CN104603571A - 具有浮动集管的热交换器 - Google Patents

Abstract

一种热交换器包括两个热交换器区段，至少一个所述热交换器区段设置有浮动集管以适应不同的热膨胀。所述两个热交换器区段由内壳体壁围封，并且外部连接通道提供在所述内壳体壁外部，流体中的一者经由所述外部连接通道在所述两个热交换器区段之间流动。所述外部连接通道由外壳体围封。所述内壁设置有与所述外部连接通道连通的开口。所述开口可呈基本上连续的间隙或离散开口的形式。具有这种构造的热交换器的具体实例包含蒸汽发生器、蒸汽发生器与组合的催化转化器以及水气转换反应器。

Description

具有浮动集管的热交换器

相关申请案的交叉参考

本申请案请求2012年6月29日递交的第13/537,824号美国专利申请案的优先权和权益，所述申请案的内容以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及具有至少一个热交换器区段的热交换器，所述热交换器可具有壳管式构造，并且尤其涉及管的轴向热膨胀通过提供浮动集管来适应的此类热交换器。

背景技术

热交换器常用于将热从极热气体传递到相对冷却的气体及/或液体。所述热交换器的接触热气的部分与接触较冷气体及/或液体的部分之间可能存在显著温度差。这些温度差可能导致热交换器构件的不同热膨胀，这可在各种构件之间的接点中及构件本身中引起应力。随时间推移，这些应力可能引起接点及/或热交换器构件的过早失效。

在典型的壳管式热交换器中，流动穿过管的热气流将热传递到流动穿过壳体、与管的外表面接触的相对冷却的气体及/或液体。所述管比周围的壳体热得多，这引起管轴向(纵向)膨胀比壳体更大的量。管和壳体的这种不同热膨胀在管上引起对集管接点的潜在损害应力，以及在所述管、所述集管和所述壳体上引起应力。

已知以允许管和壳体的不同热膨胀的手段提供壳管式热交换器。举例来说，共同转让的第7,220,392号美国专利(Rong等人)描述一种壳管式燃料转化反应器，其中管的仅一端通过集管刚性地连接至壳体。相对端的集管并不刚性地连接至壳体，并且因此相对于壳体“浮动”，从而允许管相对于壳体自由膨胀。

Rong等人的热交换器通常作为燃料重组器(reformer)应用，其中浮动集管整合有用于催化剂的圆柱形容器。壳管式热交换器具有众多其它应用，并且仍然需要提供用于其它应用的壳管式热交换器中的不同热膨胀的解决方案。

发明内容

在一个方面中，提供一种热交换装置，所述热交换装置包括串联布置的第一热交换器区段及第二热交换器区段。所述热交换装置包括：(a)内壳体，所述内壳体具有第一端和第二端并且具有在第一端与第二端之间沿轴线延伸的内壳体壁，其中，第一热交换器区段和第二热交换器区段被围封在内壳体壁内；(b)提供在第一热交换器区段中的第一流体入口和提供在第二热交换器区段中的第一流体出口；(c)提供在第二热交换器区段中的第二流体入口和提供在第一热交换器区段中的第二流体出口；(d)轴向延伸第一流体流道，所述轴向延伸第一流体流道从第一流体入口延伸穿过第一热交换器区段和第二热交换器区段到达第一流体出口，其中，第一流体在第一热交换器区段与第二热交换器区段之间流动穿过位于内壳体内部的内部连接通道；(e)轴向延伸第二流体流道，所述轴向延伸第二流体流道从第二流体入口延伸穿过第一热交换器区段和第二热交换器区段到达第二流体出口，其中，第一流体流道和第二流体流道彼此密封，并且其中，第二流体在第二热交换器区段与第一热交换器区段之间流动穿过位于内壳体外部的外部连接通道；(f)外壳体，所述外壳体围封外部连接通道；(g)在第二热交换器区段中穿过内壳体的至少一个孔口，第二流体从第二热交换器区段流动穿过所述孔口到外部连接通道中；及(h)在第一热交换器区段中穿过内壳体的至少一个孔口，第二流体从外部连接通道流动穿过所述孔口到第一热交换器区段中。在第一热交换器区段中的至少一个孔口包括第一轴向间隙，所述第一轴向间隙提供在内壳体壁的第一部分与内壳体壁的第二部分之间。

在另一方面中，内壳体壁的第一部分和第二部分由第一轴向间隙完全间隔开，但在装置的首次使用之前，内壳体壁的第一部分和第二部分通过多个腹板接合在一起，每一腹板均跨越第一轴向间隙。腹板可具有充足厚度和硬度，使得所述腹板在热交换装置的制造期间将内壳体壁的第一部分和第二部分保持在一起，并且其中，腹板薄得足以使所述腹板在热交换装置的使用期间由轴向热膨胀力打破。

在另一方面中，外壳体具有轴向延伸外壳体壁，所述轴向延伸外壳体壁包围第一轴向间隙，并且其中，外壳体壁与内壳体壁隔开，使得外部连接通道包括环形空间。外壳体可具有：第一端，所述第一端密封地固定到内壳体壁的第一部分的外表面；及第二端，所述第二端密封地固定到内壳体壁的第二部分的外表面。

在另一方面中，第二热交换器区段包括同心管式热交换器。同心管式热交换器可包括：(a)轴向延伸中间管，所述轴向延伸中间管至少部分收纳在内壳体壁的第一部分内并且与内壳体壁的所述第一部分隔开使得在内壳体壁与中间管之间提供环形空间，其中，外环形空间包括第二流体流道的一部分并且位于第二流体入口与第二热交换器区段中穿过内壳体的至少一个孔口之间，第二流体从第二热交换器区段流动穿过所述孔口到外部连接通道中；(b)轴向延伸内管，所述轴向延伸内管收纳在中间管内并且与所述中间管隔开使得在内管与中间管之间提供内环形空间，其中，内环形空间包括第一流体流道的一部分并且位于内部连接通道与第一流体出口之间。所述内管的至少一端可封闭以便阻止穿过所述端的流体流动。

在另一方面中，同心管式热交换器的外环形空间可具有封闭端，并且第二流体入口可提供在内壳体中。并且，供第二流体从第二热交换器区段流动而到外部连接通道所穿过的至少一个孔口可包括穿过内壳体的多个间隔开的孔口。

在另一方面中，第一热交换器区段可包括壳管式热交换器。所述壳管式热交换器可包括：(a)第一多个轴向延伸的间隔开的管，所述管围封在内壳体内，所述第一多个管中的每一个管均具有第一端、第二端和中空内部，所述第一端和第二端为开放的；其中，第一多个管的中空内部一起限定第一流体流道的一部分；(b)第一集管，所述第一集管具有使第一多个管的第一端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，第一集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到内壳体壁；(c)第二集管，所述第二集管具有使第一多个管的第二端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，第二集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到内壳体壁，其中，由内壳体及第一集管和第二集管围封的空间限定第二流体流道的一部分；其中，第一集管附接到内壳体的第一部分，并且第二集管附接到内壳体的第二部分，使得内壳体壁的第一部分与第二部分之间的第一轴向间隙提供外部连接通道与由内壳体及第一集管和第二集管围封的空间之间的连通。

壳管式热交换器的第二流体出口可包括穿过内壳体壁的孔口并且位于第一集管与第二集管之间，其中，第一集管和第二流体出口接近于内壳体的第一端定位。

在另一方面中，第一热交换器区段可进一步包括第一挡板，所述第一挡板横跨由内壳体及第一集管和第二集管围封的空间延伸并且将所述空间划分成第一部分和第二部分。第一挡板可具有：外周边边缘，所述外周边边缘靠近或接触内壳体壁；多个穿孔，所述第一多个管穿过所述穿孔延伸；及孔口，所述孔口提供所述空间的第一部分与第二部分之间的连通。第一挡板的外周边边缘可密封地固定到内壳体壁。第一挡板可包括扁平环形板，所述扁平环形板跨由内壳体及第一集管和第二集管围封的空间横向延伸，其中，穿过第一挡板的孔口定位于第一挡板的中心部分，并且其中，第一挡板位于第一集管与第二集管之间的近似中间位置。

在另一方面中，第二流体出口可位于壳管式热交换器中所述空间的第一部分中，并且第一热交换器区段可进一步包括第二挡板，所述第二挡板具有轴向延伸管状侧壁，所述轴向延伸管状侧壁具有中空内部并且在两端开放；其中，第二挡板位于所述空间的第一部分内并且在第一挡板与第一集管之间轴向延伸；其中，第二挡板的一端紧靠第一挡板，同时第二挡板的管状侧壁包围第一挡板的孔口，使得第一挡板的孔口与第二挡板的管状侧壁的中空内部连通；并且其中，第二挡板的管状侧壁具有至少一个孔口，所述孔口提供第二挡板的中空内部与第二流体出口之间的连通。在第二挡板的管状侧壁中的至少一个孔口背向限定第二流体出口的孔口，并且在第二挡板的管状侧壁中的孔口可与限定第二流体出口的孔口有角度地隔开约180度。此外，在第二挡板的管状侧壁中的孔口可包括轴向延伸狭槽，所述轴向延伸狭槽可(例如)从第二挡板的一端延伸到另一端。

