CN115917240A - 换热构造 - Google Patents

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角田大辅
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Abstract

换热构造(50)具备：在层叠方向(Y方向)上层叠且相互热耦合的两个流路(51、52)；以及能够装卸地设置于两个流路(51、52)中的至少一方的流路的翅片构造体(60)。翅片构造体(60)包括多个翅片(61)，该多个翅片(61)沿设置有该翅片构造体的至少一方的流路的长度方向(Z方向)排列，并且形成沿该至少一方的流路交替地排列在至少一方的流路的层叠方向的一方侧和另一方侧的开口部(62)。

Description

换热构造
技术领域
本公开涉及一种进行两流体间的换热的换热构造。
背景技术
换热型的催化反应装置装备有进行两流体间的换热的换热构造。换热构造具有彼此相邻的载热体流路和反应流路。在载热体流路中流动载热体流体，在反应流路中流动包含反应原料的反应流体。载热体流路与反应流路经由隔壁而相互热耦合。因此，在具有温度差的载热体流体与反应流体之间进行换热，促进反应原料的反应。
为了提高载热体流体与反应流体之间的总传热系数，有时在载热体流路及反应流路中的至少一方设置翅片构造体。翅片构造体被称为波纹翅片或波动翅片等，通过对金属板实施弯曲加工等来形成。翅片构造体具有沿设置该翅片构造体的流路的长度方向延伸或弯曲的多个翅片(侧面)。关于这样的结构，专利文献1公开了作为翅片构造体的导热促进体。此外，在上述的翅片构造体设置于反应流路的情况下，有时也在该翅片构造体担载催化剂。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-140591号公报
发明内容
发明所要解决的课题
现有的翅片构造体使流体沿设置有翅片的面偏转或分散。因此，在将这样的翅片构造体设置于上述的换热构造的情况下，流体大致沿隔壁流动。另一方面，在载热体流体与反应流体之间交换的热经由该隔壁传递。并且，由于热流通量与温度差(温度梯度)成比例，所以流体间的传热越接近产生温度边界层的隔壁则越大，越远离隔壁则越小。因此，流体越远离隔壁，则越难以被加热(冷却)。这样的状况妨碍传热率的提高。此外，为了充分地加热(冷却)所有部位的流体，能够通过延长其流路来进行应对。然而，在该情况下，装置变得大型，制造成本也上升。
因此，本公开的目的在于提供一种能够在有限长度的空间内提高两流体间的总传热系数的换热构造。
用于解决课题的方案
本公开的一个方案是一种换热构造，其主旨在于，该换热构造具备：在层叠方向上层叠且相互热耦合的两个流路；以及能够装卸地设置于上述两个流路中的至少一方的流路的翅片构造体，上述翅片构造体包括多个翅片，该多个翅片沿设置该翅片构造体的上述至少一方的流路的长度方向排列，并且形成沿上述至少一方的流路交替地排列在上述至少一方的流路的上述层叠方向的一方侧和另一方侧的开口部。
优选上述多个翅片相对于设置有上述翅片构造体的上述至少一方的流路的长度方向正交。优选上述多个翅片相对于设置有上述翅片构造体的上述至少一方的流路的长度方向倾斜。优选上述多个翅片中的一部分以与其它翅片不同的间距排列。优选上述翅片构造体包括一对带部，该一对带部设于与上述层叠方向交叉的方向上的上述多个翅片的排列的两侧，对上述多个翅片进行支撑。
优选上述翅片构造体包括：设于与上述层叠方向交叉的方向上的上述多个翅片的排列的两侧的一对带部；以及设于上述一对带部之间、将上述一对带部连结并且与上述多个翅片中的对应的翅片连接的多个支撑部。优选上述翅片构造体由一张板部件一体地形成。
优选上述翅片构造体包括多个连结部，该多个连结部分别被上述一对带部支撑，以使上述多个翅片在与上述层叠方向交叉的方向上蜿蜒的方式连结上述多个翅片。优选上述多个翅片和上述多个连结部由一张板部件一体地形成。优选在上述翅片构造体担载有催化剂。
发明的效果如下。
根据本公开，可提供一种能够在有限长度的空间内提高两流体间的总传热系数的换热构造。
附图说明
图1的(a)及图1的(b)是示出本公开的实施方式的换热构造的基本结构的图，图1的(a)是Y-Z面处的换热构造的剖视图，图1的(b)是图1的(a)所示的IB-IB剖视图。
