CN1239443A - 热交换设备及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

一种热交换器包括许多延伸穿过交换器并穿过多个横向延伸的热交换器腔室的第一换热管(2)。每个腔室(23－27)至少具有一个与第一腔室相连的入口并且至少一个通向第二轴向相邻腔室的出口，并且每个腔室具有多个横向互连的区域，每个区域由至少两个所述换热管所限定，并且至少一个第一区域具有与所述第一腔室相连的入口，而至少一个第二区域，与所述第一区域不同，具有一个通向所述第二腔室的出口。还包括一种用于混合或分配沿轴向从进流处流至出流处的第一流体的流束的容器，它包括至少连续两排跨过所述容器的横向挡板(28)，各排档极限定了一个开口的横向腔室(22)，连续各排的档板沿横跨过容器的方向具有不同的空间分布。优选地这种设备其有一个其出流处带有一个分配器的热交换器，整个设备为一台结构紧凑的重整炉。

Description

热交换设备及其使用方法
本发明涉及一种用于在流体之间进行热交换和/或用于使流体混合的设备，这些流体种类不同并且/或者处于不同的温度。
在多种工艺操作中都用到热交换器，用于从第一种流体向第二种流体传递热量。进行热交换的目的可能是为了冷却燃烧反应中产生的废气和/或为了在反应前对气体进行预热。两种流体可沿逆向或顺向流动并且流动时一种流体可位于中心部分内而另一种流体位于周围壳层内，或者流动时一种流体可位于穿过一个腔室的管内，而另一种流体位于腔室中。在专利EPA-450872中，一个小型重整炉在其装有吸热反应所用的催化剂的腔室中具有放热反应所用的反应管。腔室内吸热反应放出的产物对经过腔室内的中心部分及周围环状空间的放热，反应物进行预热。在专利EPA-643618及专利EPA-703823中，吸热反应在管内进行而放热反应在腔室内进行，放热反应物经过环绕出口吸热管的环状空间从而得以预热。在专利EPA-703823中，一种预热过的放热反应物，通常为空气，穿过一块带孔的分配板进入反应腔室中，分配板形成空气的屏障，空气在腔室内向上流动直到遇到预热过的燃料出口为止，此时产生自燃从而生成火焰，火焰围绕吸热管并沿其流过以便引发其中的反应。放热反应放出的燃烧气体对进入的吸热反应物进行预热。
上述方案不能对放热反应物进行均匀地预热，而可能会要求如此，也不能使进入反应腔室的空气温度分布均匀一致，而可能也会要求如此。
本发明涉及用于获得更均匀的预热和/或温度分布的设备及方法。
本发明提供了一种热交换器，它包括许多延伸穿过交换器并穿过多个横向延伸的热交换器腔室的第一换热管，每个腔室至少具有一个与第一腔室相连的入口并且至少一个通向第二轴向相邻腔室的出口，并且每个腔室具有多个横向互连的区域，每个区域由至少两个所述换热管所限定，并且至少一个第一区域具有与所述第一腔室相连的入口，而至少一个第二区域，与所述第一区域不同，具有一个通向所述第二腔室的出口。
本发明提供了一种热交换器，它包括许多延伸穿过交换器并穿过多个横向延伸的热交换器腔室的第一换热管，热交换器腔室包括一个第一腔室和与其轴向相邻并分别居于其两侧的第二腔室和第三腔室，每个腔室和每个相邻腔室之间由一块隔板隔开，隔板上有许多离散的开口，并且每个腔室具有多个横向互连的区域，其中每块横向互连的区域由至少三根所述换热管和一块第一隔板以及一块与所述第一隔板相对的第二隔板所限定，并且所述开口位于不同的区域，有一个通道穿过所述区域第一隔板中的至少一个第一开口和所述第一隔板中的至少一个第二开口，与所述第二隔板中的至少一个第三开口和第四开口之间。