在另一方面中，热交换装置包括蒸汽发生器，其中，第一流体为热尾气，并且第二流体为液体水和蒸汽。

在另一方面中，第二热交换器区段包括第二壳管式热交换器，所述第二壳管式热交换器包括：(a)第二多个轴向延伸的间隔开的管，所述管围封在内壳体内，所述第二多个管中的每一个管具有第一端、第二端和中空内部，第一端和第二端为开放的；其中，第二多个管的中空内部一起限定第一流体流道的一部分；(b)第三集管，所述第三集管具有使第二多个管的第一端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，第三集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到内壳体壁；(c)第四集管，所述第四集管具有使第二多个管的第二端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，第二集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到内壳体壁，其中，由内壳体及第三集管和第四集管围封的空间限定第二流体流道的一部分；(d)第二流体入口，所述第二流体入口与第二流体流道的第二部分流体连通；及(e)第二流体出口，所述第二流体出口与第二流体流道的第二部分流体连通。

在另一方面中，第二壳管式热交换器的第三集管附接到内壳体壁的第一部分。并且，内壳体壁可包括第三部分，第四集管附接到所述第三部分；第二轴向间隙提供在内壳体壁的第一部分与第三部分之间；并且第二轴向间隙提供由内壳体及第三集管和第四集管围封的空间与外部连接通道之间的连通。

在另一方面中，内壳体壁的第一部分和第三部分由所述第二轴向间隙完全间隔，但在所述装置的首次使用之前，内壳体壁的第一部分和第三部分通过多个腹板接合在一起，每一个腹板均跨越第二轴向间隙；其中，腹板具有充足厚度和硬度，使得所述腹板在热交换装置的制造期间将内壳体壁的第一部分和第三部分保持在一起，并且其中，腹板薄得足以使所述腹板在热交换装置的使用期间由轴向热膨胀力打破。

在另一方面中，热交换装置可进一步包括催化剂床，所述催化剂床被围封在内壳体壁的第一部分内并且位于内连接通道中。热交换装置可包括(例如)水气转换反应器，其中，第一流体为热合成气体，并且第二流体为空气。

在另一方面中，第二壳体设置有轴向可扩展波纹。

在另一方面中，第一热交换器区段包括：(a)单热交换管，所述单热交换管具有第一端、第二端和中空内部，所述第一端和第二端为开放的；其中，热交换管的中空内部限定第一流体流道的一部分；(b)第一集管，所述第一集管具有使热交换管的第一端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，第一集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到内壳体壁；(c)第二集管，所述第二集管具有使热交换管的第二端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，第二集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到内壳体壁，其中，由内壳体及第一集管和第二集管围封的空间限定第二流体流道的一部分；其中，第一集管附接到内壳体的第一部分，并且第二集管附接到内壳体的第二部分，使得内壳体壁的第一部分与第二部分之间的第一轴向间隙提供外部连接通道与由内壳体及第一集管和第二集管围封的空间之间的连通。举例来说，热交换管可包括波纹管壁。

在另一方面中，第一热交换器区段可包括同心管式热交换器，所述同心管式热交换器包括：(a)轴向延伸中间管，所述轴向延伸中间管收纳在内壳体壁内并且与所述内壳体壁隔开，使得在内壳体壁与中间管之间提供外环形空间，其中，所述外环形空间包括第二流体流道的一部分；(b)轴向延伸内管，所述轴向延伸内管收纳在中间管内并且与所述中间管隔开，使得在内管与中间管之间提供内环形空间，其中，所述内环形空间包括第一流体流道的一部分。举例来说，中间管可具有膨胀端，所述膨胀端密封地固定到内壳体，并且其中，外环形空间通过所述轴向间隙与第二流体出口连通并且与外部连接通道连通。并且，中间管可设置有波纹以准许中间管的轴向膨胀。

附图说明

现在将仅借助于实例参考附图描述本发明，在附图中：

图1为沿图2的线1-1的轴向横截面，图示根据本发明的第一实施例的热交换器；

图2为从热交换器的出口端获取的所述热交换器的正视图；

图3A为沿图1的线3-3'的所述热交换器的横向横截面；

图3B图示所述热交换器的一个壳体的一分段，示出了一对挡扳；

图4为所述热交换器的透视图；

图5A图示所述热交换器的一个壳体的一分段；

图5B和图5C为特写图，示出了图5A的壳体分段中的替代腹板配置；

图6和图7为沿线1-1的部分横截面图，图示了第一实施例的热交换器如何适应不同热膨胀；

图8和图9为透视图，示出了容纳管的壳体的一部分，再次图示不同热膨胀；

图10为根据本发明的第二实施例的热交换器的轴向横截面；

图11为根据本发明的第三实施例的蒸汽发生器的轴向横截面；

图12为图11的蒸汽发生器的第一热交换器区段的单管与两个集管的分离视图；

图12A图示用于图11和图12的蒸汽发生器的挡扳配置；

图13为根据本发明的第四实施例的蒸汽发生器的轴向横截面；

图14为沿图13的线14-14的横截面；以及

图15为图13的蒸汽发生器的变型的放大部分轴向横截面。

具体实施方式

现在参考图1至图9在下文描述根据本发明的第一实施例的热交换装置10。

术语(如“上游”、“下游”、“入口”和“出口”)用于以下描述中来协助描述在图式中示出的实施例。然而，应了解，这些术语仅为便利性而使用，并且并不限制穿过本文所描述的热交换器的流体流动的方向。实际上，应理解，流动穿过热交换器的一个或两个流体的流动方向可颠倒(在此类流动反向为有利的情况下)。

热交换装置10为蒸汽发生器或组合的蒸汽发生器与催化转化器，其中来自热废气(尾气)的热用于将液体水转化成过热蒸汽。蒸汽发生器10一般包括两个热交换器区段：包括壳管式热交换器的第一热交换器区段12和包括同轴同心管式热交换器的第二热交换器区段14。在使用时，出于以下将变得显而易见的原因，装置10可如图1中示出而定向，其中第二热交换器区段14在第一热交换器区段12上方。

壳管式热交换器12包含多个轴向延伸的间隔开的管16，所述管布置在管束中，其中管16彼此呈平行隔开关系并且所述管的末端对齐。尽管对于本发明并不是必需的，但管束可具有如根据图3、图8和图9显而易见的大致圆柱形形状。每一个管16为圆柱形并且具有第一(上游)端18、第二(下游)端20和中空内部。第一端18和第二端20为开放的，同时管16的中空内部一起限定第一流体流道22的第一部分。在本发明的这个实施例中，第一流体为热废气或尾气，并且因此第一流体流道22的第一部分有时在本文中被称作“上游尾气通道22”。如可从图1看出，进入蒸汽发生器10的尾气流动到管16的第一端18中，穿过管16的中空内部并且通过第二端20离开管16。

蒸汽发生器10还包含第一流体入口24，有时在本文中被称作“尾气入口24”。尾气入口24不仅充当允许尾气进入上游尾气通道22中的入口，并且充当尾气从外部来源(未示出)进入蒸汽发生器10的入口。因此，尾气入口24设置有尾气入口配件25，通过所述尾气入口配件从外部来源接收尾气。尾气入口24与多个管16的第一端18流体连通。如图1中所示出，入口歧管空间26可提供在第一流体入口24与管16的第一端18之间。

蒸汽发生器10进一步包括第一壳体28(有时在本文中被称作“内壳体”)，所述第一壳体具有轴向延伸的第一壳体壁30(有时在本文中被称作“内壳体壁”)，所述第一壳体壁包围多个管16。在这个实施例中，第一壳体壁30延伸贯穿第一热交换器区段12并且贯穿第二热交换器区段14的至少一部分。尽管对于本发明并不是基本的，但第一壳体壁30可具有圆柱形形状。

在图示中示出第一壳体28的构造的某些细节。在此方面，第一壳体28可由端与端接合在一起的两个或两个以上分段构造。举例来说，在图1中示出的实施例中，第一壳体28包括：端盖区段32，所述端盖区段包含其中提供有第一流体入口24的封闭端壁34；中间区段36，所述中间区段在图5A中独立地示出并且下文参考图5A至图5C进一步论述；及末端区段38，所述末端区段形成第二热交换器区段14的一部分。应理解，虽然这种类型的壳体构造在这个实施例中有用，但所述构造为任选的构造，对于本发明并不是必需的。