图2是示出换热构造的基本结构的变形例的图。
图3的(a)～(c)是示出本公开的实施方式的翅片的配置例的图。
图4的(a)及图4的(b)是示出本公开的实施方式的翅片构造体的第一构成例的图，图4的(a)是第一构成例的立体图，图4的(b)是图4的(a)所示的IVB剖视图。
图5的(a)及图5的(b)是示出本公开的实施方式的翅片构造体的第二构成例的图，图5的(a)是第二构成例的立体图，图5的(b)是图5的(a)所示的VB剖视图。
图6的(a)及图6的(b)是示出本公开的实施方式的翅片构造体的第三构成例的图，图6的(a)是第三构成例的立体图，图6的(b)是图6的(a)所示的VIB剖视图。
图7的(a)及图7的(b)是示出本公开的实施方式的翅片构造体的第四构成例的图，图7的(a)是第四构成例的立体图，图7的(b)是图7的(a)所示的VIIB剖视图。
图8的(a)及图8的(b)是示出本公开的实施方式的翅片构造体的第五构成例的图，图8的(a)是第五构成例的立体图，图8的(b)是图8的(a)所示的VIIIB剖视图。
图9的(a)及图9的(b)是示出本公开的实施方式的翅片构造体的第六构成例的图，图9的(a)是第六构成例的立体图，图9的(b)是图9的(a)所示的IXB剖视图。
图10的(a)及图10的(b)是示出第五构成例及第六构成例中的折曲部的立体图，图10的(a)是示出折曲部的第一例的图，图10的(b)是示出折曲部的第二例的图。
图11是示出本公开的实施方式的翅片构造体的第七构成例的图。
图12是示出本公开的实施方式的翅片构造体的第七构成例的图。
图13是示出具备本实施方式的换热构造的反应装置的侧视图。
图14是图13中的XIV-XIV线剖视图。
图15是图13中的XV-XV线剖视图。
图16是示出本实施方式的换热部的一部分的立体剖视图。
具体实施方式
以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。此外，在各图中对共用的部分标注同一符号，并省略重复的说明。
(基本结构)
首先，对本实施方式的换热构造50的基本结构进行说明。以下，为了便于说明，作为相互正交的三个方向，规定X方向、Y方向以及Z方向。如在下文中说明，Y方向是两个流路51、52的层叠方向。Z方向是各流路的长度方向(延伸方向)。X方向是各流路的宽度方向，也是并行地设置多个流路的情况下的排列方向。
图1的(a)及图1的(b)是示出本实施方式的换热构造50的基本结构的图，图1的(a)是Y-Z面处的换热构造50的剖视图，图1的(b)是图1的(a)所示的IB-IB剖视图。图2是示出换热构造50的基本结构的变形例的图。
如图1的(a)所示，换热构造50具备至少一个流路51和至少一个流路52。流路51及流路52具有沿X方向的宽度w3，沿成为长度方向的Z方向延伸。并且，流路51及流路52沿Y方向(层叠方向)层叠。流路51及流路52相互并行地设置，经由隔壁55相互热耦合。此外，流路51作为下述的第一流路11及第二流路21中的一方的流路被应用，流路52作为第一流路11及第二流路21中的另一方的流路被应用。并且，流路51与流路52之间的隔壁55分别相当于下述的第一隔壁13以及第二隔壁23。
此外，换热构造50也可以具备多个流路51和多个流路52。例如，多个流路51和多个流路52分别在与X-Z平面平行的平面上并行。流路51的长度方向与流路52的长度方向可以相互平行，也可以交叉。后者也可以是扭转的关系。在任一情况下，流路51及流路52中的一方的流路都在其长度方向的大致整个区间，经由隔壁55而与流路51及流路52中的另一方的流路相互热耦合。
如图1的(a)所示，流体53在流路51中流动，流体54在流路52中流动。流体53是下述的载热体流体M及反应流体R中的一方的流体。流体54是载热体流体M及反应流体R中的另一方的流体。此外，流体53和流体54的流动可以是对流，也可以是并流。
在流体53与流体54之间存在温度差ΔT。因此，在流体53正流动于流路51、流体54正流动于流路52时，热在流体53与流体54之间移动。具体而言，在流体53与隔壁55之间通过对流传热，在隔壁55内通过导热，而且在隔壁55与流体54之间通过对流传热，热在流体53与流体54之间移动。
