通过增加排风扇也可以补充这种效果。
本发明还提供一种在所有工作模式期间用来便于精确地动态控制过程温度的空气转向装置和方法。本发明还提供一种热量回收空气预热器，这种预热器可以精密地机械结合到本发明的反应器中或者’856专利的反应器中，从而与’719专利的过程相比有利于改善热量回收。还提供一种操作改进热量回收装置的方法，该方法独立地使用或者更优选地与空气转向装置结合地使用。
本发明提供了一种热交换装置，包括：
壳体；
第一排列流体导管，其设置在所述壳体内，所述第一排列流体导管被构造成输送第一流体；
第二排列流体导管，其设置在所述壳体内，所述第二排列流体导管被构造成输送第一流体；以及
第一流体通道，其设置在所述壳体内，由所述壳体的内表面和导流板限定所述第一流体通道，所述第一流体通道被构造成输送第二流体；
其中，所述导流板被构造成将所述第一流体通道分成第一流动通路和第二流动通路；以及
其中，所述第一排列流体导管贯穿所述第一流动通路并且所述第二排列流体导管贯穿所述第二流动通路；
该热交换装置还包括密封区，该密封区被构造成在所述壳体内限定所述第一流体通道和第二流体通道；
第一完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面；
第二完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面并且限定所述第二流体通道；
耐热衬垫，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间；以及
一层膨胀材料，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间，
其中，所述第一排列流体导管和所述第二排列流体导管贯穿所述第一完全导流板、所述第二完全导流板、所述耐热衬垫和所述膨胀材料层。
有利地，所述第一流体通道包括入口和出口，并且其中，所述出口设在竖向上处于所述入口上方的位置。
有利地，所述第一流体通道包括入口、第一出口和第二出口，其中，所述第一出口连接到所述第一流动通路上，而所述第二出口连接到所述第二流动通路上，并且其中，所述第一出口和所述第二出口设在竖向上处于所述入口上方的位置。
根据本发明的一个有利实施例，该热交换装置还包括预热器部分，该预热器部分具有额外流体通道，该额外流体通道流体性地连接到所述第一流体通道的出口上，其中，所述预热器部分包括贯穿所述额外流体通道的流体导管，其中，所述流体导管被构造输送第一流体，并且其中，所述流体导管流体性地连接到入口歧管上，该入口歧管流体性地连接到所述第一排流体导管和所述第二排流体导管上。
有利地，所述第一流体通道的所述出口通过流体密封接头连接到所述额外流体通道上，所述流体密封接头被构造成适应有差别的膨胀。
有利地，所述流体密封接头是滑动接头。
有利地，所述流体密封接头是织物或者金属波纹管。
根据本发明的一个有利的方面，该热交换装置还包括锅炉部分，该锅炉部分具有沿着所述预热器部分与所述入口歧管之间的所述流体导管设置的锅炉，其中，所述额外流体通道贯穿所述锅炉部分，并且其中，所述锅炉在所述预热器与所述第一流体通道的所述出口之间的位置上贯穿所述额外流体通道。
根据本发明的一个有利的方面，该热交换装置还包括过热器部分，其中，所述额外流体通道贯穿所述过热器部分，并且其中，所述流体导管在所述锅炉部分与所述第一流体通道的所述出口之间的位置上贯穿所述额外流体通道。
有利地，所述过热器部分设在竖向上处于所述第一流体通道的所述出口上方的位置处，其中，所述锅炉部分设在竖向上处于所述过热器部分上方的位置处，并且其中，所述预热器部分设在竖向上处于所述锅炉部分上方的位置处。
有利地，所述第一流体通道包括入口，并且其中，所述第一流体通道的所述出口设在竖向上处于所述入口上方的位置上。
有利地，该热交换装置还包括排风扇，该排风扇设在所述额外流体通道的出口上。
有利地，所述第一流体通道包括入口、第一出口和第二出口，其中，所述第一出口连接到所述第一流动通路上，而所述第二出口连接到所述第二流动通路上，并且其中，所述第一出口和所述第二出口设在竖向上处于所述入口上方的位置上。
有利地，该热交换装置还包括设在所述额外流体通道的出口处的排风扇。
根据本发明的一个有利的方面，该热交换装置还包括：
第一容器；以及
第二容器，其被构造成叠置在所述第一容器的顶部，
其中，所述壳体被限定为底部组件，
其中，所述过热器部分、所述锅炉部分和所述预热器部分被限制为顶部组件，
其中，所述底部组件装在所述第一容器内，
其中，所述顶部组件装在所述第二容器内，以及
其中，当所述第二容器叠置在所述第一容器的顶部时，于是所述第一流体通道的所述出口便连接到所述额外流体通道上。
有利地，所述第一排列流体导管贯穿所述导流板，并且其中，所述第二排列流体导管贯穿所述导流板。
根据本发明的一个有利的方面，所述第一排列流体导管具有第一多个传热翅片，这些第一多个传热翅片设在所述第一排列流体导管的外表面上，所述第一多个传热翅片延伸在所述第一流动通路内，以及其中，所述第二排列流体导管具有第二多个传热翅片，这些第二多个传热翅片设在所述第二排列流体导管的外表面上，所述第二多个传热翅片延伸在所述第二流动通路内。
根据本发明的一个有利的方面，所述第一排列流体导管包括第一排流体导管，所述第一排流体导管流体性地连接到第一管形入口歧管和第一管形出口歧管上，所述第一排流体导管具有设在其外表面上的第一传热翅片，所述第一传热翅片延伸在所述第一流动通路内，以及其中，所述第一排列流体导管包括第二排流体导管，所述第二排流体导管流体性地连接到第二管形入口歧管和第二管形出口歧管上，所述第二排流体导管具有设在其外表面上的第二传热翅片，所述第二传热翅片延伸在所述第一流动通路内。
有利地，所述第一排列流体导管包括第一排流体导管和第二排流体导管，所述第一排流体导管和所述第二排流体导管流体性地连接到管形入口歧管上。
有利地，所述第一排列流体导管包括第一排流体导管和第二排流体导管，所述第一排流体导管和所述第二排流体导管流体性地连接到管形出口歧管上。
有利地，所述耐热衬垫和所述膨胀材料层基本上完全填满所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间的间隙。
有利地，所述膨胀材料层由在300℃以上的温度下膨胀的材料制成。
根据本发明的一个有利的方面，该热交换装置还包括：
连接所述第一流体通道的出口和所述第二流体通道的入口的第三流体通道；以及
燃烧器，其沿着所述第三流体通道设置，所述燃烧器被构造成用于加热进入所述第二流体通道的所述入口的第二流体。
根据本发明的一个有利的方面，该热交换装置还包括：