蒸汽发生器10进一步包括一对集管，即接近于管16的第一端18定位的第一(上游)集管40和接近于管16的第二端20定位的第二(下游)集管42。集管40、42各设置有多个穿孔44(如图3中所示出)，管16的第一端18和第二端20分别收纳在所述穿孔中。如图1中所示出，管16的端18、20可完全穿过集管40、42的穿孔44延伸，并且通过任何适宜的手段与集管40、42密封并刚性地固定到集管40、42。举例来说，在管16和集管40、42由金属制成的情况下，所述管和集管可通过钎焊或焊接固定在一起。

每一个集管40、42具有外周边边缘46，所述集管在所述外周边边缘处密封并固定到第一壳体壁30。因此，集管40、42具有用于附接到第一壳体壁30的圆形形状。从图式可见，第一壳体壁30及第一集管40和第二集管42一起限定第二流体流道50的第二部分。在本实施例中包括蒸汽及/或液体水的第二流体流动穿过接触第一多个管16的外表面的流道50。因此，第二流体流道50的第二部分有时在本文中被称作“下游蒸汽通道22”。下游蒸汽通道可设置有至少一个挡板(描述如下)以产生用于流动穿过通道22的蒸汽的迂曲路径，从而延长流动路径并促进从尾气到蒸汽的热传递。

在所图示的实施例中，第一壳体28的三个区段32、36、38通过集管40、42接合在一起。在此方面，每一个集管具有外周边边缘46，所述外周边边缘设置有轴向延伸周边壁48，其中，壁48收纳并搭叠于构成第一壳体28的区段中的两个。更具体来说，第一集管40连接端盖区段32和中间区段36的一端，而第二集管42连接中间区段36的相对另一端与末端区段38。集管40、42的周边壁48通过搭接接头接合到壳体区段32、36和38，所述搭接接头可通过钎焊或焊接形成。如上文已阐释，壳体28的所述多区段构造为任选的，如同用以连接区段32、36、38的集管40、42的使用一样。应了解，存在构造蒸汽发生器10的众多其它方式。举例来说，第一壳体28可为集管40、42的周边边缘46附接并密封到第一壳体壁30的内表面的整体构造。然而，在这个特定实施例中，图式中示出的分段构造提供装配简易性并且确保集管40、42的恰当对齐和密封。

壳管式热交换器12还设置有入口和出口开口以允许第二流体(即蒸汽)进入和离开第二流体流道50。在此方面，第二流体入口52(在本文中也被称作“蒸汽入口52”)和第二流体出口(在本文中也被称作“过热蒸汽出口54”)提供在第一壳体壁30中，与下游蒸汽通道50的内部流体连通。因为尾气和蒸汽彼此逆流，所以蒸汽入口52(以下进一步描述)接近于第二集管42定位，而过热蒸汽出口54接近于第一集管40定位。过热蒸汽出口54不仅充当允许蒸汽从下游蒸汽通道50排放的出口，并且充当蒸汽以过热形式离开蒸汽发生器10以供在外部系统构件(未示出)中使用的出口。因此，过热蒸汽出口54设置有蒸汽出口配件56，过热蒸汽通过蒸汽出口配件排放到外部系统构件。

如上所提及，蒸汽入口52提供在第一壳体壁30中，并且在图1至图9中示出的实施例中，所述蒸汽入口包括在第一壳体壁30整个外周或基本上整个外周周围延伸并且将壳体壁30分隔成第一部分60和第二部分62的狭槽或间隙58。在图1中示出的实施例中，第一壳体壁30的第一部分60包含间隙58下方(相对于尾气流动方向的下游)的壳体壁30的部分，而第二部分包括间隙58上方(相对于尾气流动方向的上游)的壳体壁30的部分。因此，壳体壁30的第一部分60与壳体壁30的第二部分62轴向隔开。因此间隙58有时在本文中被称作“第一轴向空间”。在图1至图9中示出的实施例中，间隙58充当进入到下游蒸汽通道50中的蒸汽入口52，但应了解，间隙58可改为充当出口，其中蒸汽的流动方向与图1中示出的相反。

图5A示出在装置10的装配之前独立的第一壳体壁30的中间区段36。中间区段36包括末端开放的圆柱形管，所述管具有用于过热蒸汽出口54的开口并且还具有构成蒸汽入口52及间隙58的沿圆周延伸的狭槽。如所示出，间隙58及过热蒸汽出口54靠近中间壳体区段36的相对的两端定位，由此在第二流体流道50的入口52与出口54之间提供所需间距。因此，在装配的蒸汽发生器10中，间隙58接近于第二集管42定位，而过热蒸汽出口54接近于第一集管40提供。

如图5A中所示出，第一壳体壁30的中间区段36设置有跨间隙58轴向延伸的多个腹板64以便为第一壳体壁30的中间区段36提供整体结构。并且，在图1中所示出的装配的蒸汽发生器10中，腹板64提供第一壳体壁30的第一部分60与第二部分62之间的连接。腹板64具有充足厚度和硬度，使得所述腹板将第一部分60和第二部分62保持在一起以在制造过程期间有助于装配蒸汽发生器10。然而，腹板64薄得足以使所述腹板不会显著减损到第一壳体28中或出自第一壳体28的第二流体的流量，并且此类间隙58为基本上连续的。

在图5B中所示出的实施例中，腹板64薄得足以使所述腹板在蒸汽发生器10的使用期间通过多个管16的轴向热膨胀力而被打破。在图5B中所示出的替代实施例中，第一壳体壁30的中间区段36设置有腹板64，所述腹板具有肋状物或波纹65，所述肋状物或波纹为腹板64提供响应于第一壳体壁30的中间区段36的轴向热膨胀而在轴向方向上扩展和收缩的能力。因此，不论腹板64是可打破的还是可扩展的，所述腹板都可为壳体壁30提供顺应性，从而准许集管“浮动”并且由此避免由不同热膨胀的轴向力引起的对热交换器的损害。

如上所提及，可提供一或多个挡板来产生用于蒸汽流动穿过通道22的迂曲路径。在图1、图3A和图3B中图示并且现在下文描述挡扳配置的实例。挡扳配置包含第一挡板94，所述第一挡板如图1所示出包括跨穿过通道22的蒸汽流动的方向横向延伸的平板并且位于蒸汽入口52(即狭槽58)与蒸汽出口54之间。第一挡板94具有外周边边缘，所述外周边边缘靠近或接触第一壳体28的内表面定位，以阻止围绕挡板94的大体旁路流量。第一挡板的外周边边缘可密封地固定到内壳体壁。第一挡板94的外环形部分设置有孔洞112，所述孔洞的尺寸为可紧密容纳管16。第一挡板94的外部分包围开口113，所述开口可居中位于挡板94中，并且基本上所有蒸汽穿过所述开口在蒸汽入口52与蒸汽出口54之间流动。

挡扳配置还包含第二挡板95(仅在图3A和图3B中示出)，其从第一挡板94直立并且从第一挡板94沿朝向第一集管40的蒸汽流动方向(即朝上)延伸。第二挡板95包括轴向延伸管状侧壁，所述轴向延伸管状侧壁在两端都为开放的并且具有中空内部。第二挡板95的一端紧靠第一挡板并且定位在第一挡板94的中心开口113上方，其中管状侧壁包围中心开口113。因此，第一挡板94的中心开口113与管状侧壁的中空内部连通，使得第二挡板95接纳流动穿过开口113的蒸汽。

第二挡板95在管状侧壁中具有至少一个孔口97，所述孔口提供第二挡板95的中空内部与蒸汽出口54之间的连通。在此方面，孔口97可背向蒸汽出口54，使得离开孔口97的蒸汽必须围绕第二挡板95的管状侧壁流动而到达蒸汽出口54。如所示出，孔口97可与蒸汽出口54成角度地隔开约180度，使得孔口97完全背向蒸汽出口。在图式中所示出的实施例中，孔口97包括轴向延伸狭槽，所述轴向延伸狭槽可贯穿第二挡板95的高度从一端延伸到另一端。然而，应了解管状侧壁可设置有一个或多个所述孔口97，并且所述孔口可包括离散开口或孔洞而不是细长狭槽。此外，孔洞不需要彼此轴向对齐，但可围绕挡扳95的管状侧壁的外周隔开。

可见，包含挡扳94和挡板95的挡扳配置产生用于流动穿过通道22的蒸汽的迂曲路径，从而延长流动路径并促进从尾气到蒸汽的热传递。在图式中所示出的实施例中，挡板94的中心开口113为圆形，并且第二挡板95具有基本上圆柱形的“C”形状。应了解，其它形状可用于开口113和挡板95。