本发明还提供了一种用于使流过容器的第一流体与位于多个延伸穿过所述容器并穿过多个横向延伸的热交换腔室的第一换热管中的第二流体之间产生热交换的方法，其中每个腔室具有多个横向互连的区域，这种方法包括使至少一束所述第一流体流入一个第一腔室，使所述流体与多根所述换热管接触，然后在完成接触后使一股所述流体从所述第一腔室流入与所述第一腔室轴向相邻的第二腔室，以便使所述流体沿轴向及横向流过所述腔室。
本发明还提供了一种用于在一个容器中使流经多个在所述容器内横向延伸的共轴的热交换腔室的第一流体与流经多根第一换热管的第二流体之间发生热交换的方法，其中第一换热管延伸穿过该容器和所述腔室，每个腔室具有多个横向互连的区域，这种方法包括如下各个步骤：使至少两束所述第一流体流入第一腔室中的不同区域，使每束所述第一流束与多根所述换热管接触以便生成第二流束和第三流束，使所述第二和第三流束在另一个区域混合以便生成一束混合流束并使所述混合流束从所述另一区域流入与所述第一腔室轴向相邻的第二腔室，以便使所述流体沿轴向和横向流过所述各腔室。
热交换器为一个包括多个腔室和换热管的空心容器。容器横截面可为曲面状，如圆形或椭圆形，或为直线型，如正方形或矩形，并且容器可具有一条基本与径向轴线垂直的纵长轴线，如在垂直的圆筒中。优先地其高度与宽度之比在10∶1至2∶1之间。容器可为金属结构，如钢结构，或绝缘材料结构，如砖结构或石结构，并且特别是当为金属壁容器时，可具有一绝缘外层。
第一换热管由导热材料制成，如碳素纤维强化材料或陶瓷，但优选金属材料特别是耐高温钢。换热管可按无序或有序的阵列分散在容器中，特别是分成至少两行如2-6行，其中相邻行的换热管相互之间可在一条线上或有所偏移。各换热管可在一个方向或两个方向上互相平行，从而每根换热管都属于两行中，一行的轴线与相邻行的轴线垂直或成45°角；一行的轴线也可与相邻行之外的下一行的轴线垂直。因此各换热管可位于直线的行中，每根换热管与离其最近的四根换热管距离恒定，也可具有8根最近的换热管，其中4根距离相同另外4根距离较远。各换热管也可不按直线排列。在容器中可至少2根如至少10根第一换热管，如2-5000根，优选为10-576根。它们可按正方形或矩形排列方式分布在容器中，优选按正方形方式并且每行中管数相同或相差一根。它们可为三角节距或线性节距，如正方形节距，线性节距的各行任选与环绕容器中的换热管阵列的最外层的名义外壳或实际外壳垂直或成30°-60°的角，如45°角。
第一换热管可直线延伸穿过容器反应器中特别是沿与容器的纵长轴线平行的方向延伸，对于直筒状容器尤其是如此。对于矩形容器来说，换热管轴线通常与纵长边棱平行。换热管穿过容器的两相对表面，如顶面和底面则更为有利。然而换热管也可按任意角度穿过所述相对表面的一个，而非与其基本垂直，并且也可从容器的侧面穿过。换热管也可按非线性方式穿过，如按曲线方式穿过，这种曲线方式在一个平面中，如按照半径恒定或变化的圆弧，或者按螺旋状方式，如正弦方式穿过，或者换热管也可在多个平面中，如为规则的或不规则的螺旋状。
热交换器通常具有绝热层，环绕在容器的外壁外侧和/或位于该壁内侧的一层中。
容器由多个横向延伸的腔室沿轴向进一步分割，每个腔室通常都跨过容器的整个内部宽度。在容器中有至少2个，如至少5个这样的腔室，特别是2-100个或10-60个。第一换热管穿过多个腔室，特别是穿过每一个腔室。各腔室优选地沿垂直于穿过腔室的一根换热管，尤其是所有所述换热管的纵长轴线的方向横向延伸，并且/或者沿垂直于容器的纵长轴线的方向横向延伸，特别是沿与两者均垂直的方向。腔室的高度(轴向长度)与所述腔室中各区域的横向宽度即所述换热管之间的间距之比通常可高达10∶1，如在0.1∶1至10∶1之间，比如高达5.0∶1，如0.2-3.0∶1，0.2-0.8∶1或1-2∶1。有利的是各个腔室基本互相平行，从而使构成每个腔室的底部和顶部的第一和第二部分优选地基本平行。