此时的每单位时间的热量Q与总传热系数(热通过率)U、隔壁55的传热面积A、以及流体53和流体54的温度差ΔT的积成比例。即，上述值的关系由以下的式(1)表示。
Q＝UA(ΔT)...(1)
传热面积A是恒定的。并且，由于流体53和流体54稳定地流动，所以温度差ΔT的变化较小。因此，可知热量Q的增加通过总传热系数U的增加而得到。
并且，总传热系数U、流体53与隔壁55之间的传热率H1、隔壁55与流体54之间的传热率H2、以及隔壁55的传热率K之间存在以下关系。
1/U＝1/H1+1/H2+T/K...(2)
此处，T是隔壁55的厚度。根据式(2)可知，若传热率H1及传热率H2中的至少一方增加，则总传热系数U增加。
传热率H1通过使隔壁55附近的流体53加速而增加。这一倾向对于传热率H2也是相同的。因此，在本实施方式中，使用翅片构造体60，使流体53及流体54中的至少一方的流体的主流的流动朝向隔壁55。由此，主流的一部分接近或进入到隔壁55附近的温度边界层，促进该主流与隔壁55之间的热的移动。即，传热率H1及传热率H2中的至少一方增加。其结果，总传热系数U增加，最终热量Q增加。即，在有限长度的空间内，能够提高两流体间的总传热系数。
本实施方式的翅片构造体60以能够装卸的方式设置于流路51及流路52中的至少一方的流路。以下，为了便于说明，举出图1的(a)及图1的(b)所示的例子对翅片构造体60进行说明。即，翅片构造体60设置于流路51，未设置于流路52。
如图1的(b)所示，翅片构造体60具有X方向的宽度w1，具有Y方向的高度h1。翅片构造体60的宽度w1设定为与流路51的宽度w3大致相等的值。并且，翅片构造体60的高度h1设定为流路51的高度h3以下的值。宽度w1设定为极力抑制了与流路51的内周面之间的泄漏的值。此外，高度h1也可以设定为形成防止流体53的滞留的间隙的程度的值。翅片构造体60的进深d1根据流路51的尺寸、使用形态而适当设定。例如，进深d1设定为流路51的进深d3以下的值。
翅片构造体60包括多个翅片(偏转板、分隔板)61。翅片61是由金属制的薄板构成的大致矩形的小片，面向Z方向且沿X方向延伸。彼此相邻的两个翅片61、61间的间距(间隔)P可以恒定，也可以变化。即，多个翅片61中的一部分也可以以与其它翅片61不同的间距P排列。通过使间距P变化，能够使局部的总传热系数沿Z方向变化。
如图1的(b)所示，翅片61具有沿X方向延伸的缘部61a。在缘部61a，翅片61具有Y方向的高度h2。该高度h2设定为小于流路51的高度h3且为高度h3的1/2的值以上的值。利用流路51的高度h3与翅片61的高度h2之差，在流路51内形成开口部62。即，翅片61在缘部61a与流路51的内周面(隔壁55)之间形成开口部62。如在下文中说明，流体53经由该开口部62流动于流路51。
也可以如图1的(b)所示，缘部61a形成于X方向的整个区域。并且，也可以形成于X方向的一部分区间(参照图10的(a)及图10的(b))。在前者的情况下，翅片61沿Z方向交替地排列在流路51的Y方向的一方侧和另一方侧。在后者的情况下，翅片61沿Z方向排列，并且缘部61a的位置沿Z方向交替地位于流路51的Y方向的一方侧和另一方侧。
也可以如图1的(a)所示，翅片61与流路51的长度方向(Z方向)正交。或者，也可以如图2所示，翅片61相对于流路51的长度方向倾斜。在后者的情况下，翅片61可以以使形成开口部62的缘部61a位于比其相反侧的缘部61b靠流路51的上游侧的位置方式倾斜，也可以相反。
图3的(a)～图3的(c)是示出翅片61的配置例的图。也可以如上述附图所示，翅片61相对于X方向倾斜。在翅片61相对于X方向倾斜的情况下，该翅片61可以如图3的(a)所示地与流路51的长度方向正交，也可以如图3的(b)及图3的(c)所示地相对于流路51的长度方向倾斜。另外，也可以在流路51中混合存在上述的正交或倾斜的翅片61。
翅片构造体60包括一对带部63、63。一对带部63、63分别设于与Z方向交叉的方向(例如X方向)上的多个翅片61的排列的两侧。一对带部63、63对位于它们之间的多个翅片61进行支撑。但是，多个翅片61也可以由将一对带部63、63连结的部件(例如图8的(a)所示的支撑部66)或具有一对带部63、63作为侧面的部件(例如图4的(a)所示的方管64)支撑。