蒸汽发生器10还包含第二壳体66(有时在本文中被称作“外壳体”)，所述第二壳体具有轴向延伸第二壳体壁68(有时在本文中被称作“外壳体壁68”)，所述第二壳体壁沿第一壳体28的长度的至少一部分延伸。第二壳体66包围第一壳体28的一部分，间隙58位于所述部分中，并且所述第二壳体具有大于第一壳体28的直径，使得第二壳体壁68与第一壳体壁30径向朝外隔开。这个径向间距提供通过间隙58与下游蒸汽通道50流体连通的环形歧管空间70(在本文中也被称作“外部流道”)。

因为第二壳体66提供覆盖间隙58的歧管空间70，所以第二壳体在其末端72处密封到第一壳体壁30的外表面。在此方面，第二壳体壁66在其末端72处直径减小，从而在轴向延伸套管74中收端，所述套管通过钎焊或焊接密封到第一壳体壁30。如图1中所示出，套管74中的一个连接至第一壳体28的第一部分60，而相对端72处的套管74连接至第一壳体的第二部分62并且定位在第一壳体壁30上间隙58与过热蒸汽出口54之间。蒸汽发生器10的第二壳体壁66具有朝向轴向套管74朝内倾斜的端部。响应于管16和第一壳体壁30的热膨胀和收缩，朝内倾斜端是在某种程度上顺应的并且适应第二壳体壁66的轴向膨胀和收缩。第二壳体壁66可改为设置有沿圆周波纹或“伸缩纹(bellow)”而不是倾斜端部分来适应热膨胀。这些波纹的形式可类似于图10中所示出的实施例中的波纹肋状物204。

如上所提及，热交换装置10进一步包括第二热交换器区段14，所述第二热交换器区段与第一热交换器区段12串联布置。在本文中也被称作“锅炉14”的第二热交换器区段14包含第一流体流道76(在本文中也被称作“下游尾气通道76”)的第二部分，所述第二部分从上游尾气通道22接收尾气。第二热交换器区段14还包含第二流体流道78(在本文中也被称作“上游水/蒸汽通道78”)的第一部分，液体水在所述第一部分中转化成随后流向下游蒸汽通道50的蒸汽。

蒸汽发生器10的第二热交换器区段14呈同心管式热交换器的形式，其中第一壳体壁30的第一部分60形成最外管层。同心管式热交换器14进一步包括轴向延伸中间管80，所述轴向延伸中间管至少部分地收纳在第一壳体壁30的第一部分60内。

在图式中所示出的实施例中，中间管80具有：第一端82，所述第一端收纳在第一壳体壁30内部紧挨着第一热交换器区段12；及第二端84，所述第二端伸出超过第一壳体28的末端并以端壁86收端，在所述端壁中提供第一流体出口85(在本文中也被称作“尾气出口”)。尾气出口85不仅充当允许从下游尾气通道76排放尾气的出口，并且充当尾气相对于入口24处的温度以冷却形式离开蒸汽发生器10用于排气或供用于外部系统构件(未示出)所穿过的出口。因此，尾气出口85设置有尾气出口配件88，通过所述尾气出口配件从蒸汽发生器10排放冷却尾气。

应了解，在中间管80的伸出超过第一壳体28的末端的部分中基本上不存在热交换。实际上，这个伸出部分起到提供出口歧管空间90以用于通过出口85从蒸汽发生器10排放的尾气的功能。

可见，上游水/蒸汽通道78限定在第一壳体壁30与中间管80之间的外环形空间91内，并且在其末端处(例如)通过环形密封环92封闭，所述环形密封环填充环形空间91并提供用于第一壳体28与中间管80之间的连接的手段。尽管第一壳体28与中间管80之间的空间的末端由环形环92密封，但应了解，这并不是必需的。实际上，第一壳体28的直径可减小，且/或中间管80的直径可增大以提供连接第一壳体28与中间管80的点。

同心管式热交换器14进一步包括轴向延伸内管96，所述轴向延伸内管为在一个或两个端处封闭的“盲管”并且收纳在中间管80内，其中下游尾气通道76限定在内管96与中间管80之间的内环形空间98内。内环形空间98在其末端处开放以准许尾气穿过所述内环形空间从内环形空间98到歧管空间90中和朝向出口85的流动。

同心管式热交换器14还包括第一流体入口100(在本文中也被称作“尾气入口100”)，从壳管式热交换器12排放的尾气穿过所述第一流体入口进入热交换器14。尾气入口100包括在管16的第二端20与内环形空间98的一端之间的歧管空间。在这个尾气入口/歧管空间100内，第一壳体28可设置有一或多个沿圆周延伸波纹108，下文将描述所述沿圆周延伸波纹的用途和功能。

第二流体入口102(在本文中也被称作“水入口102”)提供在第一壳体壁30中并且与外环形空间91流体连通。水入口102不仅充当允许液体水进入上游水/蒸汽通道78中的入口，并且充当液体水从外部来源(未示出)进入蒸汽发生器10的所穿过的入口。因此，水入口102设置有水入口配件104，通过所述水入口配件从外部来源接收液体水。

第二流体出口106(在本文中也被称作“蒸汽出口106”)提供在第一壳体壁30中，并且与外环形空间91流体连通。在图式中所示出的蒸汽发生器10中，蒸汽出口106包括一或多个孔口，所述孔口形成在第一壳体28中紧挨着外环形空间91的封闭端中的一个。这些孔口提供蒸汽从外环形空间91朝向下游蒸汽通道50流出的手段。

水入口102从外部来源(未示出)接收液体水并且供应液体水到上游水/蒸汽通道78。通道78充当液体水在其内由流动穿过下游尾气通道76的尾气加热的空间。在通道78内将液体水加热至沸腾并且转化成蒸汽。因此，通道78的下部充当具有相对较小体积的储水槽，图1中示出大致水位101。因此，在使用时，装置10定向为使水入口102在蒸汽出口106下方。举例来说，如图1中所示出，装置10可具有基本上垂直的定向。在环形通道78中的液体水的体积较小并且为装置10提供高响应度，意味着响应于穿过下游尾气通道76的热尾气的流动极快地产生蒸汽。

在装置10的操作期间，上游水/蒸汽通道78中的水位101可存在一定波动。为了优化锅炉14的快速响应，需要将水流维持在靠近水位101并且低于蒸汽出口106。装置10可设置有控制锅炉14中的水位101的构件。举例来说，装置10可设置有示意性地在图1中示出的控制系统，所述控制系统包含用以监测离开锅炉14的蒸汽的温度的热电偶107、用以控制从水源114流动到锅炉14的水入口102的水流的阀门109和从热电偶107接收温度信息并控制阀门109的操作的电子控制器111。热电偶107可位于由第二壳体66围封的歧管空间70中。在由热电偶107感测的蒸汽温度过低的情况下，控制器111将部分或完全封闭阀门来减少到锅炉14中的水流并阻止水位101的过度上升。另一方面，在由热电偶107感测的蒸汽温度过高的情况下，控制器111将部分或完全地打开阀门109以增加到锅炉14中的水流并阻止水位101的过度下降。

如图1中所示出，第二壳体66还包围第一壳体28的一部分，蒸汽出口106形成在所述部分中以提供外环形空间91与环形歧管空间70之间的流体连通。一旦蒸汽进入歧管空间70，蒸汽就能够穿过间隙58流入下游蒸汽通道50中。为阻止水在第二壳体66的底部中汇集，第二壳体66的下端紧挨在构成蒸汽出口106的孔口下方定位。

为优化锅炉14中热尾气与水/蒸汽之间的热传递，下游尾气通道76和上游水/蒸汽通道78中的一者或两者可设置有呈波纹翅片形式的湍流促进插入物或湍流增强器以在环形通道76、78中产生湍流并且由此改进热传递。下游尾气通道76中的湍流促进插入物在图1中用参考数字103标识，并且上游水/蒸汽通道78中的湍流促进插入物用参考数字105标识。湍流促进插入物103呈薄片形式，所述薄片围绕内管96缠绕，其中构成插入物103的波纹的顶部和底部与内管96和中间管80接触。类似地，湍流促进插入物105成薄片形式，所述薄片围绕中间管80缠绕并且与中间管80和第一壳体壁30接触。