每个腔室被细分成许多横向区域(例如至少10个区域如10-1000个)，各区域相互之间及其与其它腔室之间的关系将参照第一腔室和与第一腔室相邻分处于其两侧的第二和第三腔室进行描述。
第一腔室的各区域中有至少2个，优选至少6个入口区域，如6-50个，每个入口区域具有一个从第二腔室进入的开口，并且第一腔室的各区域中有至少2个优选至少6个出口区域，如6-50个，每个出口区域具有一个通向第三腔室的开口。区域个数与换热管个数之比可高达2∶1，如0.5-2.2∶1，而任一腔室中入口区域的个数与出口区域的个数之比通常为0.5-2∶1，如0.1-1.2∶1，优选地基本为1∶1。各区域通常沿两个横向延伸至整个腔室各处，并且基本上整个腔室都被分成区域。这些区域通常在腔室中互相连通并且大多数特别是基本上所有区域通常都与相邻腔室的区域互相连通，如同下文中进一步所述。忽略最外面的换热管与容器壁之间的间隙，每个区域由穿过腔室的至少3或4根换热管管壁所限定。当按三角形方式排列时，区域由至少3根换热管所限定，而当按正方形或矩形方式排列时则由至少4根换热管所限定。若换热管无序排列则限定一个区域需要至少3-6根换热管。每个区域有至少一根通常二根换热管为与相邻区域所共用。
第一区域具有一个从下一个腔室(如第二腔室)进入的入口而第二区域具有一个通向另一个腔室(第三腔室)的出口。没有一个区域同时具有一个入口和一个出口，因而第一区域和第二区域是两个不同的区域。至少一个第一入口区域可与至少一个第二出口区域相邻，或者与第二区域之间由至少一个，如1-4个，但主要是1个第三区域所隔开，第三区域既没有这样的入口也没有这样的出口。因此有利的是一个入口区域可由一个第三区域与一个出口区域隔开，出口区域通过另一个第三区域与另一个入口区域隔开；因此所讨论的6个区域优选地成一条直线跨过腔室的宽度。另外一个入口区域可与一个出口区域相邻，其自身又与另一个入口区域相邻，所有区域优选地成一条直线跨过腔室。优选地第二、第一和第三区域中每个区域的入口和出口均在同一个平面上，以便第一流体在该平面内移过容器。当一个腔室中如第一腔室中的出口区域由2个或更多入口区域所包围时，整体结果是使得通过各入口区域进入第一腔室的各部分第一流体混合并将其通过出口排入下一个腔室如第三腔室，随后一部分流至该腔室中的一个出口区域而另一部分流至该腔室中的另一出口区域。这样，流体被分离、混合、再分离、再混合，有时为同一流束有时为不同流束，在每种情况下在每个区域中均与2根或更多换热管保持接触。通过这种方式，当流体一个腔室一个腔室地流过容器时，每个腔室中流体的温度逐步变得均匀一致。
在每个腔室中通常都有至少4个区域沿任意直线方向分布，并且特别是有0-3个区域，如0-1个区域位于每个入口区域和每个出口区域之间。特别是至少一个入口区域与容器壁之间由至少一根，比如1-3根，如1根换热管和尤其是至少一个，比如1-3个，如1个区域隔开；距所述入口区域最近的出口区域与容器壁之间也优选地由至少一根，比如1-3根，如1根换热管或者特别是至少一个，比如1-3个，如1个区域隔开。此外，每个腔室有至少两个隔离的入口区域和至少2个隔离的出口区域，它们全都成一条直线跨过腔室，特别是在每个入口和出口区域之间有0或1个区域。