如上所述，开口部62在流路51的Z方向(长度方向)上开口，并且沿流路51交替地排列在流路51的Y方向(层叠方向)的一方侧和另一方侧。即，开口部62以在Y方向上往复的方式沿Z方向配置成之字形。因此，流体53的流动一边反复进行Y方向的往复一边沿Z方向流动。换言之，流体53一边在Y方向上蜿蜒一边沿Z方向流动。
翅片构造体60在蜿蜒的流体53的路径与隔壁55之间的至少一部分不具有干涉传热的结构。换言之，在流体53在Y方向上往复的各区间，翅片构造体60具有使流体53露出于隔壁55的部分(开口)。因此，能够使流体53的一部分直接接近或进入到隔壁55附近的温度边界层TB。由此，传热率H1增加，能够提高流体53与流体54之间的传热率。例如，在流体53的温度比流体54的温度高的情况下，能够促进图1的(b)所示的热的流动HF。
相同的总传热系数的提高也可以通过将翅片构造体60设置于流路52来获得。即，通过将翅片构造体60设置于流路52，能够使传热率H2增加。并且，通过在流路51和流路52分别设置翅片构造体60，能够进一步提高流体53与流体54之间的传热率。在任何情况下，通过在有限长度的空间设置翅片构造体60，都能够提高流体53与流体54之间的总传热系数。
此外，翅片构造体60由具有耐热性且能够担载催化剂的材料形成。作为这样的材料，有以Fe(铁)、Cr(铬)、Al(铝)、Y(钇)、Co(钴)、Ni(镍)、Mg(镁)、Ti(钛)、Mo(钼)、W(钨)、Nb(铌)、Ta(钽)等金属的一种或多种为主成分的耐热合金。例如，也可以对Fecralloy(铁铬合金；注册商标)等耐热合金制的薄板状构造材料进行成形加工来构成翅片构造体60。
并且，在催化剂被翅片构造体60担载的情况下，该催化剂含有对促进化学反应的推进有效的活性金属作为主成分。作为活性金属，例如可以举出Ni(镍)、Co(钴)、Fe(铁)、Pt(铂)、Ru(钌)、Rh(铑)、Pd(钯)等，可以仅使用它们中的一种，也可以在对促进反应有效的范围内组合多种来使用。
(第一构成例)
接下来，对翅片构造体60的构成例进行说明。图4的(a)及图4的(b)是示出作为翅片构造体60的第一构成例的翅片构造体60A的图，图4的(a)是第一构成例的立体图，图4的(b)是图4的(a)所示的IVB剖视图。
如图4的(a)所示，翅片构造体60A由高度h1、宽度w1以及进深d1的方管64形成。方管64具有在Y方向上隔开高度h1的间隔而设置的上表面64U及下表面64L和在X方向上隔开宽度w1的间隔而设置的两个侧面64S、侧面64S。这两个侧面64S、64S构成上述的一对带部63、63，上表面64U及下表面64L作为侧面64S、64S间的连结部件发挥功能。
以形成多个翅片61的方式对上表面64U及下表面64L实施朝向方管64的内侧的切起加工。也就是说，多个翅片61以在被上表面64U或下表面64L支撑的状态下与Z方向正交的方式从上表面64U或下表面64L弯曲。此外，翅片61的高度h2与露出部65A在Z方向上的长度L1大致相等。
上述的切起加工的结果是，露出部65A在上表面64U开口。露出部65A位于翅片61在Z方向上的背后(前方)，使隔壁55在流体53所流动的方管64的内部空间露出。通过该露出，提高流体53与流体54之间的总传热系数。
翅片构造体60A通过对方管64进行切起加工来形成。也就是说，多个翅片61与方管64一体地形成。由于主要的加工工序仅是切起加工，所以能够容易地制造翅片构造体60A。
(第二构成例)
图5的(a)及图5的(b)是示出作为翅片构造体60的第二构成例的翅片构造体60B的图，图5的(a)是第二构成例的立体图，图5的(b)是图5的(a)所示的VB剖视图。第二构成例与第一构成例的差异在于翅片构造体60B的翅片61相对于Z方向倾斜这一点。第二构成例中的其它结构与第一构成例的结构相同。
从Z方向观察到的翅片61的高度设定为上述的高度h2。因此，通过使翅片61相对于Z方向倾斜，能够使露出部65B在Z方向上的长度L2比长度L1长。即，能够使露出部65B的开口面积比露出部65A的开口面积多。因而，能够至少提高露出部65B的总传热系数。
(第三构成例)
图6的(a)及图6的(b)是示出作为翅片构造体60的第三构成例的翅片构造体60C的图，图6的(a)是第三构成例的立体图，图6的(b)是图6的(a)所示的VIB剖视图。第三构成例的翅片构造体60C的翅片61与Z方向正交，并具有形成于X方向的整个区域的缘部61a。即，翅片61在X方向的整个区域具有高度h2，并在与流路51的内周面(隔壁55)之间形成开口部62。