湍流促进插入物103、105可包括简单波纹翅片，或可包括第Re.35,890号美国专利(So)和第6，273，183号美国专利(So等人)中所描述类型的偏移或矛状(lanced)条形翅片。授予So以及So等人的专利全文以引用的方式并入本文中。插入物103、105收纳在相应通道76、78内，使得插入物103、105的低压降方向(即流体碰撞波纹的前边缘)平行于通道76和通道78中的气流方向定向。通过该定向的插入物103、105，存在沿流动方向的相对低的压降。在图14中示出且下文进一步论述低压降定向。应了解，在一些实施例中，高压降定向可为优选的。在高压降定向中，流体碰撞波纹的侧部。

在湍流促进插入物103、105存在于通道76、78中的情况下，可贯穿通道76、78的整个长度提供所述插入物，或可仅在通道76、78的插入物在其中将具有最有益效果的那些部分中提供所述插入物。在此方面，下游尾气通道76中的湍流促进插入物103将至少提供在通道76的下部中低于水位101处，以在热从尾气传递到通道78中的液体水的通道76的区域中在尾气中产生湍流。上游水/蒸汽通道78中的湍流促进插入物105将至少提供在通道78的上部中高于水位101处，以在热从尾气传递到蒸汽的通道78的区域中在蒸汽中产生湍流。应了解，湍流促进插入物103、105的结构、定向和位置由多个因素指示，所述因素包含所需热传递量和锅炉14内的可接受压降量。

为适应管96、80和30的不同热膨胀并由此将锅炉14内的热应力降至最低，插入物103、105的波纹的顶部及/或底部可保持不与其所接触的管的表面结合。

管96、80和30中的一个或多个可设置有径向伸出肋状物及/或凹陷(未示出)而不是具有插入到通道76、78中的呈薄片形式的湍流促进插入物103、105，所述肋状物及/或凹陷伸出到通道76及/或通道78中并且经布置以在所述通道76及/或通道78中产生迂曲流动路径。

现在将参考图式描述蒸汽发生器10的操作。如图1中所示出，液体水穿过水入口102进入蒸汽发生器10并且收集在上游水/蒸汽通道78的下部(即位于水位101以下的通道78的所述部分)中的储水槽中。通道78中的液体水由朝下流动穿过下游尾气通道76的尾气加热，热通过中间管80传递。液体水的加热引起液体水至少部分转化成蒸汽。蒸汽朝上流动穿过通道78，流动穿过蒸汽出口106并进入第一壳体28与第二壳体66之间的歧管空间70。蒸汽随后流动穿过间隙58并到下游蒸汽通道50中，蒸汽在所述下游蒸汽通道中通过与流动穿过管16的中空内部的尾气进行热交换而进一步加热。在通道50内，热从热尾气传递到穿过管壁的蒸汽，由此使蒸汽过热。一旦蒸汽朝上经过第一挡板94中的中心开口113并穿过第二挡板95中的孔口97离开挡扳结构，那么蒸汽就会穿过过热蒸汽出口54离开蒸汽发生器。

尾气在相反方向(即图1中从顶部到底部)上流动，穿过尾气入口24进入蒸汽发生器10并穿过尾气出口85离开蒸汽发生器10。流动穿过入口24的尾气进入歧管空间26并且随后进入由管16的中空内部限定的上游尾气通道22。随着尾气朝下流动穿过管16，热从尾气通过管壁传递到流动穿过下游蒸汽通道50的蒸汽。尾气随后流出管16的第二端20并持续朝下流动到歧管空间100中，并且尾气自此进入下游尾气通道76，尾气在所述下游尾气通道中将额外热传递到上游水/蒸汽通道78中的水及蒸汽。最后，冷却尾气离开通道76并流动到歧管空间90中，随后通过尾气出口85从蒸汽发生器10排放。

如将了解的那样，尾气远比蒸汽/水更热，并且因此直接接触尾气的蒸汽发生器10的那些部分一般将处于比直接接触水/蒸汽的蒸汽发生器10的那些部分高得多的温度下。确切地说，管16直接接触热尾气，而限定下游蒸汽通道50的第一壳体28的部分直接接触蒸汽。因此，管16可倾向于在轴向方向上扩展比第一壳体28更大的量。如图6中所示出，这种差异化的热膨胀由间隙58吸收，其中间隙58随着管在加热时扩展而变大(在轴向方向上)，如图6中所示出。相反，间隙58随着管在冷却时收缩而变小，如图7中所示出。间隙58的这种膨胀和收缩具有在反复加热/冷却循环期间降低潜在损害性热应力的效果。因为管16的第二端18通过集管42刚性地固定到壳体28的第一部分60，所以设置波纹108可准许管16的膨胀/收缩由第一壳体28吸收，同样不引起对蒸汽发生器10的构件的过度应力。

如将了解的那样，进入蒸汽发生器10的尾气的温度与将产生的蒸汽的量和温度相关。在(例如)尾气为来自燃料电池的阴极或阳极的废气的情况下，尾气必须经历放热反应，随后可将尾气用于蒸汽产生。所述放热反应可为催化反应，例如用于将尾气中的一氧化碳转化成二氧化碳的优选氧化，或放热反应可包括尾气中分子氢的燃烧。

放热反应可发生在蒸汽发生器10的上游，或放热反应可发生在第一热交换器区段12内。本文所描述的特定蒸汽发生器10被配置成通过入口24接收预热尾气，即已经历蒸汽发生器10上游的放热反应的尾气。然而，可对蒸汽发生器10进行简单修改以准许放热反应在第一热交换器区段12内发生。举例来说，在放热反应为例如部分氧化等催化反应的情况下，整体催化剂可邻近尾气入口24放置在入口歧管空间26中，或例如翅片等催化剂涂布结构可插入到管16中。在催化反应需要氧气或空气的情况下，尾气可在蒸汽发生器10的上游与氧气或空气结合，或可在第一热交换器区段12中接近于尾气入口24提供氧气或空气入口。

尽管上文描述的蒸汽发生器10使用热尾气来产生蒸汽，但情况不一定是这样。实际上，能够产生蒸汽的任何热气流都可在蒸汽发生器10中使用。

现在参考图10描述根据本发明的第二实施例的热交换器200。

根据第二实施例的热交换器200包括水气转换反应器，在所述反应器中同时冷却热合成气体(下文为“合成气体”)并且降低所述热合成气体的一氧化碳含量。水气转换反应器200可并入到燃料电池系统中并且可位于合成气体发生器(例如燃料重组器)的下游，其中合成气体由烃类燃料产生。合成气体通常包括氢气、水、一氧化碳、二氧化碳及甲烷。在用于燃料电池中之前，必须冷却合成气体，并且必须降低一氧化碳含量。因此合成气体在水气转换反应器200中经历稍微放热的催化反应，从而将一氧化碳和水转化成二氧化碳和氢气。可能需要一个或多个水气反应器200来将一氧化碳含量及/或合成气体的温度降低到可接受水平。

水气转换反应器200一般包括两个热交换器区段：包括壳管式热交换器的第一热交换器区段212和包括壳管式热交换器区段的第二热交换器区段214。两个热交换器区段212和214由水气转换催化剂床202间隔开，催化水气转换反应在所述水气转换催化剂床中发生。在反应器200中，热合成气体穿过合成气体入口24和合成气体入口配件25在右端进入反应器200并且穿过合成气体出口85和合成气体出口配件88在左端离开反应器200。

冷却剂(例如空气)相对于合成气体的流动方向呈逆流流动。因此，冷却剂在图10中从左到右流动，从而穿过冷却剂入口102和冷却剂入口配件104靠近左端进入反应器200并且穿过冷却剂出口54和对应冷却剂出口配件(在图10中不可见)靠近右端离开反应器200。空气由合成气体加热并且可用于燃料电池系统中的其它地方，例如合成气体发生器中的燃烧器中或高温燃料电池的阴极中。

反应器200的第一热交换器区段212和第二热交换器区段214彼此具有许多相似性并且与上文描述的蒸汽发生器10的壳管式热交换器区段12具有许多相似性。因此，使用相同的参考数字描述热交换器区段12、212、214的相同构件，并且对热交换器区段12的相同构件的以上描述同样适用于热交换器区段212、214。

壳管式热交换器212、214各包含多个轴向延伸的间隔开的管16，所述管与在上文描述的蒸汽发生器10中一样布置在管束中。管16彼此呈平行隔开关系并且所述管的末端对齐。每一个管16均为圆柱形并且具有第一端18、第二端20和中空内部。管16的第一端18和第二端20为开放的，其中管16的中空内部一起限定第一流体流道22(有时在本文中被称作“合成气体通道22”)，第一热交换器区段212的管16限定所述管的第一(上游)部分22a，并且第二热交换器区段214的管16限定所述管的第二(下游)部分22b。合成气体穿过入口24进入反应器200，从而首先流动穿过合成气体通道22的上游部分22a、随后进入催化剂床202以经历水气转换反应并且随后进入合成气体通道22的下游部分22b，最后通过出口85和配件88从反应器200排放。

