CN110023689A - 蒸汽发生器和反应器 - Google Patents

Abstract

一种产生活性化学物质、蒸汽或过热蒸汽的方法，包括使一种或多种流体流动通过导管，将一个或多个白炽灯定位为非常靠近该导管，以及使用从一个或多个白炽灯发出的至少一部分热量来加热流动通过该导管的一种或多种流体，使得一种或多种流体分解成化学成分、结合成新的化合物、或转化成蒸汽。

Description

蒸汽发生器和反应器

技术领域以及背景技术

蒸汽发生器是利用热量将液态水煮沸并将其转化为蒸汽的装置。热量通常来自化石燃料、电力、核能或再生能源。有许多不同类型的蒸汽发生器，其在广泛的操作压力下操作，以实现广泛的蒸汽品质生产。大多数的蒸汽发生器是由各种钢构造成的高压容器。蒸汽发生器花费很长时间，通常在几分钟到几小时的范围内，以在预定的稳定操作压力和温度下获得蒸汽。

例如，小型蒸汽发生器，其通常使用电力，花费几分钟，以在大约一个大气压和接近100摄氏度产生饱和蒸汽。小型过热蒸汽发生器，其通常在约500摄氏度或更高输出蒸汽，花费更长的时间，以达到产生所需的过热蒸汽温度所需的锅炉压力。

过热蒸汽的价值之一在于其释放大量内能的能力，这些内能可以用于驱动机械系统，例如涡轮机以及往复式活塞发动机。在这些系统操作的压力，通过保持高于水蒸气的冷凝温度，过热蒸汽避免了水滴的形成，否则该水滴会由于其不可压缩性(在那些操作压力下)而损坏这些系统。因此，至关重要的是过热蒸汽的可压缩性，尤其是当驱动往复式发动机或涡轮机的时候。

因此，这种延迟会限制过热蒸汽在需要快速过热蒸汽注入的过程中的应用，例如在通常的半导体制造中。

因此，需要一种更快的方式来产生蒸汽，尤其是过热蒸汽。

发明内容

在一个实施方案中，一种生产活性化学物质、蒸汽或过热蒸汽的方法，包括使一种或多种流体流动通过导管，将一个或多个白炽灯定位为非常靠近导管，以及使用从一个或多个白炽灯发出的至少一部分热量来加热流动通过导管的一种或多种流体，使得一种或多种流体分解成化学成分，结合成新的化合物，或转化成蒸汽。

在一个方面，将一个或多个白炽灯定位包括将一个或多个卤素钨灯定位为非常靠近导管。

在另一方面，将一个或多个卤素钨灯定位为非常靠近导管包括将至少两个卤素钨灯定位为非常靠近导管，可选地将至少四个卤素钨灯定位为非常靠近导管，或可选地将六个或更多个卤素钨灯定位为非常靠近导管。

在另一方面，将灯定位包括将灯定位在导管周围。

在又一方面，该方法包括用导管围绕灯。

根据又一方面，将灯定位可以包括用导管的第一部分围绕灯，以及将灯定位在导管的第二部分周围。

在又一个实施方案中，将灯定位可以包括用导管的第一部分围绕灯，并用导管的第二部分围绕导管的第一部分。

在另一方面，使一种或多种流体流动通过导管包括使一种或多种流体流入导管的第二部分中，其中导管的第二部分形成导管的入口。以这种方式，导管的第二部分形成围绕导管的第一部分的隔热层。

在又一个实施方案中，使一种或多种流体流动包括使一种或多种流体流动通过两个导管，并将灯定位为非常靠近至少一个导管，以及可选地两个导管。

在上述任何情况中，该方法可以包括将辐射屏蔽物定位在灯的端部和导管之间，以使灯的端部屏蔽由灯发出的至少一些辐射以及从导管发出的热量。

在另一个实施方案中，发生器包括具有入口和出口的导管，以及定位为非常靠近导管的一个或多个白炽灯。入口与一种或多种流体的来源流体连通，其中从一个或多个白炽灯发出的至少一些热量用于加热流动通过导管的一种或多种流体。