预热器，其具有入口流体通道，该入口流体通道流体性地连接到所述第一流体通道的入口上，其中，所述预热器包括流体导管，该流体导管贯穿所述入口流体通道，其中，所述流体导管被构造成用于输送第一流体，并且其中，所述流体导管流体性地连接到出口歧管上，该出口歧管又流体性地连接到所述第一排列流体导管和所述第二排列流体导管上；
冷燃烧入口，其流体性地连接到所述入口流体通道上，其中，所述冷燃烧入口在所述燃烧器上游的位置上流体性地连接到所述第三流体通道上；以及
装置，其用于控制从所述冷燃烧入口到所述预热器和从所述冷燃烧入口到所述燃烧器的第二流体的流量。
有利地，用于控制的所述装置包括：
第一阀，其设在所述冷燃烧入口与所述预热器之间，以控制从所述冷燃烧入口到所述预热器的第二流体的流量；以及
第二阀，其设在所述冷燃烧入口与所述燃烧器之间，以控制从所述冷燃烧入口到所述燃烧器的第二流体的流量。
有利地，该热交换装置还包括致动器，该致动器被构造成用于驱动连接到所述第一阀和所述第二阀的控制联动装置，以控制所述第一阀和所述第二阀。
有利地，该热交换装置还包括构造成用以控制所述第一阀的第一致动器和构造成用于以控制所述第二阀的第二致动器。
有利地，用于控制的所述装置包括阀，该阀被构造成用于连续调节在所述冷燃烧入口与所述预热器之间的流量和在所述冷燃烧入口与所述燃烧器之间的流量。
有利地，用于控制的所述装置包括：
第一管，其将所述冷燃烧入口连接到所述预热器上；
第二管，其将所述冷燃烧入口连接到所述燃烧器上；以及
阀，其被构造成用于调节流量；
其中，所述阀设在所述第一管和所述第二管中的一个上；并且
其中，所述第一管和所述第二管中的另一个其中没有阀。
有利地，所述第一排列流体导管的流体导管在其外表面上设有加强外套。
有利地，所述加强外套设在所述壳体内的区域中，所述区域适合接受温度至少900℃的第二流体。更加有利地，所述区域适合接受温度至少1000℃的第二流体。
有利地，所述加强外套由与用来构成所述第一排列流体导管的所述流体导管的材料不同的材料制成。
有利地，根据第一流体的环境条件来选择用于构成所述第一排列流体导管的所述流体导管的材料，并且其中，根据第二流体的环境条件来选择用于构成所述加强外套的材料。
有利地，所述第二排列流体导管的流体导管在其外表面上设有加强外套。
根据本发明的一个有利的方面，该热交换装置还包括：
第一保温层，其包括绕着所述壳体的外表面设置的第一多个保温材料块体；以及
第一外套，其设置绕着所述第一保温层的外表面。
有利地，该热交换装置还包括：
第二保温层，其包括绕着所述第一外套的外表面设置的第二多个保温材料块体；以及
第二外套，其绕着所述第二保温层的外表面设置；
其中，所述第二多个保温材料块体设置成覆盖所述第一多个保温材料块体之间的间隙。
有利地，所述第一多个保温材料块体和所述第二多个保温材料块体由保温耐热板制成，并且其中，所述第一外套和所述第二外套由镀锌薄金属板的板件制成。
根据本发明的一个有利的方面，该热交换装置还包括：
多个保温层，其包括绕着所述壳体的外表面设置的保温材料块体；以及
外套，其设置成绕着所述多个保温层的最外保温层的外表面。
本发明还提供一种生产氢的方法，该方法包括步骤：
将至少一种燃料供给到反应器中，该反应器包括具有入口和出口的壳体和在壳体内从入口延伸到出口的流动通路，该流动通路包括对流加热的催化蒸汽重整器和对流冷却的水气变换反应器，由此产生氢，以及
使用调节阀控制冷却流体流量，将用来冷却水气变换反应器的冷却流体的量最小化，
其中，对流加热的催化蒸汽重整器和对流冷却的水气变换反应器被以下分开：
密封区，其构造成在所述壳体内限定所述第一流体通道和第二流体通道；
第一完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面；
第二完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面并且限定所述第二流体通道；
耐热衬垫，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间；以及
一层膨胀材料，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间，
其中，所述第一排列流体导管和所述第二排列流体导管贯穿所述第一完全导流板、所述第二完全导流板、所述耐热衬垫和所述膨胀材料层。
有利地，所述冷却流体是被提供到燃烧器中以加热蒸汽重整器的燃烧空气。
另外，本发明还提供一种生产氢的方法，该方法包括步骤：
将至少一种燃料供给到反应器中，由此产生氢，该反应器包括具有入口和出口的壳体和在壳体内从入口延伸到出口的流动通路，该流动通路包括对流加热的催化蒸汽重整器和对流冷却的水气变换反应器，
其中，设置燃烧器以加热蒸汽重整器，
其中，通过控制到燃烧器的燃烧空气总流率来控制来自所述燃烧器的燃烧产物的温度；
其中，使用调节阀来控制用于冷却水气变换反应器的冷却流体的量，以控制水气变换反应器的温度，以及
其中，对流加热的催化蒸汽重整器和对流冷却的水气变换反应器被以下分开：
密封区，其构造成在所述壳体内限定所述第一流体通道和第二流体通道；
第一完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面；
第二完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面并且限定所述第二流体通道；
耐热衬垫，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间；以及
一层膨胀材料，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间，
其中，所述第一排列流体导管和所述第二排列流体导管贯穿所述第一完全导流板、所述第二完全导流板、所述耐热衬垫和所述膨胀材料层。
有利地，所述冷却流体是提供到燃烧器中的燃烧空气。
附图说明
参照下面的详细描述，尤其是结合附图考虑时，更加完全地理解本发明并且使其许多附加优点容易变得更加清楚，在附图中：
图1示出本发明热交换器的第一实施例的前部横剖视图；
图2A示出图1中热交换器的顶部和底部组件的侧视图；
图2B示出热交换器的替换实施例的侧视图；
图3A示出本发明顶部组件的容器示意图；
图3B示出本发明底部组件的容器示意图；
图4示出本发明热交换器的第二实施例的前部横剖视图；
图5示出图1中加强管的一部分区域的放大横剖视图；
图6示出具有散热片的一排列管的放大横剖视图；以及
图7示出具有各种保温层和壳套的热交换器的底部组件的壳体横剖视图。
具体实施方式