反应器200进一步包括第一壳体28，所述第一壳体具有轴向延伸第一壳体壁30，所述第一壳体壁贯穿反应器200的长度从合成气体入口24延伸到合成气体出口85，包围两个热交换器区段212、214的管16并且还包围催化剂床202。

每一个热交换器区段212、214进一步包括一对集管，即接近于管16的第一端18定位的第一集管40和接近于管16的第二端20定位的第二集管42。集管40、42各设置有多个穿孔44(未示出)，管16的第一端18和第二端20分别收纳在所述穿孔中。如图10中所示出，管16的端18、20可完全穿过集管40、42的穿孔44延伸，并且通过任何便利的手段与集管40、42密封并刚性地固定到集管40、42。举例来说，在管16和集管40、42由金属制成的情况下，所述管和集管可通过钎焊或焊接固定在一起。

每一个集管40、42具有外周边边缘46，所述集管在所述外周边边缘处密封并且固定到第一壳体壁30。从图式可见，第一壳体壁30及第一集管40和第二集管42一起限定第二流体流道50(有时在本文中被称作“冷却剂通道50”)，其中所述第二流体流道的第一(上游)部分50a限定在第二热交换器区段214中并且所述第二流体流道的第二(下游)部分50b限定在第一热交换器区段212中。在本实施例中可包括空气的冷却剂穿过冷却剂入口102进入反应器200，相继与管16的外表面接触而流动穿过上游通道50a和下游通道50b并且穿过冷却剂出口54离开反应器200。尽管在图10中未示出，但通道50a和通道50b可各设置有如上文所描述的挡扳配置(包括第一挡扳94和第二挡扳95)以产生用于冷却剂的迂曲路径，从而延长流动路径并促进与合成气体的热传递。

在冷却剂从上游通道50a传送到下游通道50b时，冷却剂必须流经第一壳体28的外表面。因此，反应器200进一步包括第二壳体66(有时在本文中被称作“外壳体66”)，所述第二壳体具有轴向延伸第二壳体壁68(有时在本文中被称作“外壳体壁68”)，所述第二壳体壁沿第一壳体28的长度的至少一部分延伸。外壳体66与第一壳体壁30径向朝外隔开以提供连接冷却剂流道50的第一部分50a和第二部分50b的环形冷却剂流道70。

外壳体66在外壳体的末端72处密封到第一壳体壁30的外表面。在此方面，外壳体壁66的直径在每一端72处减小，从而具有朝内倾斜的末端，每一端收端在轴向延伸套管74中，所述轴向延伸套管通过钎焊或焊接密封到第一壳体壁30。如上文所阐释，响应于管16和第一壳体壁30的热膨胀和收缩，朝内倾斜端为在某种程度上顺应的并且适应第二壳体壁66的轴向膨胀和收缩。另外，如图10中所示出，外壳体66可设置有一或多个波纹肋状物204以适应反应器200的不同热膨胀并且避免由热应力引起的损害。除在外壳体66中的波纹肋状物204之外或代替所述波纹肋状物，也可能在包围水气转换催化剂床202并且由外壳体66围封的第一壳体壁30的区段中提供波纹肋状物。在第一壳体壁中的波纹肋状物外形将类似在外壳体中的波纹肋状物，但将仅存在于位于催化剂床202与两个热交换区段212、214中的管16的末端20之间的区域中。

为了提供环形冷却剂流道70与冷却剂通道50的上游部分50a和下游部分50b的内部之间的流体连通，每一个热交换器区段212、214进一步包括狭槽或间隙58，所述狭槽或间隙在第一壳体壁30的整个外周周围延伸并且将壳体壁30分隔成第一部分60、第二部分62和第三部分62'。在反应器200中，第一壳体壁30的第一部分60包括在热交换器区段212的间隙58与热交换器区段214的间隙58之间的壳体壁30的部分，挡板42固定到所述部分。第二部分62包括延伸到第一部分60的右边并且形成第一热交换器区段212的一部分的壳体壁30的部分，而第三部分62'包括延伸到第一部分60的左边并且形成第二热交换器区段214的一部分的壳体壁30的部分。

因此，壳体壁30的第一部分60与壳体壁30的第二部分62和第三部分62'轴向隔开。热交换器区段212的间隙58充当冷却剂入口52，从而允许冷却剂从环形冷却剂流道70流入下游冷却剂通道50b中。热交换器区段214的间隙58充当冷却剂出口，从而允许冷却剂从上游冷却剂通道50a流入环形冷却剂流道70中。

尽管在图10中未示出，但反应器200的间隙58具有如图5中所示出的相同配置，其中第一壳体壁30设置有跨间隙58轴向延伸的多个腹板64以便为第一壳体壁30提供整体结构。并且，在图10中所示出的装配好的反应器200中，各腹板64提供第一壳体壁30的第一部分60与第二部分62和第三部分62'之间的连接。应了解，腹板64具有充足厚度和硬度，使得所述腹板能将第一部分60、第二部分62和第三部分62'保持在一起以有助于制造过程期间反应器200的装配。然而，腹板64也薄得足以使所述腹板不会显著减损第二流体到第一壳体28中或出自第一壳体28的流量，并且使得所述腹板在蒸汽发生器10的使用期间由多个管16的轴向热膨胀力打破。

在使用时，可能在600摄氏度至1,000摄氏度的温度下的热合成气体通过合成气体入口24进入反应器200并且从右到左流动穿过由第一热交换器区段212的管16限定的合成气体通道22的上游部分22a。随着热合成气体流动穿过合成气体通道22的上游部分22a，热合成气体通过与流动穿过冷却剂通道50的下游部分50b的冷却剂气体(例如空气)热交换而部分冷却。

合成气体流出管16的第二端20并且进入水气转换催化剂床202，所述合成气体在所述水气转换催化剂床中经历稍微放热的气体转换反应以降低一氧化碳含量并提高氢气含量。合成气体随后离开催化剂床202并且进入由第二热交换器区段214的管16限定的合成气体通道22的下游部分22b。随着所述合成气体流动穿过合成气体通道22的下游部分22b，热合成气体通过与流动穿过冷却剂通道50的上游部分50a的冷却剂气体热交换而进一步冷却。最后，冷却并且纯化的合成气体离开通道22并通过合成气体出口85从反应器200排放。

冷却剂在相继流动穿过冷却剂通道50的第一部分50a和第二部分50b时从合成气体吸吸热。冷却剂流动穿过环形通道70以便围绕催化剂床202流动。

如将了解的那样，合成气体远比冷却剂更热，并且因此反应器200的直接接触合成气体的那些部分一般将处于比反应器200的直接接触冷却剂的那些部分高得多的温度下。具体来说，管16直接接触热合成气体，而包围并限定冷却剂通道50的上游部分50a和下游部分50b的第一壳体28的部分直接接触冷却剂。因此，管16可倾向于在轴向方向上扩展比第一壳体28更大的量。以图6中所示出的方式，这种差异化的热膨胀通过间隙58吸收，其中间隙58随着管在加热时扩展而变大(在轴向方向上)。相反，间隙58随着管在冷却时收缩而变小，如图7中所示出。间隙58的这种膨胀和收缩具有在反复加热/冷却循环期间降低潜在损害性热应力的效果。因为管16的第二端18通过集管42刚性地固定到壳体28的第一部分60，所以在外壳体66中设置波纹204可准许管16的膨胀/收缩由外壳体66吸收而不引起对蒸汽发生器10的构件的过度应力。

尽管上文描述的蒸汽发生器10包括：第一热交换器区段12，所述第一热交换器区段包括具有细管束的壳管式热交换器；和第二热交换器区段14，所述第二热交换器区段包括同轴同心管式热交换器；但情况不一定是这样。现在描述一些替代实施例，其中第一热交换器区段具有替代配置。

图11、图12和图12A图示根据本发明的实施例的蒸汽发生器310，所述蒸汽发生器共用许多与上文描述的蒸汽发生器10相同的元件。相同的元件在图式中用相同的参考数字标识，并且对这些元件的以上描述适用于图11和图12的实施例。以下描述集中于蒸汽发生器10与蒸汽发生器310之间的差异。