在一个方面，一个或多个白炽灯包括一个或多个定位为非常靠近导管的卤素钨灯。

在另一方面，一个或多个卤素钨灯包括至少两个非常靠近导管的卤素钨灯，可选地至少四个非常靠近导管的卤素钨灯，或者可选地六个或更多个非常靠近导管的卤素钨灯。

在另一方面，灯围绕导管布置。例如，发生器还包括第一和第二安装基座，用于固定灯的相对端。在一个方面，基座由陶瓷材料制成，例如可加工的玻璃陶瓷。

在又一方面，导管包括两个部分-第一部分，其在灯之间延伸，使灯围绕导管的第一部分，以及第二部分，其围绕灯。

因此，发生器可以快速加热并将气体和/或液体(例如水)转化成蒸汽，即过热蒸汽。

附图说明

图1是通常的商品化的卤素钨高温灯的示意图；

图2是多个灯的端部基座放大的平面图；

图2A是沿着图2的IIA-IIA线的剖视图；

图3是安装在两个端部基座之间的灯阵列系统的示意图；

图4是具有处理导管延伸穿过其的灯阵列系统的示意图；

图5是图4的灯阵列系统与处理导管显示为容纳在包围物中的示意图；

图6是具有处理导管的另一实施方案的灯阵列系统的示意图；

图7是具有处理导管的第三实施方案的灯阵列系统的示意图；以及

图8是具有处理导管的第四实施方案的灯阵列系统的示意图。

具体实施方式

参考图4，编号10通常指示发生器或反应器，其加热一种或多种流体，例如液体或气体。本文所列举的实施方案以加热水以产生蒸汽(特别是过热蒸汽)的蒸汽发生器进行描述，但应该理解，可以使用相同的技术加热一种或多种气体或气体和液体，以使一种或多种气体和/或多种液体分解或结合成其它所需的化合物。此外，本发明的蒸汽发生器可以加热水以快速产生蒸汽，特别是过热蒸汽。例如，蒸汽发生器10可以在几秒钟内产生过热蒸汽，而不是与传统的蒸汽发生器相关的几分钟。如下将更全面地描述的，发生器10配置成在大约一个大气压和100C至几百摄氏度范围内的温度产生接近瞬时的蒸汽，更具体地接近瞬时的过热蒸汽。下面提供了蒸汽量、蒸汽温度和蒸汽产生速率的几个实例。

如图4最佳地所示，发生器10包括一个或多个白炽灯12(见图1)，其定位为非常靠近处理导管14，用于将热量导向至处理导管。处理导管14包括入口或输入端14a，用于与气体和/或液体(例如水)的来源连接，以及出口14b，加热的产品(例如蒸汽)从出口14b输出发生器。例如，用于结合或分解的合适的气体可以包括与例如半导体加工相关的气体。

参见图3和图4，电力通过计算机基控制系统16输送至一个或多个白炽灯12，计算机基控制系统16与电源(未示出)连接，并与灯的电极连接，以调节输送至一个或多个灯的电力，例如基于水流速和所需的过热蒸汽出口温度。计算机基控制系统16包括微处理器基控制器，并且可以包括一个或多个与控制器通信的传感器，以检测一个或多个处理参数。例如，计算机基控制系统16可以包括一个或多个传感器，以检测输入端处或输入端附近的水的流速，以及一个或多个温度传感器，以检测出口处或出口处附近的蒸汽的温度，并且可选地检测导管和/或灯的温度。计算机基控制系统16还可以包括其他电子组件，其编程为执行本文所述的功能，或其支持微处理器和/或其他电子设备。其他电子组件包括但不限于一个或多个离散电路、集成电路、专用集成电路(ASIC)和/或其他硬件、软件或固件，如本领域普通技术人员所知的。这些组件可以以任何合适的方式进行物理配置，例如通过将它们安装至一个或多个电路板，或者以其他方式布置它们，无论是在控制单元中在发生器处组合成单个单元，还是分布在多个控制单元中。这些组件可以定位在发生器处，或者它们可以与发生器分开地定位，例如，在远离发生器的位置。当分开地定位时，组件可以使用任何合适的串联或并联通信方案进行通信。

在所列举的实施方案中，灯12包括多个卤素钨灯18(例如参见图1、3和4)，其包括例如卤素钨高温灯。卤素灯是具有钨丝和少量卤素气体(例如加入的碘或溴)的白炽钨灯。向钨丝加入卤素气体产生卤素循环化学反应，这增加了灯的使用寿命。高温灯可从多个公司商购获得，例如美国的Fannon或日本的Ushio。