在下文中将参照附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，基本上具有相同功能和布置的构成元件用相同的附图标记表示，并且只在需要时才进行重复的描述。
图1示出包括底部组件20的热交换器10，该组件20具有第一管形热交换器芯部30和第二管形热交换器芯部40。第一芯部30包括一排列基本平行的导管或者管32，这些导管或管密封地连接在第一管板50与第二管板60之间。第二芯部40包括一排列基本平行的导管或者管42，这些导管或管密封地连接在第一管板50与第二管板60之间。第一流体从设置在第一管板50附近的多个入口歧管51中的一个流过该排列管32和该排列管42中的管，再从设置在第二管板60附近的多个第二歧管61中的一个流出。歧管51和61示出在图2A中，它们连接到歧管52和62上，但是另一方面，这些歧管可以是密封地连接到各自管板的一个或者多个室。在本发明的实施例中，该排列管32、42中的一排或者多排管可以连接到单一入口歧管51和/或单一出口歧管61上。例如，在该排列管32中的两排管可以流体性地连接到单一入口歧管51和单一出口歧管61上。
管排列32和42在管的外表面上设有导流板或者板34、36，这些导流板或板用来使第二流体基本上垂直于管排列32和42的轴线流动。可以设置一个或者多个导流板34、36，以产生跨越输送第一流体的排列管的第二流体的横向流的若干连续段。导流板34、36被构造以提供通过底部组件20的第二流体的蛇形流。导流板34延伸跨越底部组件20的中心部分并且在底部组件20外侧形成流动间隙35。导流板36被构造成这样，即两个导流板36以相同的高度设置在底部组件20内，使得两个导流板36从底部组件20的侧部向内延伸并且形成中心流动间隙37。因此，第二流体被引导沿着两个方向分开，绕着导流板34流动，再流过流动间隙35，然后在中心部分处重新汇合并流过中心流动间隙，如图1的流动箭头所示那样。图1中的导流板34、36是优选的矩形平面形状。图1的管排列32、42同样是矩形的，不过本发明决不局限于具有矩形平面形状的管排列和导流板，并且可以设有任何所需的平面形状。
底部组件包括下部流动通道80和上部流动通道90，所述下部流动通道80从入口110延伸到出口120，所述上部流动通道90则从入口140延伸到出口150。在下部流动通道80中，第二流体流通过入口110进入，该入口110位于管排列32、34之间的中心部分上。导流板34使下部流动通道80内的第二流体这样分开，即第一流动通路82绕着导流板34的一侧产生，而第二流动通路84则绕着导流板的另一侧产生。沿着第一流动通路82运动的第二流体的部分被引导通过管排列32，而沿着第二流动通路84运动的第二流体的部分被引导通过管排列34。沿着第一流动通路82运动的第二流体的部分和沿着第二流动通路84运动的第二流体的部分在中心部分处汇合并且通过出口120离开。在上部流动通道90中，第二流体流通过入口140进入，该入口140位于管排列32、34之间的中心部分上。导流板34使上部流动通道90内的第二流体这样分开，即第一流动通路92绕着导流板34的一侧产生，而第二流动通路94绕着导流板的另一侧产生。沿着第一流动通路92运动的第二流体的部分被引导通过管排列32，而沿着第二流动通路94运动的第二流体的部分被引导通过管排列34。沿着第一流动通路92运动的第二流体的部分和沿着第二流动通路94运动的第二流体的部分在中心部分处汇合，在这里，所述流体向上运动通过间隙37到达下一个进行重复分流的高度。
图1示出热交换器芯部，该芯部被构造成提供’856专利的流动布置，该专利的全部内容在这里引入。导流板34、36可以被布置实现任何种类所需的流型，比如简单的逆流或者平行流热交换。在图1所示的流动布置中，第二流体流利用密封区70分成两个独立的流动通道。在图1中，在下部流动通道80和上部流动通道90之间的密封区70中采用了耐热毡垫的密封方法。在一些中间处理，比如将燃料加入到具有空气的第二流体中并且燃烧该合成混合物之后，第二流体可以流过这两个通道，或者不同的第三流体可以在这些通道中的一个内流动。在两种情况下，很可能流动通道80和90内的这些流的流体压力都是不同的，因此，跨越密封区70将有压力梯度。
还应该注意的是，热交换翅片33、43可以有利地置于管排列32、42中管的外表面上，以提高传热面积、防止腐蚀并为管提供机械支撑。热交换翅片可以是延伸跨越管排列32中所有管的板和延伸跨越管排列42中所有管的板，或者翅片可以由带状板(或者“组合翅片”)700组成，这些板延伸跨越管排列32、42的一排或多排管中的所有管，如图1和6所示。对于跨越横向流段的热梯度高到足以对管42产生有害机械应力的地方，带状板700是优选的。在热应力没有造成损坏的地方，较多量的管排优选地包含在单翅片中，以便减少装配时间和热交换器的费用。在图1所示的实施例中，管排列32、34中的每个排管均在底部组件20的顶部连接到单管51上(该管也可以称为管形入口歧管)，然后所有管51连接到入口歧管52上，而管排列32、42中的每个排管均在底部组件20的底部连接到单管61上(该管也可以称为管形出口歧管)，然后所有管61连接到出口歧管62上。由于管排列32、42中每个排管都各自连接到各个管51、61上，因此，出于热膨胀原因，传热翅片优选使用带形板700，以便通过各个管51、61减小入口歧管52和出口歧管62上的应力。当与’856专利的刚性管板相比较时，本发明的歧管51、61有利地只在一个轴线上施加不同的膨胀应力，而’856专利在管板平面的两个轴线上施加有差别的热膨胀应力。因此，通过减少旁通流量可以有利地采用用于减小在美国出版物No.2003/0173062A1中所述的热膨胀效应的方法。这个优点的重要性随着热交换器的物理尺寸的加大而增加。
图1中明显的一个特征是导流板的各种尺寸。导流板34、36防止第二流体流平行于管，同时允许沿着这一方向流过间隙35、37。全部导流板72、74设置在密封区70的两侧，并且防止任何第二流体流平行于管排列32、42。图1所示的所有导流板34、36、72、74都形成有小的延伸部38(导流板34的延伸部在图1中没有示出，但是沿着壳体100的前侧和后侧延伸)，该延伸部38延伸在每个流体段中流动通道和翅片区的外部，在该流体段导流板邻接并装到壳体件上。按照’060专利申请的方法，设置延伸部38以与耐热保温相配合并且为管道系统结构提供热膨胀装置。