翅片构造体60C包括一对带部63、63。即，一对带部63、63分别设于与Z方向交叉的方向(例如X方向)上的多个翅片61的排列的两侧。一对带部63、63与各翅片61在X方向上的两端部连接，对位于一对带部63、63之间的多个翅片61进行支撑。
(第四构成例)
图7的(a)及图7的(b)是示出作为翅片构造体60的第四构成例的翅片构造体60D的图，图7的(a)是第四构成例的立体图，图7的(b)是图7的(a)所示的VIIB剖视图。翅片构造体60D的翅片61相对于Z方向倾斜，并具有形成于X方向的整个区域的缘部61a。即，翅片61在X方向的整个区域具有从Z方向观察到的高度h2，并在与流路51的内周面(隔壁55)之间形成开口部62。
与第三构成例相同，翅片构造体60D包括一对带部63、63。即，一对带部63、63分别设于与Z方向交叉的方向(例如X方向)上的多个翅片61的排列的两侧。一对带部63、63与各翅片61在X方向上的两端部连接，对位于一对带部63、63之间的多个翅片61进行支撑。
第三构成例及第四构成例的翅片构造体60C、60D不具有将流体53所流动的流路51的内部空间与隔壁55之间分隔的构造。因此，隔壁55在Z方向的大致整个区域在流体53中露出。其结果，与第一构成例及第二构成例相比，能够提高流体53与流体54之间的总传热系数。
(第五构成例)
图8的(a)及图8的(b)是示出作为翅片构造体60的第五构成例的翅片构造体60E的图，图8的(a)是第五构成例的立体图，图8的(b)是图8的(a)所示的VIIIB剖视图。与上述的各构成例相同，翅片构造体60E也包括一对带部63、63。但是，一对带部63、63不直接支撑翅片61。取而代之地，支撑部66支撑翅片61。
翅片构造体60E包括多个上述的支撑部66。支撑部66设于一对带部63、63之间，将一对带部63、63连结。并且，支撑部66与多个翅片61中的对应的翅片61连接。翅片61与支撑部66的连接部分构成形成开口部62的缘部61a。
如图8的(b)所示，支撑部66例如位于流路51在Y方向上的中央。多个翅片61以支撑部66为基点，交替地朝向Y方向的一方侧和另一方侧延伸。
(第六构成例)
图9的(a)及图9的(b)是示出作为翅片构造体60的第六构成例的翅片构造体60F的图，图9的(a)是第六构成例的立体图，图9的(b)是图9的(a)所示的IXB剖视图。翅片构造体60D的翅片61相对于Z方向倾斜。其它结构与翅片构造体60E的结构相同。
与第三构成例及第四构成例相同，第五构成例及第六构成例的翅片构造体60E、60F也不具有将流体53所流动的流路51的内部空间与隔壁55之间分隔的构造。因此，隔壁55在Z方向的大致整个区域在流体53中露出。其结果，与第一构成例及第二构成例相比，能够提高流体53与流体54之间的总传热系数。
另外，在翅片构造体60E、60F中，翅片61与支撑部66的连接部分成为翅片61的支点。因此，在相对于流路51装卸翅片构造体60E、60F时，即使翅片61与流路51的内周面(隔壁55)接触(换言之，即使摩擦变大)，翅片61也能够相对于该支点挠曲。也就是说，翅片构造体的装卸变得容易。
并且，由于在装卸时翅片61挠曲，所以能够将翅片61的高度h2设定为尽量高，能够极力抑制翅片构造体60E、60F与流路51的内周面(隔壁55)之间的泄漏。在该情况下，翅片61也可以与流路51的内周面(隔壁55)接触，因此也能够局部地实现翅片61与流路51的内周面(隔壁55)的导热。
第五构成例的翅片构造体60E以及第六构成例的翅片构造体60F在其构造上能够不经过焊接等连接工序而通过对一张板部件进行冲裁加工及折弯加工来形成。例如，翅片61以及带部63通过对一张板部件中成为支撑部66的部分进行折弯来形成。通过从这样的一张板部件形成，能够实现构件数量和加工工序的削减。
图10的(a)及图10的(b)是示出第五构成例及第六构成例中的折曲部68的立体图，图10的(a)是示出折曲部68的第一例的图，图10的(b)是示出折曲部68的第二例的图。如上所述，翅片构造体60E以及翅片构造体60F能够通过对一张板部件进行冲裁加工及折弯加工来形成。在该情况下，带部63与支撑部66经由通过板部件的折弯而形成的折曲部68相互连接。