可选地，参考图1，灯18可以制造有完全透明的石英圆柱形灯泡或壳体18a，或者可以使壳体内的部分涂覆膜20，例如部分金薄膜，以将从壳体内的灯丝发出的能量聚焦于所需的方向。可替换地或另外地，可以将外部反射涂层(例如金薄膜)施加在壳体的外部。灯18，如所示那样其为传统的，可以包括在每个端部上的陶瓷帽18b，灯丝的端部延伸至陶瓷帽18b中并且与电极18c、18d连接，用于将相应的灯与由控制系统16控制的电源连接。

为了以围绕处理导管14的间隔关系来支撑灯，发生器10包括第一和第二端部基座22，例如图2所示的。每个端部基座22可以由陶瓷材料制成，包括云母或可加工的陶瓷材料，例如可加工的玻璃陶瓷，其以商标Macor获得。如图2和2A最佳地所示，端部基座22包括多个开口24，灯电极延伸通过开口24以连接电源。在所列举的实施方案中，端部基座22由盘形构件和环形凹槽28构成，该盘形构件具有可选的中央开口26，用于接收处理导管；该环形凹槽28围绕开口26延伸，用于接收灯18相应的端部帽。如所理解的，端部基座中开口的形状、尺寸、数量和开口的位置可以根据所使用的灯的尺寸和数量以及处理导管的类型而变化，如将在下面更全面地描述的。

开口24定位在端部基座22的环形凹槽28中，并且布置成围绕开口26放射状地间隔开，使得当灯安装到相应的端部基座22时，灯18将围绕开口26布置以在其之间形成中央通道30(图3和图4)，以接收处理导管14。因此，在该实施方案中，灯18围绕处理导管14。因此，反射涂层20可以施加到相应灯的外侧，使得由灯发出的热量向内导向处理导管。灯的数量可以变化，包括至少两个灯、至少四个灯、以及可选地六个或更多个灯，如所列举的实施方案所示。

为了增加热传递，在图4中，灯18定位为非常靠近处理导管14。例如，术语非常靠近意指在5至10mm的范围内、在2至30mm的范围内，或者可选地在1至7mm的范围内。以这种方式，当与使用反射涂层结合时，从灯发出的大部分(如果不是全部)热量导向处理导管。

再次参考图4，在所列举的实施方案中，处理导管14包括直管，例如由各种材料制成的管，例如钢、不锈钢合金、铝、铜、玻璃、石英、氧化铝、碳化硅、氧化锆等，其延伸穿过通道30(图3和图4)，并穿过下面描述的包围物。管的直径和壁厚可以变化，并且取决于具体的工艺要求以及待实现的所需化学反应结果，但直径应不小于约6.35mm(0.25英寸)。例如，管的直径通常可以在150至300mm的范围内、在100至1500mm的范围内，或者可选地在300至600mm的范围内，壁厚在0.12至0.75mm的范围内、在0.02至2.54mm的范围内，或可选地在0.25至0.5mm的范围内。

为了减少热量损失并进一步避免非常靠近发生器的人受伤的风险，发生器10可选地包括包围物32(图5)。包围物32包括相对的端壁34a和34b以及周边壁36，周边壁36在两端壁34a和34b之间延伸以容纳并包围灯18、处理导管14和端部基座22。端壁34a、34b包括用于处理导管14的入口端以及用于处理导管14的出口端的开口，使得除了入口和出口端外，发生器完全容纳在包围物内。可选地，包围物可以由绝热材料制成，例如各种陶瓷。此外，包围物30可包括内部隔热材料，例如石英棉等。可替换地或另外地，包围物30可以包括在周边壁36中形成的外部水冷套，或围绕周边壁36延伸的外部水冷套，以提供隔热或额外的隔热。

在根据第一实施方案构造的发生器的测试中，即六个1000W卤素钨灯以40％电力操作以及120cm³每分钟的进水流量，在接近500℃在不到15秒的时间内产生过热蒸汽，其大约相当于200升每分钟的过热蒸汽。