图1和2A示出由壳体件，比如片状罩盘102构成的壳体100。本发明的壳体100可以达到零泄漏的状况。由在罩盘102的相邻边缘相接合的地方所产生的法兰接头构造成壳体100。在导流板34、36的延伸部38夹在相邻罩盘102边缘之间的地方同样也构成法兰接头。采用一些方法，比如焊接、钎焊、粘接、滚压成形或者本领域普通技术人员易见的其它方法，可将法兰接头104制成为基本上流体不能渗透。特别有利的是，在罩盘边缘与导流板34、36之间的接头上焊接或者滚压成形法兰接头，使得罩盘的法兰边缘在有差别的热膨胀作用下可以弹性地偏转，从而减轻组件上的应力并且防止导流板、盘或两者产生永久变形。本发明的实施例有利地适应平行于和垂直于管排列的弹性偏转。
在本发明的替换实施例中，可以用螺栓、螺钉或者其它可拆卸的固定器件来连接一个或者多个罩盘102。在这个实施例中，优选在相邻罩盘102之间和在罩盘102与导流板34、36的延伸部38之间设置固定的密封件。这个替换实施例的优点在于，罩盘可以拆下，以检查和/或清洁包括热交换排列32、34在内的交换器芯部。在污垢腐蚀或者沉积预料较多的地方对热交换器有些维护的条件下，这一特征令人非常满意。
本发明的罩盘102可以由与操作条件相适合的任何材料制成。但是，优选由金属板材料构造导流板盘。然后，使用典型的板金加工非常容易地制成这种法兰部件，并且可以方便地制成流体接头。
图2A示出图1中装配有燃烧器130的热交换器10，该燃烧器130设在下部流道80的出口120与上部流动通道90的入口140之间。下部流动通动通道80具有入口110，该入口将第二流体引入到热交换器中，而上部流动通道90具有出口150，该出口150将第二流体排出到顶部组件200中。热交换器10可以任选地包括空气预热器160，该空气预热器160利用来自第二歧管62的加热的第一流体，在入口110之前加热第二流体。在这种任选的实施例中，第二流体进入冷燃烧空气入口170并且可以沿着通道172运动到空气预热器160，而后到达入口110，或者第二流体可以从冷燃烧空气入口170沿着通道174直接运动到燃烧器130。沿着通道172、174的第二流体流由阀180控制，该阀180例如可以是比例蝶形阀，这些蝶形阀由致动器控制，该致动器被构造用来驱动控制联动装置182，该联动装置182连接到两个阀180或者各个致动器上，该致动器被构造用来独立地控制阀180。阀180控制从下部流动通道80的出口120排出的第二流体的温度和进入燃烧器130的第二流体的温度。在替换的实施例中，两个阀可以用单阀替换，该单阀连续地调节通道172、174之间的流量，这种阀在现有技术中人所公知，并且分别不同地称为换向阀或者选择阀。在另一个替换实施例中，一个通道可以设置连续调节阀，而其它通道则不设置阀。在这个实施例中，有利地减少该系统中的压力损失，但不利的是，流量变化的范围被缩小了。在两个通道之间的流量比只需要小动态范围的地方，这个替换实施例可以是优选的。
在本发明的一个实施例中，热交换器10被用来生产氢，并且管32和42设有如’856专利中公开的适当催化剂。在这个实施例中，在经过如’856专利和’719专利所述的催化、非等温水气变换反应之后，第一流体离开与底部组件20的下部流动通道80相对应的区域，’719专利的全部内容在这里引入作为参考。’856专利和’719专利指出，第一流体可以在基本上绝热条件下操作的水气变换反应器中进一步反应。在’856专利中，这个反应器在与下部流动通道80相对应的区域的出口处可以任选地附加到管板上。但是，’856专利的刚性管板不良地将热应力传递到热交换器中，因而缩短该热交换器的使用寿命或者需要采取大量措施以减轻热交换器中的热失调效应。有利的是提供独立的反应容器，以执行在第一流体离开歧管62之后的水气变换反应。反应器容器和适合于这一目的的附带连接对于本领域的普通技术人员人所共知。
在根据’856和’719专利的方法理想地进行另外的水气变换反应之后，第一流体仍保留大量的显热和与蒸汽冷凝相关的潜热。如果上述热量被第二流体回收，则理想地减少根据’856和’719专利产生氢所需的燃料消耗量。因此，设置空气预热器可以达到这种燃料使用量的减少，并且在燃料成本高或者在副产物气体，比如CO2的排放不理想时设置空气预热器是理想的。
有利的是，图2A的实施例便于独立地控制从第一流体回收的热量和至少一个其它点的温度。例如，在其中第二流体是燃烧空气的氢发生器的情况下，可以调节空气的流率，以达到通过歧管离开与下部流体通道80相对应的区域的第一流体的理想温度。这种控制程度可以有利地使在后面的水气变换反应器中能微调反应条件。因此，反应器的操作特性可以最佳化，以产生最小的尺寸、最多的氢产量、最低的甲烷化速率等。通过同时改变到燃烧器130的燃料流率，使与上部流道90相对应的上部蒸汽重整区的入口140处的火焰温度同样可以得到控制。这样有利地使能精确控制管32、42所受到的最大温度，从而使能提高热交换器的使用寿命。
通过选择各种热交换元件的传热能力，可以有利地达到进一步控制温度。因此，燃烧器130的混合燃烧器入口空气的温度可以调节到低于燃烧器装置的最大允许极限。与上部流道90相对应的蒸汽重整区的入口歧管52中的混合蒸汽和燃料的温度同样可以调节，以使性能按照’856和’719专利的指导最佳化。以上所述可以实现，同时还保持入口140的火焰温度、水气变换温度，并且通过合适的热交换器设计，保持燃烧器入口空气的温度。这种过程控制程度使采用阀180的氢发生器能具有更大的操作稳定性，并且不管是否使用空气预热器，它都可以有利地被采用。因此，控制阀180为本发明的氢发生器提供了惊人的操作能力，该氢发生器将要操作在除全设计流率以外的条件且与优选的工艺操作条件，如在’856和’719专利中公开的那些条件没有明显偏差。另外，在没有限制的情况下，通过相关技术的蒸汽重整器和水气变换反应器可以有利地采用本发明的调节阀和空气预热器。
在本发明的另一个实施例中，采用调节阀180和空气预热器160的氢发生器这样设计，即在空气预热器内的第一与第二流体之间所传递的热量不足以使第一流体中的水蒸汽产生明显的冷凝。在从水分离器的系统中除去冷凝水时冷凝水闪蒸不利的情况下，这个实施例是优选的。这可能是由于用于放出冷凝水的阀增加磨损造成相变产生的有害噪声的结果，或者由于与使用高温冷凝水中产生腐蚀或者阀的耐用性有关联。限制传热以在附带的燃烧器空气入口温度可能超过允许极限的情况下消除冷凝多半也是理想的。因此，尽管在节省燃料使用量是决定因素的地方在冷凝空气预热器中进行较大量的传热是优选的，但是其它情况可以使采用非冷凝预热器更加理想。使用本领域普通技术人员已知的技术可以选择空气预热器和与下部流动通道80相对应的热交换器区的传热表面的特性，以达到理想的热流通量。
图2B示出热交换器的替换实施例。除了替换实施例没有图2A中的空气预热器160、冷燃烧空气入口170和阀180、而是与入口110的简化连接和经由通道122的出口120与燃烧器130之间的简化连接之外，图2B中所示的实施例均与图2A的实施例相同。