折曲部68可以如图10的(a)所示地遍及Z方向的整个区域地形成，也可以如图10的(b)所示地在Z方向上仅形成于带部63与支撑部66之间。前者比后者更容易加工。另一方面，与前者相比，在后者的情况下，使翅片61的宽度在Y方向上恒定，从而更容易减少翅片61与流路51之间的泄漏。此外，图10的(b)中的双点划线示出图10的(a)所示的翅片61和折曲部68的轮廓的一部分。
(第七构成例)
图11及图12是示出作为翅片构造体60的第七构成例的翅片构造体60G的图。翅片构造体60G的翅片61在X方向的一部分区间具有规定高度h2的缘部61a。其它区间形成有规定与流路51的高度h1相同程度的高度的缘部61c。
与其它构成例相同，缘部61a在与流路51的内周面(隔壁55)之间形成开口部62。如图11所示，翅片61以使缘部61a的位置交替地位于流路51的Y方向的一方侧和另一方侧的方式沿Z方向排列。
如图11所示，翅片构造体60G包括一对带部63、63。即，一对带部63、63分别设于与Z方向交叉的方向(例如X方向)上的多个翅片61的排列的两侧。一对带部63、63与各翅片61在X方向上的两端部连接，对位于一对带部63、63之间的多个翅片61进行支撑。
也可以如图12所示，翅片构造体60G包括将多个翅片61连结的多个连结部67。多个连结部67分别被一对带部63、63支撑。并且，多个连结部67以使多个翅片61在与Y方向交叉的方向(例如X方向)上蜿蜒的方式连结多个翅片61。在该情况下，多个连结部67和多个翅片61也可以由一张板部件一体地形成。即，多个连结部67和多个翅片61也可以通过对单个带状的板材进行冲裁加工及折弯加工而一体地形成。通过该一体形成，能够实现构件数量和加工工序的削减。
(应用例)
本实施方式的翅片构造体60能够使热高效地沿流体蜿蜒的方向移动。例如，在设想并行的多个流路51的集合体与并行的多个流体54的集合体层叠的结构的情况下，热在流体53与流体54之间主要沿Y方向移动。因此，通过使用翅片构造体60，能够提高换热。在下文中说明的反应装置(催化剂反应器)是考虑这一点而设计的。
以下，对作为应用了换热构造50的一例的反应装置(催化剂反应器)1进行说明。反应装置1具备作为换热构造50的换热部2。如在下文中说明，第一传热体10和第二传热体20在Y方向上层叠，第一流路(流路)11和第二流路(流路)21沿Z方向延伸。并且，将各流路的宽度方向设为上述的X方向。X方向也是并行地设置多个第一流路11(第二流路21)的情况下的排列方向。
图13是示出具备本实施方式的换热构造50的反应装置(催化剂反应器)1的侧视图。图14是图13中的XIV-XIV线剖视图。图15是图13中的XV-XV线剖视图。图16是示出作为换热构造50的换热部2的一部分的立体剖视图。
反应装置1通过对包含反应原料的反应流体R进行加热或冷却，来推进(促进)反应流体R的反应。为了进行该加热或冷却，反应装置1具备作为在载热体流体M与反应流体R之间进行换热的换热构造50(参照图1的(a)及图1的(b))的换热部2。换热部2具备第一传热体10、第二传热体20以及盖板30。第一传热体10、第二传热体20以及盖板30是由具有耐热性的导热性原材料形成的平板状部件，具有能够承受在反应流体R流通时产生的较高的内压的足够的厚度。
第一传热体10具有使载热体流体M流通的流路(以下，称为第一流路)11。另一方面，第二传热体20具有使反应流体R流通的流路(以下，称为第二流路)21。第一传热体10和第二传热体20在Y方向(层叠方向)上交替地层叠，在其最上部设置有盖板30。
通过上述的层叠，第一流路11和第二流路21隔着第一隔壁13或第二隔壁23彼此相邻(参照图16)。换言之，第一流路11和第二流路21在第一传热体10与第二传热体20的层叠方向上以非接触的状态层叠。如上所述，第一传热体10和第二传热体20由导热性原材料形成。因此，第一流路11与第二流路21相互热耦合。
换热部2具有反应流体R和载热体流体M相互向相反方向流动的对流型的构造。在第一流路11及第二流路21中的至少一方的流路，能够装卸地设置有翅片构造体60(参照图1的(a)～图12)。此外，也可以在反应流体R所流动的第二流路21，能够装卸地设置担载有催化剂的翅片构造体60。