根据发生器的第二实施方案，处理导管可以配置成围绕灯。参考图6，发生器110包括处理导管114，处理导管114配置为盘绕，具有形成入口114a的第一线性部分以及形成出口114b的第二线性部分14b，其延伸穿过包围物130的端壁，类似于前述的实施方案。以这种方式，处理导管114围绕灯18。以这种配置，处理导管的表面积大大增加，并因此，流动通过处理导管的流体可以吸收更多的从灯发出的热量。此外，以这种配置，可以消除反射涂层或者可以改变它们的位置。例如，反射涂层可以设置在每个相应灯的朝内侧，使得由灯发出的所有热量通过灯的朝外侧朝外导向。

为了使处理导管吸收的热量最大化，改变处理导管的盘绕部分的尺寸使得它覆盖相应灯的加热长度的大部分(如果不是全部)(参见图1)。

根据发生器210的又一个实施方案，处理导管可以配置有两个部分-围绕灯的第一部分，以及被灯围绕的第二部分。参考图7，发生器210的处理导管214包括第一盘绕部分216，其为盘绕的并围绕灯18，以及第二直线部分218，其在灯18之间延伸并被灯包围，类似于第一实施方案。处理导管的盘绕部分通过第三部分220与处理导管的直线部分连接，第三部分220具有倒L形构造。如将理解的，第三部分的形状可以变化。以这种方式，盘绕部分216与处理导管214的直线部分218串联。

在所列举的实施方案中，盘绕部分216包括入口216a，用于穿过包围物230的周边壁236与供水流体连通，并且处理导管214的直线部分218向下延伸穿过包围物232的端壁234b，以输出蒸汽。包围物232具有与包围物32类似的结构，并且除入口与出口以外，为灯18和大部分处理导管提供隔热的包围物。因此，对于任何附加细节，参考包围物32。

随着处理导管表面积的增加，发生器210可以以非常高的体积流速产生非常高温的过热蒸汽。在一测试中，本文所述类型的发生器(具有六个1000W卤素钨灯)可以以60％灯电力度在接近500℃温度产生400L每分钟的过热蒸汽。

在发生器的又一个实施方案中，处理导管可以包括围绕灯的第一部分，以及围绕处理导管的第一部分的第二部分。参考图8，编号310通常指示发生器的另一个实施方案。发生器310包括围绕灯18的第一盘绕部分316，以及围绕处理导管314的第一盘绕部分316的第二盘绕部分318。在所列举的实施方案中，改变第一盘绕部分316的尺寸以延伸超过每个相应灯的加热长度，类似于第二和第三实施方案。改变第二盘绕部分318的尺寸以延伸超过第一盘绕部分316以及基本上灯18的整个长度。因此，外盘绕部分的盘绕长度比内盘绕部分长。另外，第二盘绕部分的直径可以大于第一盘绕部分的直径，使得它完全包围如上所述和所示的内盘绕部分。此外，在外盘绕部分安装在包围物之前，可以将隔热物(未示出，但是参考前述实施方案的包围物举例的隔热物)加入到外盘绕部分。在所列举的实施方案中，处理导管的入口端和出口端均延伸穿过包围物的一个端壁，并因此从同一侧从发生器出来。

通过外盘绕部分318将水导向至内盘绕部分316周围，处理导管314的外盘绕部分318可以充当隔热体，以减少热量到达包围物，以便在操作期间安全操作，并且此外，以提高从灯传递到处理导管的热量的热效率。

可选地，发生器310可以包括一个或多个辐射屏蔽物340。屏蔽物340可以包括板，例如圆形板，并且由高温陶瓷材料构成，包括云母或其它可加工的陶瓷材料，包括可加工玻璃陶瓷，类似于来自端部基座的材料。屏蔽物340定位在灯的端部以及处理导管之间，以使灯的端部屏蔽由灯发出的至少一些辐射和从处理导管发出的热量。因此，这些辐射屏蔽物使到达外盘绕以及发生器的包围物的直接辐射热量损失的量最小化。因此，增加外盘绕，盘绕与辐射屏蔽物之间的高温隔热，灯端部能够比其他方式更冷却，因此可以延长灯的寿命。

在任何上述的发生器中，排气扇可以结合到包围物中，其将外部环境空气吸入隔热的处理导管和包围物之间包围物内的空间中，以冷却灯的端部，这可以延长灯的寿命。

在任何上述的发生器中，如参考发生器310所示，可以加入热电偶套管350并与处理导管连接，例如所列举的实施方案中的内盘绕部分，并且与计算机基控制系统连接(例如，上面提到的控制系统16，其可以在这个和任何上述的发生器中使用)。通过向控制系统提供处理导管的温度的反馈，热电偶套管350可以允许对相应灯的操作和蒸汽产生更大的控制，如上所述，其可以使用处理导管的温度来控制发生器。