第一换热管可能是唯一穿过各腔室的换热管，然而优选地还有至少一根第二换热管穿过各腔室。第一换热管和第二换热管(及任意其它的换热管)的直径、横截面形状和面积可以相同，也可不同；优选地，第一换热管更大一些，可用于向流经容器的第一流体进行逆流热传递，而第二换热管可以更小一些，可用于从第一流体进行顺流热传递或者从第一换热管进行逆流辐射热传递、第二换热管和其它换热管可相对于所述第一换热管对称放置，如与两个或多个第一换热管等距放置。第二换热管和其它换热管可以象上述第一换热管那样有规律地排列：特别是第一换热管和第二换热管排成在两个方向上都相互平行的行。因此，优选地，热交换器中具有所述第一换热管的第一有序阵列和第二换热管的第二有序阵列，第二换热管沿轴向延伸穿过热交换器并且优选地其直径与该第一换热管不同。第二换热管优选地与第一换热管交替成行，与其成一条直线或者特别是有所偏移，即一种换热管每根位于正方形的中心(俯视图)而4根最近相邻的另一种换热管位于正方形的四角。第二换热管可在相互垂直的两个方向上均与第一换热管交替分布，或者仅在其中一个方向上交替分布。各第一换热管之间任一方向上的中心间距可与各第二换热管该方向的间距相同或者不同，而第一换热管和第二换热管之间的间距与上述两个间距也可相同或者不同。优选地所有这些换热管之间的中心间距均基本相同。第一换热管的数目与第二换热管的数目之比可在1∶3至3∶1之间，特别是10∶14至14∶10之间，或者基本为1∶1。第一换热管可按三角形节距排列而第二换热管则在交替的三角上，或者第一换热管也可为线性，特别是正方形节距。
穿过热交换器腔室的第一和第二换热管的存在是本发明一个特别重要的方面，特别是在本发明的方法中，其中第一流体流过各腔室，第二流体流过各第一换热管，而第三流体流过第二换热管，第二流体的流动方向与第三流体的流动方向为逆流，与第一流体的整体轴向流动方向也是逆流。
第一和第二换热管至少一种，优选第一换热管并且也可两种换热管全都，带有用于扩展其有效外表面面积的装置。扩展装置可与换热管合成一体，或者并不与其合成一体但与其具有直线热接触；如果需要两种扩展装置都可使用。扩展装置通常为在换热管上的一块或多块翅片或肋片，在整个腔室中各翅片或肋片可以彼此相连也可彼此间断。它们在腔室中沿换热管的长度方向上可为直线型或曲线型如螺旋型。非一体式扩展装置可以为具有一块或多块翅片或肋片的导热体的形式，所述导热体在腔室内环绕换热管延伸，与换热管相连或者并不相连。方便起见，非一体式扩展装置所具有的翅片或肋片从一个底座例如垂直地向外延伸，底座可具有一个与换热管接触的平面；因此这种装置可为一种T形横截面的柔性纵长体，它紧紧环绕着换热管以便使换热管和底座之间保持良好的热接触，因而向翅片或肋片供给热量。
在本发明的方法中，一种第二流体，如一种气体或液体或它们的混合体，在第一换热管中流动而热量在换热管壁和流过每个腔室中的各区域的第一流体(如一种气体或液体或它们的混合体)之间传递。第一流体的第一流束可进入第一腔室中，与各区域内的至少2根换热管接触然后流入第二腔室；另外，第一流体的第一流束和第二流束可分别进入第一腔室，每股流束与至少一根换热管接触，然后第一流束和第二流束可以混合起来流至第二腔室。优选地，进入腔室的入口区域的每股流束在离开该腔室前与至少4根，如至少8根换热管接触。优选地第一流体沿与流过第一换热管的第二流体逆流的方向流过连续的各腔室，而特别地一种第三流体沿与第一流体顺流而与第二流体逆流的流向经过第二换热管。有利的是，第一和第二液体为气体而第三流体为气体或液体(特别是当第二换热管直径小于第一换热管时)。特别地，第二流体为一种吸热反应的产物，例如从如1-4碳的气态烃比如甲烷的蒸气改质过程获取的产物或从此类气态烃的部分氧化过程获取的产物，而第一流体则为一种包括分子氧的气体如空气，而第三流体为一种燃料如氢或者一种1-5碳的气态烃如甲烷，乙烷、丙烷、丁烷或者一氧化碳。有利地，热量经第一换热管由第二流体传递至第一流体，然后从第一流体传至第三流体(经由第二换热管)，主要是以便于在空气或燃料进入容器的燃烧区域前对它们进行预热，燃烧过程使吸热反应得到加热。如果需要，第一换热管中可包含传热固体，例如惰性固体如陶瓷材料，或者吸热反应所需的固体催化剂。至少各腔室中第一换热管和第二换热管之间的部分热传递通常是通过辐射传热完成的，如至少5％或20％，如5-10％，10-50％、或20-40％，比如30％左右，其它部分传热主要通过对流传递。