本发明的的调节阀在起动、停机和空转期间在氢设备操作中具有特殊的优点。在起动期间，替换实施例2B通过简化导管必须向所有燃烧器供给空气。上述气流从第一流体中除去不良的大量热量，而这些热量会在其它情况下用来提高与下部流动通道80和后面的水气变换反应器相对应的区域的温度。这种热量清除在第一流体通道内可能产生广泛的冷凝。而这种冷凝又可能不利地阻碍第一流体的流动。如果使用，同样会对布置在管32、42内的催化剂和后面的水气变换反应器产生物理或者化学损害。因此，在本发明的优选实施例中，设置有调节阀180的氢设备通过与下部流动通道80相对应的区域可以基本上减小第二流体流量，从而减小第一流体的冷却、减少冷凝并且缩短起动所需的时间。
在停机和空转期间，可以采用调节阀大致如上面那样调节第一流体的温度。根据系统操作细节，停机和空转情况存在不良的高温或者低温危险。此外，还可能产生对第二流体供给的不良回流。通过适当地使用调节阀，这些情况可以得到完全避免。在从氢生产的操作模式过渡到热空转操作时操作设备的优选方法是利用阀180阻断通过上部通道174的流动，同时允许流过通道172。通过入口170的空气供给也被终止。在这种状态下，在通道172与174之间的加热空气的浮力将不会使热量不良地运动到阀或者连接的管中。而是在通道172与预热器240之间的静压差将使一些气流在没有过度加热阀180的情况下从通道172运动到预热器中。
所有附图均已示出罩板，这些罩板用一个板盖住多边形管排列的整个侧部。在一些应用中，工作压力和温度与热交换芯部尺寸相结合使其在一侧或者多侧设置许多副板更为理想。这有利地减小给定罩板厚度的机械应力并且提供额外的热膨胀接头。因此，设置在给定位置的罩板数目和厚度可以改变，以适合局部温度和应力状况。
图1示出本发明的热交换器密封区70。由导流板72和74限定密封区70。该密封区70包括耐热毡密封78和一层或者多层膨胀材料76。很可能将在下部流动通道80与上部流动通道90之间存在压差，因此，耐热毡密封78减少了泄漏和热应力。
本发明优选地包括密封区70，当进入上部流动通道90中的流体温度大于800℃的膨胀材料的工作极限和离开下部流动通道80的流体小于膨胀材料的工作极限时，该密封区70特别有用。在这个实施例中，导流板72与74之间的间隙填充一层或者多层的耐热材料，比如耐热的毡垫片78、浇注可模压耐热纤维、或者装满松散的耐热纤维。耐热材料与导流板74紧密接触，该导流板74与上部流动通道90相接触。所述耐热材料开始安装与管排列32、42的管、导流板74和壳体100的内表面密封接触。然后，在耐热材料78与导流板72之间设置一层或者多层膨胀材料76。膨胀材料76利用足够的耐热材料78与上部流动通道90分开，该耐热材料78起到热绝缘体的作用，以防止膨胀材料76过热。通过现有技术中已知的机械装置，比如导流板支承杆的连接件、与管32、42紧密接触的延伸热交换翅片各层之间的机械紧握装置、或者本领域普通技术人员易见的其它装置，将两个导流板保持在基本固定的机械相关状态。
当加热超过300℃时，膨胀材料76垂直于导流板72、74的表面膨胀。这种膨胀使耐热材料78受到相当大的压力。在这种压力下，耐热材料78被压缩到密度大于它安装时的密度。此外，上述压力迫使耐热材料78与管排列32、42的管和壳体100的内表面形成更好的密封接触。由于壳体100的罩板基本上是固定的，因此膨胀材料76沿着平行于管的方向的膨胀转换成耐热毡材料78的均匀压力。
耐热材料78的厚度和膨胀材料76的数量选择由下列因素确定，即上述耐热材料78的预定压缩力、使用时耐热材料的预期收缩量、膨胀材料76的膨胀特性以及导流板、盘(壳体)和它们的机械支架的机械强度。因此，可能有许多不同的组合，这些组合可以极好地适合于预期热交换器的正确类型及其操作条件。
配制特别优选的膨胀垫产品，以防止加热气体流动造成的腐蚀。因此，本发明的紧握膨胀密封件固有地阻止腐蚀造成的故障。
底部组件20的上部流动通道90的出口150连接到顶部组件200的歧管部分210上，该顶部组件200设在底部组件20的上方。出口150优选地通过滑动接头202或者其它装置连接到歧管部分210上，并且容易地连接在安装位置，比如织物或者金属波纹管上，所述其它装置保证流体密封并且适应热膨胀差。图1和2A中所示的歧管部分210包括倾斜侧壁212和倾斜前壁214。这种斜度由采用的零件尺寸确定，并且预定不以任何方式限制本发明。
离开出口150的第二流体进入歧管部分210中，而后通过过热器220、锅炉部分230和预热器部分240，然后离开顶部组件200。顶部组件200利用来自加热的、离开底部组件的第二流体的热量，以便在第一流体进入到入口歧管52之前加热第一流体。顶部组件200以垂直的方式定向，以便利用加热的第二流体的自然浮力，但是，任选的排风扇250可以设在顶部组件200的出口242上，以便产生强制通风并降低底部组件20内的压力。因此，对于第二流体在底部组件20内可以得到真空。
第一流体作为液体经由贯穿预热器部分240的管244进入到顶部组件200中。第一流体吸收来自预热器部分240内第二流体中的热量，然后经由管246运动到锅炉部分230内的锅炉232。通过吸收来自锅炉部分230内第二流体中的热量，第一流体在锅炉232内由液体变成气体。然后，气态第一流体经由管234运动到过热器部分220，在这里，第一流体沿着管222运动，管222形成通过过热器部分220的若干通道。第一流体而后从过热器部分220经由管224运动到入口歧管52中。在这个过程中的任何地点可以导入一个或者多个额外流体。这些流体可以是液体或者气体。在本发明的一个实施例中，额外的流体是用来生产氢的烃原料。
图3A和3B示出本发明顶部组件200和底部组件20的容器示意图。这些容器用作有效地运送和装配本发明热交换器10的装置。为顶部组件200设置了容器300，其中顶部组件200在制造厂内装在容器300里，并在容器300内运送到装配地点。同样地，为底部组件20设置了容器400，其中，底部组件20在制造厂内装在容器400里并在容器400内运送到装配地点。当容器300、400到达装配地点时，而后将底部组件容器400放置到合适的最终位置，然后再将顶部组件容器300叠置在底部组件容器400的顶部。优选的是，为顶部组件容器300和/或底部组件容器400提供了对准或安装件，比如图3B中概略示出的安装件410。通过将顶部组件容器300叠置在底部组件容器400上，再利用滑动接头202将顶部组件200结合到底部组件20上。尽管没有示出，但是排风扇250也可以装在运送和装配容器里，该容器可以用来将排风扇250容易地运送和装配到顶部组件200的顶部。