蒸汽发生器310包括第一热交换器区段12和第二热交换器区段14。蒸汽发生器310的第二热交换器区段14为同心管式热交换器，所述同心管式热交换器可等同于蒸汽发生器10的同心管式热交换器。蒸汽发生器310的第一热交换器区段12具有壳管式构造，但与蒸汽发生器10的第一热交换器区段不同的是该第一热交换器区段不包含管束。实际上，蒸汽发生器310的第一热交换器区段12包括单管312，所述单管在第一集管314与第二集管316之间轴向延伸。管312在两端为开放的并且具有由管壁包围的中空内部，所述管壁由多个波纹所组成以增加发生热传递的表面积。管312的波纹数目相对较少并且具有相对较大幅度，使得管312具有带六个凸角的星形横截面，每一个凸角从靠近管312的中心处延伸到靠近集管314、集管316的周边边缘的点。然而，图11和图12中所示出的管312的配置仅为例示性的，并且管312可具有可变形状。尽管在管312的中心示出圆形区域，但不一定如此。实际上，波纹或管的内端可在管312的中心中会合。

集管314、集管316具有符合管312的形状的单孔口318。孔口318可由直立套管320包围以提供与管312的壁的改进连接。可在图11中示出集管314、集管316的外周边边缘，将壳体28的分段或周边边缘接合在一起可简单地(例如)通过焊接或钎焊使向上的套管322接合到壳体28的内表面。

以如上文参考蒸汽发生器10所论述的类似方式，管312的中空内部可设置有经催化剂涂布的结构，例如翅片。举例来说，催化剂涂布翅片可提供在凸角中，并且卷绕成螺旋形物的催化剂涂布翅片可收纳在管312的中心。

如图12A中所示出，蒸汽发生器310还可包含类似于上文所描述的环形挡板94的挡板315，所述挡板具有定尺寸并成形为可收纳管312的中心开口。在管312具有如图式中示出的星形或波纹构造的情况下，挡板将具有由挡板315的扁平区域包围的星形中心开口317。扁平区域将具有朝内延伸凸角319以符合管312的形状。然而，切断至少一些凸角319的内尖端321以在挡板315与管312之间产生间隙323，间隙323尽可能靠近热交换器区段12的中心定位，以产生穿过区段12的迂曲流动路径。还将了解，挡板315的扁平区域可设置有孔洞325，将有一些流体流动穿过所述孔洞。在图12A中仅以点虚线示出一个孔洞325，但应了解，这些孔洞325的数目、大小和位置将取决于区段12内的所需流量特征。

图13至图15图示根据本发明的一个实施例的蒸汽发生器410，所述蒸汽发生器共用许多与上文描述的蒸汽发生器10相同的元件。这些相同的元件在图式中用相同的参考数字标识，并且对这些元件的以上描述适用于图13至图15的实施例。以下描述集中于蒸汽发生器10与蒸汽发生器410之间的差异。

蒸汽发生器410包括第一热交换器区段12和第二热交换器区段14。蒸汽发生器410的第二热交换器区段14为同心管式热交换器，所述同心管式热交换器可等同于蒸汽发生器10的同心管式热交换器。蒸汽发生器410的第一热交换器区段12与蒸汽发生器10的第一热交换器区段不同之处在于，所述第一热交换器区段不具有壳管式构造也不包含集管。实际上，蒸汽发生器410的第一热交换器区段12包括同心管式热交换器，所述同心管式热交换器具有中间轴向延伸管412，所述中间轴向延伸管在末端处扩张并且设置有套管414，所述套管固定到内壳体28的内部，使得下游通道22提供在内壳体28与中间管412之间的外环形空间中，并且下游蒸汽通道50由中间管412的扩张端密封。

第一热交换器区段进一步包括轴向延伸内管416，所述轴向延伸内管为在其末端的一者或两者处封闭的“盲管”并且收纳在中间管412内，其中上游尾气通道22限定在内管416与中间管412之间的内环形空间内。内环形空间的末端为开放的以准许尾气穿过其中流动。

为优化热传递，上游尾气通道22和下游蒸汽通道50中的一者或两者可设置有如上文所描述的呈波纹翅片形式的湍流促进插入物或湍流增强器。上游尾气通道22中的湍流促进插入物在图13和图14中用参考数字418标识，并且下游蒸汽通道50中的湍流促进插入物用参考数字420标识。图14中所示出的湍流促进插入物418、湍流促进插入物420呈低压降定向，然而应了解，通道22和通道50可改为设置有具有高压降定向的湍流促进插入物。

为了支撑内管416并促进蒸汽与尾气之间的热传递，上游尾气通道22中的翅片418可(例如)通过钎焊结合到内管416和中间管412两者。同样出于促进热传递的目的，下游蒸汽通道50中的翅片420可(例如)通过钎焊结合到中间管412。然而，出于适应壳体28和中间管412的不同热膨胀的目的并且为降低穿过壳体28的不必要的热损耗，翅片420可不与壳体28结合。

在需要额外适应不同热膨胀的情况下，中间管412可设置有沿圆周延伸波纹422。因为波纹422伸出到上游尾气通道22中，所以翅片420可拆分成由波纹422间隔开的分段420A、分段420B、分段420C和分段420D。波纹422为中间管412提供顺应性并且使得中间管在某种程度上比其结合的翅片418更顺应。因此，波纹422准许中间管412吸收轴向指向的热膨胀力，以避免对热交换器的周围构件的应力和损害。

虽然已经参考某些实施例描述本发明，但是本发明并不限于此。实际上，本发明包含可能落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种热交换装置，所述热交换装置包括串联布置的第一热交换器区段和第二热交换器区段，其中，所述热交换装置包括：

(a)内壳体，所述内壳体具有第一端和第二端并且具有沿轴线在所述第一端与第二端之间延伸的内壳体壁，其中，所述第一热交换器区段和所述第二热交换器区段被围封在所述内壳体壁内；

(b)第一流体入口，所述第一流体入口提供在所述第一热交换器区段中，以及第一流体出口，所述第一流体出口提供在所述第二热交换器区段中；

(c)第二流体入口，所述第二流体入口提供在所述第二热交换器区段中，以及第二流体出口，所述第二流体出口提供在所述第一热交换器区段中；

(d)轴向延伸第一流体流道，所述轴向延伸第一流体流道从所述第一流体入口延伸穿过所述第一热交换器区段和第二热交换器区段到达所述第一流体出口，其中，所述第一流体在所述第一热交换器区段与第二热交换器区段之间流动穿过位于所述内壳体内部的内部连接通道；

(e)轴向延伸第二流体流道，所述轴向延伸第二流体流道从所述第二流体入口延伸穿过所述第一热交换器区段和第二热交换器区段到达所述第二流体出口，其中，所述第一流体流道和第二流体流道彼此密封，并且其中，所述第二流体在所述第二热交换器区段与第一热交换器区段之间流动穿过位于所述内壳体外部的外部连接通道；

(f)外壳体，所述外壳体围封所述外部连接通道；

(g)至少一个孔口，所述孔口在所述第二热交换器区段中穿过所述内壳体，所述第二流体从所述第二热交换器区段流动穿过所述孔口到所述外部连接通道中；

(h)至少一个孔口，所述孔口在所述第一热交换器区段中穿过所述内壳体，所述第二流体从所述外部连接通道流动穿过所述孔口到所述第一热交换器区段中；

其中，在所述第一热交换器区段中的所述至少一个孔口包括第一轴向间隙，所述第一轴向间隙提供在所述内壳体壁的第一部分与所述内壳体壁的第二部分之间。

2.根据权利要求1所述的热交换装置，其特征在于，所述内壳体壁的所述第一部分和第二部分由所述第一轴向间隙完全间隔开，但在所述装置的首次使用之前，所述内壳体壁的所述第一部分和第二部分通过多个腹板接合在一起，每一个腹板均跨越所述第一轴向间隙。

3.根据权利要求2所述的热交换装置，其特征在于，所述腹板具有充足厚度和硬度，使得所述腹板在所述热交换装置的制造期间将所述内壳体壁的所述第一部分和第二部分保持在一起，并且其中，所述腹板薄得足以使所述腹板在所述热交换装置的使用期间通过轴向热膨胀力打破。

4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的热交换装置，其特征在于，所述外壳体具有轴向延伸外壳体壁，所述轴向延伸外壳体壁包围所述第一轴向间隙，并且其中，所述外壳体壁与所述内壳体壁隔开，使得所述外部连接通道包括环形空间；且

其中，所述外壳体具有：第一端，所述第一端密封地固定到所述内壳体壁的所述第一部分的外表面；及第二端，所述第二端密封地固定到所述内壳体壁的所述第二部分的外表面。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求所述的热交换装置，其特征在于，所述第二热交换器区段包括同心管式热交换器，所述同心管式热交换器包括：

(a)轴向延伸中间管，所述轴向延伸中间管至少部分地收纳在所述内壳体壁的所述第一部分内并且与内壳体壁的第一部分隔开，使得在所述内壳体壁与所述中间管之间提供外环形空间，其中，所述外环形空间包括所述第二流体流道的一部分并且位于所述第二流体入口与在所述第二热交换器区段中穿过所述内壳体的所述至少一个孔口之间，所述第二流体从所述第二热交换器区段流动穿过所述孔口到所述外部连接通道中；