优选地，在这个过程中，第一流体流过位于一个平面内的至少1个特别是至少2个连续的腔室，如5-30个腔室，然后流过另一个平面内，特别是与第一个平面成45-135°角，如与其基本垂直的另一个平面内的至少1个特别是至少2个连续的腔室，如另外1-30个腔室；然而运动的平面可以重新改变，如象前面那样至少1次，如再改变1-5次。如果需要运动平面可以更快地变化，离第一流体入口的距离逐渐增大。
任一腔室中入口和出口开口占腔室总面积(即包括换热管)的比例通常为5-25％，如10-20％，而任一腔室中入口和出口开口占腔室除换热管外的总面积(即各区域的总面积)的比例通常为25-50％。
在本发明的设备中，各腔室除了上述的入口和出口开口外，相互之间可具有完整的隔板，此处又称作档板，因此它们基本上都有完整的底板和顶板。另外档板对于第一流体来说不可透束从而迫使第一流体在流至下一腔室之前全部从入口区域流至出口区域。然而，如果需要的话，相连腔室之间的至少一块档板，特别是基本上所有档板的至少局部部分，特别是所有部分上都有孔，空的面积占档板总面积的比例为10-70％，特别是30％-60％。这种带孔的档板使部分第一流体从每个腔室流至下一腔室而不经过入口和出口区域，以便与实心档板相比，减小反压力并进行液流分布。然而优选地，档板为不完整式而非带孔档板。
入口和出口开口可为薄板或平板中的槽的形式或分离档板之间的间隙的形式。档板形状可以规则或不规则，侧面可为直线或曲线，以便使入口和出口的横截面为圆形、椭圆形、矩形、正方形或其它形状。一块档板可以完全覆盖一个或多个区域的顶部；特别是可有一组档板跨过容器的整个宽度。因此可有一系列行形状相同的档板，如都具有平行的纵长的侧边或横向延伸的侧边；因而这些可为上述的档板。第二换热管可以经过至少两块特别是基本上全部这些具有平行的侧向延伸的侧边的档板，但优选地只经过一部分固定间隔的所述档板，特别是只经过交替相间的档板。当一系列相连的腔室具有侧边平行的档板时，至少2个相连腔室的档板的侧边可以共面，例如基本上所有腔室都是如此，或者其侧边可与相邻腔室的档板的侧边平行但侧边可以相互重叠(在俯视图中)。因此实际上相连腔室之间没有轴向视线能够穿过，从而迫使第一流体在相连腔室之间特别是按盘施地方式横向同时轴向流动。尽管一个腔室的档板的侧边可与相邻腔室的相应档板平行并且/或者与下一腔室的档板共线，从而可有5-30个这样的腔室，但定期优选地，有第一相连腔室的一系列档板侧边相互平行而下一组相连腔室的一系列档板侧边也相互平行但与第一系列的侧边成一角度，如45°-135°，例如与其基本垂直。下一组相连腔室的这种变化可以重复一次或多次，每组腔室有1-50个如5-30个腔室。这样，部分第一流体在一个平面内流过容器，随后在通常与第一个平面垂直的另一个平面内流过容器。因此，可有一种热交换器，它的相连的腔室中包括侧边沿一个方向相互平行的第一组档板和侧边沿另一个不同方向相互平行的第二组档板；第一组和第二组档板可交替排列。当有第一换热管和第二换热管时，优选地在所述第一腔室中有处于第一换热管的交替相隔的行与行之间的档板，并且在第二腔室中有处于第一换热管的另一组交替相隔的行与行之间的档板，所述第二换热管穿过所述档板。