换热部2由第一传热体10和第二传热体20的至少一组构成。并且，为了提高换热的性能，也可以增加各传热体的数量。考虑换热部2的设计条件、传热效率等来设定形成于各传热体的流路的数量。另外，为了抑制由来自换热部2的散热引起的热损失，也可以用壳体或绝热材料覆盖换热部2的周围。
作为层叠体的换热部2的两端由固定部件32、33保持。
在固定部件32安装有载热体导入部34。载热体导入部34是弯曲成凹状的盖体，在与换热部2之间形成空间S1。多个第一流路11的第一导入口12在空间S1开口(参照图14)。换言之，第一导入口12在面向载热体导入部34的换热部2的侧面(端面)2a开口。载热体导入部34具有导入载热体流体M的第一导入管36。载热体流体M经由第一导入管36流入到各第一流路11。
载热体导入部34能够装卸或能够开闭地设置于固定部件32。通过该装卸等，例如作业人员能够相对于第一流路11进行翅片构造体60的插入、拔出。
载热体排出部41是具有一个敞开面的箱状部件。载热体排出部41以该敞开面与第一传热体10的第一排出口18一致的方式设置于换热部2。并且，载热体排出部41具有第一排出管42。第一排出管42将在换热部2中流通后的载热体流体M排出。
在固定部件33安装有反应流体导入部35。与载热体导入部34相同，反应流体导入部35是弯曲成凹状的盖体，在与换热部2之间形成空间S2。多个第二流路21的第二导入口22在空间S2开口(参照图15)。换言之，第二导入口22在面向反应流体导入部35的换热部2的侧面(端面)2b开口。反应流体导入部35具有用于导入反应流体R的第二导入管37。反应流体R经由第二导入管37流入到各第二流路21。
反应流体导入部35能够装卸或能够开闭地设置于固定部件33。通过该装卸等，例如作业人员能够相对于第二流路21进行翅片构造体60的插入、拔出。
与载热体排出部41相同，生成物排出部43是具有一个敞开面的箱状部件。生成物排出部43以该敞开面与第二传热体20的第二排出口28一致的方式设置于换热部2。并且，生成物排出部43具有第二排出管44。第二排出管44将包含来自反应流体R的生成物的反应气体G排出。
如图14所示，第一传热体10具有多个第一流路11。多个第一流路11沿Z方向延伸，并且沿X方向(宽度方向)排列。第一流路11将载热体流体M的热供给至第一传热体10。
第一流路11是形成于第一传热体10的一方的面(在本实施方式中为上表面)的槽。该槽具有宽度w3及高度h3的矩形的截面(参照图16)，以进深d3的长度(参照图15)向一个方向延伸。宽度w3具有翅片构造体60的宽度w1以上的值。同样，高度h3也具有翅片构造体60的高度h1以上的值。进深d3比翅片构造体60的进深d1大。
第一流路11从位于固定部件32侧的第一导入口12朝向固定部件33呈直线状地延伸。如图14所示，多个第一流路11并列地排列。此外，第一流路11以及第一流路11的宽度、高度以及长度也可以不同。
第一传热体10包括第一隔壁13、两个第一侧壁14、多个第一中间壁15以及第一端壁16。第一侧壁14、多个第一中间壁15以及第一端壁16设于第一隔壁13的一方的面。即，它们相对于第一隔壁13而设于与设置第一侧壁14等的面相同的面。第一隔壁13是矩形的壁部，规定第一传热体10的整体形状。第一侧壁14是设于第一流路11的延伸方向的两侧的壁部。多个第一中间壁15是位于两个第一侧壁14之间且与各第一侧壁14并列地设置的壁部。
第一端壁16是隔着第一流路11而设于与第一导入口12相反的一侧且沿第一流路11的排列方向延伸的壁部。第一端壁16阻止载热体流体M向空间S2的流入。
第一传热体10具有沿第一端壁16延伸的第一连接流路17。第一连接流路17与所有的第一流路11连通，并且与第一排出口18连通。
如图15所示，第二传热体20具有包括反应区域的多个第二流路21。第二流路21将其中间部分作为主要的反应区域。多个第二流路21沿Z方向延伸，并且沿X方向(宽度方向)排列。第二流路21接受在第一传热体10内的第一流路11流通的载热体流体M的热而使反应流体R产生反应，生成包含来自反应流体R的生成物的反应气体G。
第二流路21是形成于第二传热体20的一方的面(在本实施方式中为上表面)的槽。该槽具有宽度w3及高度h3的矩形的截面(参照图16)，以进深d3的长度(参照图15)向一个方向延伸。第二流路21从位于固定部件33侧的第二导入口22朝向固定部件32呈直线状地延伸。如图15所示，多个第二流路21并列地排列。