图4示出本发明的第二实施例，在这个实施例中，歧管部分已被改进以适应底部组件的上部流动通道的两个出口152。在图4所示的实施例中，上部流动通道内的横向流段的数量已被改变，致使离开底部组件的流从侧部向外流出，而不是从图1所示位于中心的出口150向外流出。图4所示的歧管部分500具有通常是垂直的侧壁152，但是壁的斜度由部件的相对尺寸确定，并且没有限制。歧管部分500优选地利用滑动接头502或者一些其它装置连接到底部组件上，所述其它装置能够适应垂直热膨胀差并且容易地连接在安装地点。
在图1和4中所示的实施例中，邻近上部流动通道90的入口140的热交换器地区是热交换器内最热的部分。在这个热区中，优选设置加强管600的区域。图5示出图1中加强管600的一部分区域的放大横剖视图。在加强管600的区域中，第一管排列32和第二管排列42中的管均设有外套602，该外套增加这个热区内管排32、42的管强度，在这个热区中，蠕变应力在不同情况下可能产生管的故障。有利的是，支承套在管32、42与该套之间不传递剪应力，从而减小了热交换器中的总应力。此外有利的是，还减少了经受较高金属温度所需的材料使用量。并且有利的是，还允许管和支承套使用不同材料。因此，为支承套可以选择在第二流体条件下具有增强抗退化的材料，同时对于管本身可以选择用于第一流体条件最佳的材料。
在这种应用中，优选将燃烧器的火焰温度提高(与在’856专利中所述的方法相比)到1050℃到1250℃的范围，以便于在没有降低向第一流体的传热的情况下减小第二流体的流率。通过降低第二流体的流率，有利地减小通过热交换器的压降。当流体的温度非常高时，因此传热几乎全部辐射，并由此不需要传热翅片(该翅片增大了压降)。因此，在本发明优选实施例的加强管600的区域中没有示出传热翅片。当第二流体的温度高于大约900℃、更优选地高于1000℃时，优选使用加强外套602。采用力配装法、快速液压或者机械膨胀法或者其它方法，将加强外套602设置在管排列32、42中管的外表面上，所述其它方法在管的外表面与加强外套的内表面之间产生紧配合。
图7示出具有各种保温层和壳套的热交换器的底部组件20的壳体的横剖视图。本发明包括由多个保温耐热板800块体构成的第一保温层。耐热板800块体利用胶粘剂802，例如遮蔽胶带暂时固定到罩盘102的外表面上。耐热板800块体固定到罩盘102的外表面上，使得壳体100的整个或者基本上整个外表面覆盖有耐热板800。胶粘剂802用来将耐热板800固定在适当位置，直到第一外套810装在耐热板800和壳体100的外表面上为止。第一外套810将耐热板800固定在适当位置。第一外壳优选由多个镀锌薄钢板的板件制成，使用紧固件将这些镀锌薄钢板的板件结合在一起。
如图7所示，本发明还包括由多个保温耐热板820块体构成的第二保温层。耐热板820块体优选大于第一保温层中的耐热板800块体，并且优选地与第一层中的耐热板800块体重叠，致使板800之间的任何间隙均被板820覆盖。利用胶粘剂，例如遮蔽胶带，可将耐热板820块体暂时固定到第一外套810的外表面上。耐热板820块体固定到第一外套810的外表面上，使得第一外套810的整个或者基本上整个外表面覆盖有耐热板820。胶粘剂822用来将耐热板820固定在适当位置，直到第二外套830装在耐热板820和壳体100的外表面上为止。第二外套830将耐热板820固定在适当位置。第二外套优选地由多个镀锌薄钢板的板件制成，使用紧固件将这些镀锌薄钢板的板件结合在一起。
在替换的优选实施例中，本发明包括一个或者多个具有单一壳套的保温层。例如，本发明优选地包括由若干保温耐热板块体构成的第一保温层，这些块体利用胶粘剂暂时固定到罩盘102外表面上。耐热板块体固定到罩盘102的外表面上，使得壳体100的整个或者基本上整个外表面覆盖有耐热板。此外，使用胶粘剂，将由多个保温耐热板块体构成的第二保温层设置在第一保温层的外表面上，使得第二层的块体优选地与第一层中的耐热板块体重叠。需要时，可以设置额外的保温层，例如最外部玻璃纤维垫层或者高性能保温层，例如中间多孔硅石或者氧化铝。然后，将外套装在最外保温层的外表面上，以便将保温层固定在适当位置。
本发明将反应器分成n＝2或者更多的独立管束。图1和2A所示的实施例示出具有两个管束32、42的结构，但是本发明设想具有两束以上的实施例，在这个实施例中，第二流体流通过共用入口和共用出口运送。通过将独立束的数量增加到大于1的数量，本发明使流过给定管束的第二流体的速度降低了1/n。流过给定束的第二流体流的速度降低，可以使底部组件中的第二流体的压降降低50％到75％。通过在邻近入口140的两个芯部32、42的中部建立燃烧器风箱，本发明还省去了’060专利申请中的悬臂式燃烧器风箱。在从燃烧器130引到入口140的管中完全形成火焰，该管可以利用一个或者多个弹性件(例如波纹管)132隔离，以便使燃烧器重量与反应器脱离。燃烧器130可以刚性地装到支承框架上。
本发明有利地利用了加热的第二流体的浮力，以便产生通过重整器/底部组件20、过热器部分220、锅炉部分230和预热器部分240的自然通风，加上来自通气排风扇250的任选强制通风，以便降低重整器内的压力。理想的是，在重整器壳体内得到真空。通过如所述的那样垂直地布置元件来提高这种效果，以便得到更大的“烟囱高度”。
应该注意的是，这里所述和示出的典型实施例表示本发明的优选实施例，但并不意味着这里以任何方式限制权利要求的范围。
按照上面的指导说明可以对本发明进行许多变更和改进。因此，应该明白，在附加的权利要求范围内，可以以其它方式而不是如这里具体描述的那样来实施本发明。
Claims (43)
1.一种热交换装置，包括：
壳体；
第一排列流体导管，其设置在所述壳体内，所述第一排列流体导管被构造成输送第一流体；
第二排列流体导管，其设置在所述壳体内，所述第二排列流体导管被构造成输送第一流体；以及
第一流体通道，其设置在所述壳体内，由所述壳体的内表面和导流板限定所述第一流体通道，所述第一流体通道被构造成输送第二流体；
其中，所述导流板被构造成将所述第一流体通道分成第一流动通路和第二流动通路；以及
其中，所述第一排列流体导管贯穿所述第一流动通路并且所述第二排列流体导管贯穿所述第二流动通路；
该热交换装置还包括密封区，该密封区被构造成在所述壳体内限定所述第一流体通道和第二流体通道；
第一完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面；
第二完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面并且限定所述第二流体通道；
耐热衬垫，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间；以及