第一腔室可具有一块第一隔板和一块第二隔板，第一隔板为底板(但对第二腔室来说为顶板)，有2个横向的侧边平行的槽，第二隔板为顶板(但对第三腔室来说为底板)，有3个横向的侧边平行的槽，这些侧边与第一腔室的侧边轴向共面，而对于第二腔室的底板来说有三个这样的槽；在这组这样的腔室之后，下一组腔室的侧边又变为在另一个平面上，交替带有2、3、2、3个槽。一般地说，每个相连的腔室之间槽的个数交替变化1个。因此一组腔室的槽可沿北/南方向，然后下一组为东/西方向，然后下一组又为北/南方向。由于各槽按上述方式排设置，因此结果优选地是当从俯视图中观察时，热交换器容器具有规则的换热管结构形式，带有第一换热管穿过的档板，并且第二换热管、槽以及第二换热管穿过或与其相切的档板排列在其中，整体结果是实际上没有能够穿过热交换器的视线，从而使第一流体只能沿轴向和横向流过，而非仅沿轴向流动。
有利地，换热管位于带有2个壁优选地2个同轴的壁的反应器中。尽管两壁都可承载，但有利地外壁比内壁更能承载。内壁的作用如同包围住所有换热管的外罩或外壳，以便在两壁，如外壁跟外罩之间提供一个环状空间。内壁，例如外罩，通常由导热材料构成，如金属或碳素纤维强化材料，并可与一根或多根换热管接触，但优选地与各换热管分开。内壁可与反应器外壁具有同样的轴向横截面形状，如同心圆，但优选地轴向截面形状应不同，如外壁为圆形而内壁为椭圆形或矩形如正方形。外罩也可将位于腔室之间的档板或隔板固定在反应器中，并因而可有助于定位换热管。
反应器中外罩与反应器外壁之间的环形空间可包含绝热材料如陶瓷材料，但优选地用于在第一流体进入热交换器腔室之前在进流端为第一流体提供一个预热区域；这个区域通过吸收外罩的热量并重新利用因而也使反应器的热量损失减少。反应器器壁上可在一处或多处带有至少一个用于使第一流体如空气和特别是受压流体进入的喷嘴，其中至少一处远离热交换器腔室进流处并靠近热交换器出流处，所述喷嘴位于环状空间的反应器器壁中。可有多个喷嘴，特别是2-6个；特别是绕反应器轴线对称分布，通常在与该轴线垂直的一个平面内。外罩或外壳靠近进流热交换腔室的端部可具有至少一个进入这个(或这些)热交换腔室的入口，特别是1-3个如一个进入一个或多个前三个进流热交换腔室特别是最上流处的腔室的入口。因此在使用过程中，空气如压缩过的空气通过喷嘴进入反应器进入环状空间，然后穿过环状空间。在此处通过外罩与第一换热管进行顺流热交换并/或与流过热交换器腔室的第一流体进行逆流热交换；这样，第一流体在从环状空间进入热交换器腔室前可被预热至至少100℃。
在本发明的方法的一个实施方案中还包括通过与热交换器腔室内的第一流体进行热交换来对热交换器腔室外的第一流体进行预热，从而在预热过的第一流体进入热交换器腔室之前得到预热过的第一流体；有利地，预热沿与所述腔室内的第一流体逆流的方向进行。特别是第一流体流过外罩与反应器器壁间的环状空间，外罩提供了包围换热器的外壳。
本发明的热交换器及其方法的优点可包括沿跨过容器的宽度方向上为离开热交换器如在其顶部的第一流体提供更佳的热分布，并/或为通过第一换热管离开热交换器如在其底部的第二流体提供更佳的热分布。在本发明的另一个方面中，还提供了一种用于混合或分配沿轴向从进流处流至出流处的第一流体流束的容器，它包括跨过所述容器的至少连续两排横向档板，各排档板限定了一个开口的横向腔室连续各排的档板沿跨过容器的方向具有不同的空间分布。档板的这种结构形式可出现在本发明的热交换器中，优选地处于第一流体已流过热交换器之后。另外，其它的热交换器装置也可与上述结构形式的档板组合使用。档板的作用可相当于扰流器，用于扰乱第一流体的流动并进行分配和混合。