(b)轴向延伸内管，所述轴向延伸内管收纳在所述中间管内并且与所述中间管隔开，使得在所述内管与所述中间管之间提供内环形空间，其中，所述内环形空间包括所述第一流体流道的一部分并且位于所述内部连接通道与所述第一流体出口之间，并且其中，所述内管的至少一端封闭以便阻止穿过所述端的流体流动。

6.根据权利要求5所述的热交换装置，其特征在于，供所述第二流体从所述第二热交换器区段流动到所述外部连接通道所穿过的所述至少一个孔口包括穿过所述内壳体的多个间隔开的孔口。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的热交换装置，其特征在于，所述第一热交换器区段包括壳管式热交换器，所述壳管式热交换器包括：

(a)第一多个轴向延伸的间隔开的管，所述管被围封在所述内壳体内，所述第一多个管中的每一个均具有第一端、第二端和中空内部，所述第一端和第二端为开放的；其中，所述第一多个管的所述中空内部一起限定所述第一流体流道的一部分；

(b)第一集管，所述第一集管具有使所述第一多个管的所述第一端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，所述第一集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到所述内壳体壁；

(c)第二集管，所述第二集管具有使所述第一多个管的所述第二端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，所述第二集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到所述内壳体壁，其中，由所述内壳体及所述第一集管和第二集管围封的空间限定所述第二流体流道的一部分；

其中，所述第一集管附接到所述内壳体的所述第一部分，并且所述第二集管附接到所述内壳体的所述第二部分，使得所述内壳体壁的所述第一部分与第二部分之间的所述第一轴向间隙提供所述外部连接通道与由所述内壳体及所述第一集管和第二集管围封的所述空间之间的连通。

8.根据权利要求7所述的热交换装置，其特征在于，所述第二流体出口包括穿过所述内壳体壁的孔口并且位于所述第一集管与所述第二集管之间，其中，所述第一集管和所述第二流体出口接近于所述内壳体的所述第一端定位；

其中，所述第一热交换器区段进一步包括第一挡板，所述第一挡板横跨由所述内壳体及所述第一集管和第二集管围封的所述空间延伸并且将所述空间划分成第一部分和第二部分；

其中，所述第一挡板具有：外周边边缘，所述外周边边缘靠近或接触所述内壳体壁；多个穿孔，所述第一多个管穿过所述穿孔延伸；及孔口，所述孔口提供所述空间的所述第一部分与第二部分之间的连通；且

其中，所述第一挡板的所述外周边边缘密封地固定到所述内壳体壁。

9.根据权利要求8所述的热交换装置，其特征在于，所述第一挡板为扁平环形板并且跨由所述内壳体及所述第一集管和第二集管围封的所述空间横向延伸，其中，穿过所述第一挡板的所述孔口定位于所述第一挡板的中心部分，并且其中，所述第一挡板位于所述第一集管与第二集管之间的近似中间位置。

10.根据权利要求8或9所述的热交换装置，其特征在于，所述第二流体出口定位于所述空间的所述第一部分中；

其中，所述第一热交换器区段进一步包括第二挡板，所述第二挡板具有轴向延伸管状侧壁，所述轴向延伸管状侧壁具有中空内部并且在两端为开放的；

其中，所述第二挡板位于所述空间的所述第一部分内并且在所述第一挡板与所述第一集管之间轴向延伸；

其中，所述第二挡板的一端紧靠所述第一挡板，同时所述第二挡板的所述管状侧壁包围所述第一挡板的所述孔口，使得所述第一挡板的所述孔口与所述第二挡板的所述管状侧壁的所述中空内部连通；且

其中，所述第二挡板的所述管状侧壁具有至少一个孔口，所述孔口提供所述第二挡板的所述中空内部与所述第二流体出口之间的连通。

11.根据权利要求10所述的热交换装置，其特征在于，在所述第二挡板的所述管状侧壁中的所述至少一个孔口背向限定所述第二流体出口的所述孔口。

12.根据权利要求11所述的热交换装置，其特征在于，在所述第二挡板的所述管状侧壁中的所述孔口包括轴向延伸狭槽。

13.根据权利要求1至12中任一权利要求所述的热交换装置，其特征在于，所述第二热交换器区段包括壳管式热交换器，所述壳管式热交换器包括：

(a)第二多个轴向延伸的间隔开的管，所述管围封在所述内壳体内，所述第二多个管中的每一者具有第一端、第二端和中空内部，所述第一端和第二端为开放的；其中，所述第二多个管的所述中空内部一起限定所述第一流体流道的一部分；

(b)第三集管，所述第三集管具有使所述第二多个管的所述第一端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，所述第三集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到所述内壳体壁；

(c)第四集管，所述第四集管具有使所述第二多个管的所述第二端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，所述第二集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到所述内壳体壁，其中，由所述内壳体及所述第三集管和第四集管围封的空间限定所述第二流体流道的一部分；

(d)第二流体入口，所述第二流体入口与所述第二流体流道的所述第二部分流体连通；及

(e)第二流体出口，所述第二流体出口与所述第二流体流道的所述第二部分流体连通。

14.根据权利要求13所述的热交换装置，其特征在于：

所述第三集管附接到所述内壳体壁的所述第一部分；

所述内壳体壁包括第三部分，所述第四集管附接到所述第三部分；

第二轴向间隙提供在所述内壳体壁的所述第一部分与第三部分之间；且

所述第二轴向间隙提供由所述内壳体及所述第三集管和第四集管围封的所述空间与所述外部连接通道之间的连通。

15.根据权利要求14所述的热交换装置，其特征在于，所述内壳体壁的所述第一部分和第三部分由所述第二轴向间隙完全间隔开，但在所述装置的首次使用之前，所述内壳体壁的所述第一部分和第三部分通过多个腹板接合在一起，每一个腹板均跨越所述第二轴向间隙；

其中，所述腹板具有充足厚度和硬度，使得所述腹板在所述热交换装置的制造期间将所述内壳体壁的所述第一部分和第三部分保持在一起，并且其中，所述腹板薄得足以使所述腹板在所述热交换装置的使用期间由轴向热膨胀力打破。

16.根据权利要求13至15中任一权利要求所述的热交换装置，其特征在于，所述热交换装置进一步包括催化剂床，所述催化剂床被围封在所述内壳体壁的所述第一部分内并且位于所述内连接通道中。

17.根据权利要求1至16中任一权利要求所述的热交换装置，其特征在于，所述第二壳体设置有轴向可扩展波纹。

18.根据权利要求1至17中任一权利要求所述的热交换装置，其特征在于，所述第一热交换器区段包括：

(a)单热交换管，所述单热交换管具有第一端、第二端和中空内部，所述第一端和第二端为开放的；其中，所述热交换管的所述中空内部限定所述第一流体流道的一部分；

(b)第一集管，所述第一集管具有使所述热交换管的所述第一端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，所述第一集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到所述内壳体壁；

(c)第二集管，所述第二集管具有使所述热交换管的所述第二端以密封啮合状态收纳在其中的穿孔，其中，所述第二集管具有外周边边缘，所述外周边边缘密封地固定到所述内壳体壁，其中，由所述内壳体及所述第一集管和第二集管围封的空间限定所述第二流体流道的一部分；

其中，所述第一集管附接到所述内壳体的所述第一部分，并且所述第二集管附接到所述内壳体的所述第二部分，使得所述内壳体壁的所述第一部分与第二部分之间的所述第一轴向间隙提供所述外部连接通道与由所述内壳体及所述第一集管和第二集管围封的所述空间之间的连通；

其中，所述热交换管包括波纹管壁。

19.根据权利要求1至18中任一权利要求所述的热交换装置，其特征在于，所述第一热交换器区段包括同心管式热交换器，所述同心管式热交换器包括：

(a)轴向延伸中间管，所述轴向延伸中间管收纳在所述内壳体壁内并且与所述内壳体壁隔开，使得在所述内壳体壁与所述中间管之间提供外环形空间，其中，所述外环形空间包括所述第二流体流道的一部分；

(b)轴向延伸内管，所述轴向延伸内管收纳在所述中间管内并且与所述中间管隔开，使得在所述内管与所述中间管之间提供内环形空间，其中，所述内环形空间包括所述第一流体流道的一部分。

20.根据权利要求19所述的热交换装置，其特征在于，所述中间管具有膨胀端，所述膨胀端密封地固定到所述内壳体，并且其中，所述外环形空间通过所述轴向间隙与所述第二流体出口连通并且与所述外部连接通道连通；且

其中，所述中间管设置有波纹以准许所述中间管的轴向膨胀。