一层膨胀材料，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间，
其中，所述第一排列流体导管和所述第二排列流体导管贯穿所述第一完全导流板、所述第二完全导流板、所述耐热衬垫和所述膨胀材料层。
2.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述第一流体通道包括入口和出口，并且其中，所述出口设在竖向上处于所述入口上方的位置。
3.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述第一流体通道包括入口、第一出口和第二出口，其中，所述第一出口连接到所述第一流动通路上，而所述第二出口连接到所述第二流动通路上，并且其中，所述第一出口和所述第二出口设在竖向上处于所述入口上方的位置。
4.如权利要求1所述的热交换装置，该热交换装置还包括预热器部分，该预热器部分具有额外流体通道，该额外流体通道流体性地连接到所述第一流体通道的出口上，其中，所述预热器部分包括贯穿所述额外流体通道的流体导管，其中，所述流体导管被构造输送第一流体，并且其中，所述流体导管流体性地连接到入口歧管上，该入口歧管流体性地连接到所述第一排流体导管和所述第二排流体导管上。
5.如权利要求4所述的热交换装置，其特征在于，所述第一流体通道的所述出口通过流体密封接头连接到所述额外流体通道上，所述流体密封接头被构造成适应有差别的膨胀。
6.如权利要求5所述的热交换装置，其特征在于，所述流体密封接头是滑动接头。
7.如权利要求5所述的热交换装置，其特征在于，所述流体密封接头是织物或者金属波纹管。
8.如权利要求4所述的热交换装置，该热交换装置还包括锅炉部分，该锅炉部分具有沿着所述预热器部分与所述入口歧管之间的所述流体导管设置的锅炉，其中，所述额外流体通道贯穿所述锅炉部分，并且其中，所述锅炉在所述预热器与所述第一流体通道的所述出口之间的位置上贯穿所述额外流体通道。
9.如权利要求8所述的热交换装置，该热交换装置还包括过热器部分，其中，所述额外流体通道贯穿所述过热器部分，并且其中，所述流体导管在所述锅炉部分与所述第一流体通道的所述出口之间的位置上贯穿所述额外流体通道。
10.如权利要求9所述的热交换装置，其特征在于，所述过热器部分设在竖向上处于所述第一流体通道的所述出口上方的位置处，其中，所述锅炉部分设在竖向上处于所述过热器部分上方的位置处，并且其中，所述预热器部分设在竖向上处于所述锅炉部分上方的位置处。
11.如权利要求10所述的热交换装置，其特征在于，所述第一流体通道包括入口，并且其中，所述第一流体通道的所述出口设在竖向上处于所述入口上方的位置上。
12.如权利要求11所述的热交换装置，该热交换装置还包括排风扇，该排风扇设在所述额外流体通道的出口上。
13.如权利要求10所述的热交换装置，其特征在于，所述第一流体通道包括入口、第一出口和第二出口，其中，所述第一出口连接到所述第一流动通路上，而所述第二出口连接到所述第二流动通路上，并且其中，所述第一出口和所述第二出口设在竖向上处于所述入口上方的位置上。
14.如权利要求13所述的热交换装置，该热交换装置还包括设在所述额外流体通道的出口处的排风扇。
15.如权利要求10所述的热交换装置，该热交换装置还包括：
第一容器；以及
第二容器，其被构造成叠置在所述第一容器的顶部，
其中，所述壳体被限定为底部组件，
其中，所述过热器部分、所述锅炉部分和所述预热器部分被限制为顶部组件，
其中，所述底部组件装在所述第一容器内，
其中，所述顶部组件装在所述第二容器内，以及
其中，当所述第二容器叠置在所述第一容器的顶部时，于是所述第一流体通道的所述出口便连接到所述额外流体通道上。
16.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述第一排列流体导管贯穿所述导流板，并且其中，所述第二排列流体导管贯穿所述导流板。
17.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述第一排列流体导管具有第一多个传热翅片，这些第一多个传热翅片设在所述第一排列流体导管的外表面上，所述第一多个传热翅片延伸在所述第一流动通路内，以及
其中，所述第二排列流体导管具有第二多个传热翅片，这些第二多个传热翅片设在所述第二排列流体导管的外表面上，所述第二多个传热翅片延伸在所述第二流动通路内。
18.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述第一排列流体导管包括第一排流体导管，所述第一排流体导管流体性地连接到第一管形入口歧管和第一管形出口歧管上，所述第一排流体导管具有设在其外表面上的第一传热翅片，所述第一传热翅片延伸在所述第一流动通路内，以及
其中，所述第一排列流体导管包括第二排流体导管，所述第二排流体导管流体性地连接到第二管形入口歧管和第二管形出口歧管上，所述第二排流体导管具有设在其外表面上的第二传热翅片，所述第二传热翅片延伸在所述第一流动通路内。
19.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述第一排列流体导管包括第一排流体导管和第二排流体导管，所述第一排流体导管和所述第二排流体导管流体性地连接到管形入口歧管上。
20.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述第一排列流体导管包括第一排流体导管和第二排流体导管，所述第一排流体导管和所述第二排流体导管流体性地连接到管形出口歧管上。
21.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述耐热衬垫和所述膨胀材料层基本上完全填满所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间的间隙。
22.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述膨胀材料层由在300℃以上的温度下膨胀的材料制成。
23.如权利要求1所述的热交换装置，该热交换装置还包括：
连接所述第一流体通道的出口和所述第二流体通道的入口的第三流体通道；以及
燃烧器，其沿着所述第三流体通道设置，所述燃烧器被构造成用于加热进入所述第二流体通道的所述入口的第二流体。
24.如权利要求23所述的热交换装置，该热交换装置还包括：