档板的这种结构形式可用做温度和/或组成不同的流体的混合装置，如用于混合至少两种流体或一种流体处于不同温度的至少两种流束。优选地，它用于混合不同温度的流体，例如通过一种或多种流体与换热表面接触而得到的流体，特别是如上述已发布的参考文献中的第一换热管中那样延伸穿过容器的换热表面。如果换热管中有一根与其它换热管温度不同，那么流过其中的第一流体也将与剩余流体温度不同，从而导致热交换器顶部温度分布不均，这也是本发明的这个方面利用特殊结构形式的档板来得到跨过容器宽度方向温度和组成基本均匀分布的流体所要寻求解决的问题。
档板的这种结构形式优选地用于流体，如轴向速度不同的流体的分配装置中，以便使流体沿宽度区域，如容器的宽度方向上能基本上以恒定的速度流动。第一流体的一个或多个流束可能首先与档板接触，如通过一种或多种流体与换热表面，特别是如同本发明先前的设备中的第一换热管那样延伸穿过容器的换热表面，相接触而射出的流束。优选地，流体为空气而档板使空气沿跨过容器方向基本以恒定速度流动，如象空气壁一样，特别是当在本发明的设备中空气遇到燃料燃烧器时。
容器的形状和结构可以如上关于热交换器所述那样，但是容器中不需要有第一(及其它)换热管。因此在容器中的进流处，两束流体流束可仅仅进入容器中，或者可与带有换热表面的热交换器分开但位于其上部，该热交换器位于容器内部或者外部但流体从热交换器自由流入容器中。在前一种情况中，档板和热交换器在同一容器内，换热表面可延伸穿过容器中包含档板的区域或可不在该区域内，如位于容器中档板下方。
档板可以不能透过流体，但优选地上面带孔，档板中孔的总面积占档板总面积的10-60％，如30-50％，单个孔的尺寸优选地平均小于穿过档板的任一换热管的尺寸的五分之一，如二十分之一至五分之一。有利地，各孔基本上均具有相同的尺寸，特别是在每一排中，但相邻排中的孔也可具有相同尺寸或尺寸逐步增大或者特别是尺寸逐渐减小。
单个档板的形状可如同上述热交换器中的档板那样。
档板优选地位于具有至少一些穿过其中的管子的容器中，容器与管子之间的空间关系优选地如同前面对于热交换器和管子所做的描述。特别是容器可具有按规则的阵列排列穿过其中的第一管子以及按不同的方式排列穿过其中的第二管子；前面的描述提供了关于阵列的空间结构形式的细节说明。第一管子和第二管子可位于相互平行或相互间成30°-60°如45°角的行中。特别是，两行第一管子之间优选地间有一行第二管子并且/或者反之亦然，特别是当第一管子和第二管子所成的行沿相互垂直的两个方向均平行时更是如此。优选地，每根第一管子由4根第二管子所包围而每根第二管子由4根第一管子所包围(与容器壁相邻的管子除外)。管子与档板之间的关系优选地如下所述。第二管子可以穿过至少部分档板相互之间，但优选地穿过至少部分档板。档板可具有横向延伸的平行侧边，它延伸跨过容器基本上整个宽度并位于至少一些，如2-4根第一管子之间。在第一行中的档板的侧边通常与相邻第二行中的档板的侧边成一角度，如45-135°，或者与其基本垂直。优选地，一行中档板的个数比相邻行中多一个或少一个。有利地，就第一行档板而论，第一管子和第二管子位于相间分布的平行的行中，而各行侧边平行的档板有交错相隔的行中的第二管子穿过其中，而对于与所述第一行档板相邻的第二行档板而言，对于第二行侧边平行的档板，每行第二管子均穿过其中，而每行第一管子均穿过其间，第二行中所述档板的侧边方向基本与第一行中档板的侧边方向成直角；特别是就与所述第二行档板相邻的第三行档板而论，对于第三行侧边平行的档板，每行第二管子均穿过其中而每行第一管子均穿过其间，第三行中的所述档板的侧边方向与第二行档板的侧边方向基本成直角，但与第一行档板中的侧边方向基本相同。特别是容器同时具有如前所述的第一、第二和第三行档板；特别是连续了行的档板均带孔并且相对于管子和容器壁的排列方式使得从轴向看，3行的总体结果显得是占有除管子外容器横截面积的至少80％。