第二传热体20包括第二隔壁23、两个第二侧壁24、多个第二中间壁25以及第二端壁26。第二侧壁24、第二中间壁25以及第二端壁26设于第二隔壁23的一方的面。第二隔壁23是矩形的壁部，规定第二传热体20的整体形状。第二侧壁24是设于第二流路21的延伸方向的两侧的壁部。多个第二中间壁25是位于两个第二侧壁24之间且与各第二侧壁24并列地设置的壁部。
第二端壁26是隔着第二流路21而设于与第二导入口22相反的一侧并沿第二流路21的排列方向延伸的壁部。第二端壁26阻止反应气体G向空间S1的流入。
第二传热体20具有沿第二端壁26延伸的第二连接流路27。第二连接流路27与所有的第二流路21连通，并且与第二排出口28连通。与第一流路11相同，第二连接流路27也是流体的流路，两者没有实质上的差异。
换热部2能够作为液-液型换热器、气-气型换热器以及气-液型换热器的任一种来使用。反应流体R以及载热体流体M可以是气体及液体中任一种。并且，本实施方式的反应装置1能够通过吸热反应、放热反应等各种热反应进行化学合成。作为利用这样的热反应进行的合成，例如有利用式(3)所示的甲烷的水蒸气重整反应、式(4)所示的甲烷的干式重整反应之类的吸热反应、式(5)所示的变换反应、式(6)所示的甲烷化反应、式(7)所示的费托(Fischer Tropsch)合成反应等放热反应进行的合成。此外，上述反应中的反应流体R是气体。
CH4+H2O→3H2+CO...(3)
CH4+CO2→2H2+2CO...(4)
CO+H2O→CO2+H2...(5)
CO+3H2→CH4+H2O...(6)
(2n+1)H2+nCO→CnH2n+2+nH2O...(7)
载热体流体M优选为不腐蚀反应装置1的构成原材料的物质。在使用加热气体作为载热体流体M的情况下，能够使用燃烧气体、加热空气等气体状物质。载热体流体M例如也可以是水、油等液状物质。
此外，本公开并不限定于上述的实施方式，而是由权利要求书的记载来示出，还包括与权利要求书的记载均等的含义以及范围内的所有变更。

Claims (9)

1.一种换热构造，其特征在于，具备：
在层叠方向上层叠且相互热耦合的两个流路；以及
能够装卸地设置于上述两个流路中的至少一方的流路的翅片构造体，
上述翅片构造体包括多个翅片，该多个翅片沿设置有该翅片构造体的上述至少一方的流路的长度方向排列，并且形成沿上述至少一方的流路交替地排列在上述至少一方的流路的上述层叠方向的一方侧和另一方侧的开口部。
2.根据权利要求1所述的换热构造，其特征在于，
上述多个翅片相对于设置有上述翅片构造体的上述至少一方的流路的长度方向正交。
3.根据权利要求1所述的换热构造，其特征在于，
上述多个翅片相对于设置有上述翅片构造体的上述至少一方的流路的长度方向倾斜。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的换热构造，其特征在于，
上述多个翅片中的一部分以与其它翅片不同的间距排列。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的换热构造，其特征在于，
上述翅片构造体包括一对带部，该一对带部设于与上述层叠方向交叉的方向上的上述多个翅片的排列的两侧，对上述多个翅片进行支撑。
6.根据权利要求1～4中任一项所述的换热构造，其特征在于，
上述翅片构造体包括：
设于与上述层叠方向交叉的方向上的上述多个翅片的排列的两侧的一对带部；以及
设于上述一对带部之间、将上述一对带部连结并且与上述多个翅片中的对应的翅片连接的多个支撑部。
7.根据权利要求6所述的换热构造，其特征在于，
上述翅片构造体由一张板部件一体地形成。
8.根据权利要求5所述的换热构造，其特征在于，
上述翅片构造体包括多个连结部，该多个连结部分别被上述一对带部支撑，以使上述多个翅片在与上述层叠方向交叉的方向上蜿蜒的方式连结上述多个翅片，
上述多个翅片和上述多个连结部由一张板部件一体地形成。
9.根据权利要求1～8中任一项所述的换热构造，其特征在于，
在上述翅片构造体担载有催化剂。
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