预热器，其具有入口流体通道，该入口流体通道流体性地连接到所述第一流体通道的入口上，其中，所述预热器包括流体导管，该流体导管贯穿所述入口流体通道，其中，所述流体导管被构造成用于输送第一流体，并且其中，所述流体导管流体性地连接到出口歧管上，该出口歧管又流体性地连接到所述第一排列流体导管和所述第二排列流体导管上；
冷燃烧入口，其流体性地连接到所述入口流体通道上，其中，所述冷燃烧入口在所述燃烧器上游的位置上流体性地连接到所述第三流体通道上；以及
装置，其用于控制从所述冷燃烧入口到所述预热器和从所述冷燃烧入口到所述燃烧器的第二流体的流量。
25.如权利要求24所述的热交换装置，其特征在于，用于控制的所述装置包括：
第一阀，其设在所述冷燃烧入口与所述预热器之间，以控制从所述冷燃烧入口到所述预热器的第二流体的流量；以及
第二阀，其设在所述冷燃烧入口与所述燃烧器之间，以控制从所述冷燃烧入口到所述燃烧器的第二流体的流量。
26.如权利要求25所述的热交换装置，该热交换装置还包括致动器，该致动器被构造成用于驱动连接到所述第一阀和所述第二阀的控制联动装置，以控制所述第一阀和所述第二阀。
27.如权利要求25所述的热交换装置，该热交换装置还包括构造成用以控制所述第一阀的第一致动器和构造成用于以控制所述第二阀的第二致动器。
28.如权利要求24所述的热交换装置，其特征在于，用于控制的所述装置包括阀，该阀被构造成用于连续调节在所述冷燃烧入口与所述预热器之间的流量和在所述冷燃烧入口与所述燃烧器之间的流量。
29.如权利要求24所述的热交换装置，其特征在于，用于控制的所述装置包括：
第一管，其将所述冷燃烧入口连接到所述预热器上；
第二管，其将所述冷燃烧入口连接到所述燃烧器上；以及
阀，其被构造成用于调节流量；
其中，所述阀设在所述第一管和所述第二管中的一个上；并且
其中，所述第一管和所述第二管中的另一个其中没有阀。
30.如权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述第一排列流体导管的流体导管在其外表面上设有加强外套。
31.如权利要求30所述的热交换装置，其特征在于，所述加强外套设在所述壳体内的区域中，所述区域适合接受温度至少900℃的第二流体。
32.如权利要求31所述的热交换装置，其特征在于，所述区域适合接受温度至少1000℃的第二流体。
33.如权利要求30所述的热交换装置，其特征在于，所述加强外套由与用来构成所述第一排列流体导管的所述流体导管的材料不同的材料制成。
34.如权利要求33所述的热交换装置，其特征在于，根据第一流体的环境条件来选择用于构成所述第一排列流体导管的所述流体导管的材料，并且其中，根据第二流体的环境条件来选择用于构成所述加强外套的材料。
35.如权利要求30所述的热交换装置，其特征在于，所述第二排列流体导管的流体导管在其外表面上设有加强外套。
36.如权利要求1所述的热交换装置，该热交换装置还包括：
第一保温层，其包括绕着所述壳体的外表面设置的第一多个保温材料块体；以及
第一外套，其设置绕着所述第一保温层的外表面。
37.如权利要求36所述的热交换装置，该热交换装置还包括：
第二保温层，其包括绕着所述第一外套的外表面设置的第二多个保温材料块体；以及
第二外套，其绕着所述第二保温层的外表面设置；
其中，所述第二多个保温材料块体设置成覆盖所述第一多个保温材料块体之间的间隙。
38.如权利要求37所述的热交换装置，其特征在于，所述第一多个保温材料块体和所述第二多个保温材料块体由保温耐热板制成，并且其中，所述第一外套和所述第二外套由镀锌薄金属板的板件制成。
39.如权利要求1所述的热交换装置，该热交换装置还包括：
多个保温层，其包括绕着所述壳体的外表面设置的保温材料块体；以及
外套，其设置成绕着所述多个保温层的最外保温层的外表面。
40.一种生产氢的方法，该方法包括步骤：
将至少一种燃料供给到反应器中，该反应器包括具有入口和出口的壳体和在壳体内从入口延伸到出口的流动通路，该流动通路包括对流加热的催化蒸汽重整器和对流冷却的水气变换反应器，由此产生氢，以及
使用调节阀控制冷却流体流量，将用来冷却水气变换反应器的冷却流体的量最小化，
其中，对流加热的催化蒸汽重整器和对流冷却的水气变换反应器被以下分开：
密封区，其构造成在所述壳体内限定所述第一流体通道和第二流体通道；
第一完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面；
第二完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面并且限定所述第二流体通道；
耐热衬垫，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间；以及
一层膨胀材料，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间，
其中，所述第一排列流体导管和所述第二排列流体导管贯穿所述第一完全导流板、所述第二完全导流板、所述耐热衬垫和所述膨胀材料层。
41.如权利要求40所述的方法，其特征在于，所述冷却流体是被提供到燃烧器中以加热蒸汽重整器的燃烧空气。
42.一种生产氢的方法，该方法包括步骤：
将至少一种燃料供给到反应器中，由此产生氢，该反应器包括具有入口和出口的壳体和在壳体内从入口延伸到出口的流动通路，该流动通路包括对流加热的催化蒸汽重整器和对流冷却的水气变换反应器，
其中，设置燃烧器以加热蒸汽重整器，
其中，通过控制到燃烧器的燃烧空气总流率来控制来自所述燃烧器的燃烧产物的温度；
其中，使用调节阀来控制用于冷却水气变换反应器的冷却流体的量，以控制水气变换反应器的温度，以及
其中，对流加热的催化蒸汽重整器和对流冷却的水气变换反应器被以下分开：
密封区，其构造成在所述壳体内限定所述第一流体通道和第二流体通道；
第一完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面；
第二完全导流板，其延伸跨越所述壳体的整个横截面并且限定所述第二流体通道；
耐热衬垫，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间；以及
一层膨胀材料，其设在所述第一完全导流板与所述第二完全导流板之间，
其中，所述第一排列流体导管和所述第二排列流体导管贯穿所述第一完全导流板、所述第二完全导流板、所述耐热衬垫和所述膨胀材料层。
43.根据权利要求42所述的方法，其特征在于，所述冷却流体是提供到燃烧器中的燃烧空气。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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