因此，本文所述的发生器可以在几秒钟内产生过热蒸汽，例如在短至10秒内，取决于所使用的灯电力的百分比以及进水流速。通过关闭水流和灯电力，几乎可以瞬间关闭发生器。它可以用于具有可变循环时间的生产循环中，或者它可以用于在恒定温度产生连续流速的过热蒸汽。这可以通过使用上述计算机控制系统容易地实现，基于水流速和所需的过热蒸汽出口温度计算机控制系统控制输送至灯的电力百分比。这些发生器可以在一个大气压下产生过热蒸汽，因此不需要高压过热蒸汽发生器任何昂贵的认证。然而，应该理解的是，发生器可以在出口处或出口下游使用背压，以改变处理导管中的压力。在各种商业应用中，从蒸汽保健水疗到化学、生物以及半导体加工等，它在成本且易于安装方面具有很高的竞争力。

Claims (17)

1.一种生产活性化学物质、蒸汽或过热蒸汽的方法，包括：

使一种或多种流体流动通过导管；

将一个或多个白炽灯定位为非常靠近所述导管；以及

使用从一个或多个白炽灯发出的至少一部分热量来加热流动通过所述导管的一种或多种流体，使得一种或多种流体分解成化学成分、结合成新的化合物、或转化成蒸汽。

2.根据权利要求1所述的方法，其中将一个或多个白炽灯定位包括将一个或多个卤素钨灯定位为非常靠近所述导管。

3.根据权利要求2所述的方法，其中将一个或多个卤素钨灯定位为非常靠近所述导管包括将至少两个卤素钨灯定位为非常靠近所述导管，可选地将至少四个卤素钨灯定位为非常靠近所述导管，或者可选地将六个或更多个卤素钨灯定位为非常靠近所述导管。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中将灯定位包括将灯定位在导管周围。

5.根据权利要求1、2或3中任一项所述的方法，还包括用所述导管围绕所述灯。

6.根据权利要求2所述的方法，其中将灯定位可以包括用所述导管的第一部分围绕所述灯，以及将所述灯定位在所述导管的第二部分周围。

7.根据权利要求2所述的方法，其中将灯定位包括用所述导管的第一部分围绕所述灯，以及用所述导管的第二部分围绕所述导管的第一部分。

8.根据权利要求7所述的方法，其中使一种或多种流体流动通过所述导管包括使一种或多种流体流入所述导管的第二部分中，其中所述导管的第二部分形成导管的入口。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中使水流动包括使一种或多种流体流动通过两个导管，以及将灯定位为非常靠近至少一个导管，以及可选地两个导管。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括将辐射屏蔽物定位在灯的端部和导管之间，以使灯的端部屏蔽由灯发出的至少一些辐射和从导管发出的热量。

11.一种发生器，包括：

导管，其具有入口和出口，入口与一种或多种流体的来源流体连通；以及

一个或多个白炽灯，其定位为非常靠近所述导管，其中从一个或多个白炽灯发出的至少一些热量用于加热流动通过所述导管的一种或多种流体。

12.根据权利要求11所述的发生器，其中所述一个或多个白炽灯包括一个或多个定位为非常靠近所述导管的卤素钨灯。

13.根据权利要求12所述的发生器，其中所述一个或多个卤素钨灯包括至少两个非常靠近所述导管的卤素钨灯，可选地至少四个非常靠近所述导管的卤素钨灯，或者可选地六个或者更多个非常靠近所述导管的卤素钨灯。

14.根据权利要求11或12所述的发生器，其中所述灯布置在所述导管周围。

15.根据权利要求12-14中任一项所述的发生器，其中所述发生器还包括第一和第二安装基座，用于固定所述灯的相对端。

16.根据权利要求15所述的发生器，其中所述基座由陶瓷材料制成，例如可加工的玻璃陶瓷。

17.根据权利要求12所述的发生器，其中所述导管包括第一部分和第二部分，所述第一部分在所述灯之间延伸，使所述灯围绕所述导管的第一部分，以及所述第二部分围绕所述灯。