本发明的分配方法包括一种使第一流体沿轴向从进流处至出流处流过一个容器的方法，其中流体沿轴向流过连续各行横向延伸跨过容器的档板，各连续行沿跨过容器方向的空间关系不同，以便使至少部分所述流体同时具有横向运动和轴向运动。当多于一束流束的所述第一流体进入容器时，各流束可分别按本发明的方法分别进行分配，但优选地至少部分分配过的流束例如可在第一行档板后的位置进行混合，因而档板整体上起到一种混合方法的作用。特别是至少部分第一流束的流体沿轴向流过第一行中的第一管子之间，然后沿轴向和横向流过第二行中的第一管子和第二管子之间，并可选地流过所述第二行中的带孔档板，然后优选地至少部分所述第一流束沿轴向和横向流过第三行中的第一管子和第二管子之间并可选地流过所述第三行中的至少一块带孔的档板。
在本发明的优选方面中，本发明的热交换器在出流处如其顶部具有本发明的容器的分配器。除了最末的档板外，优选地还有第二管子在容器中沿出流方向延伸，每根第二管子的端部上都装有一个燃烧器，如一个喷嘴；有利地，燃烧器端部位于与热交换器/混合器/容器的纵长轴线垂直的横向平面中。档板分配器和/或混合器的结构形式使得第一流体，如空气具有均匀一致的温度和速度分布，空气随后在容器内向上朝燃烧器移动而空气和燃料的燃烧(通常为自燃)产生长长的火焰，火焰绕着并沿着第一管子移动从而使吸热反应所用的第一管子浸入火焰中。从容器中的燃烧放出的燃烧气体离开容器，可选地通过加速运动穿过向上直径逐渐变小的环状空间，环状空间包围着进入其中的第一管子；这样吸热反应物经过预热然后通过放热反应物的燃烧进行加热。组合在一起的热交换器、混合器/分配器燃烧容器、(包括燃烧器)、以及相关的第一管子和第二管子可以形成一个结构紧凑的重整炉、用于将烃转化成为一氧化碳并将具有最大热量分布和最小温度的烃转化为放出的吸热和放热反应的产物。如果需要，热交换器、混合器和管子可利用用于承受由于膨胀所引起的拉伸和应力的装置如管子薄板上用于支承管子的伸缩软管来支承在外部设备中。
本发明在附图中并参照附图进行图示说明，其中：
图1是穿过本发明的设备的剖面图，示出了本发明的热交换器和交换器的剖面1A；
图2是热交换器和分配器的示意图以及穿过热交换器面2A、2B、2C、2D和2F的剖面图；
图3是穿过分配器和燃烧器的剖面图和穿过混合器的面3A、3B、3C和3D的剖面图；
图4是穿过设备的燃烧气体出口管的剖面图。
现在参照图1，反应器1具有延伸穿过其中的长燃料管2，一端沿方向3继续延伸至燃料燃烧器(图中未示出)，而另一端位于分布于燃料歧管5上的接头4上。歧管5延伸跨过反应器1的宽度并穿过反应器1的外壁6伸出与柔性金属软管7相连，软管7又通过入口管8连至燃料源。入口管8位于处于外壁6中的孔口11内的环形管9中。燃料管2以交替间隔的管3阵列的形式分布于吸热管12(参见剖面图1A)之间；为清楚起见吸热管仅示于剖面图中。管2的阵列保留于正方形外罩14之内，外罩14通过支承环20与反应器1隔开从而形成一个环状空间13；环20与反应器壁6上的支承架10相互配合。燃料歧管5由外罩14支承。
反应器1从外部支承住。在燃料歧管5下方是带凸缘的底座15，底座15与凹状带凸缘的端盖16相连。外罩14中的侧向空气入口46高度位于燃料歧管5和支承架10之间；这个侧向入口46可使空气从位于外罩14和反应器壁6之间的环状空间自由流入，在反应器壁6中远离盖16的反应器1的出流端有一个外部空气入口47。内气体产物导管17位于盖16内部并通过波纹管19与出口孔18隔开。
在使用过程中，燃料，如甲烷或氢气，通过金属软管7、燃料歧管5、燃料管2进入反应器1并向外进入反应腔室，在腔室中燃料被点燃，通常是自燃，同时压缩过的空气通过所述外部空气入口47进入环状空间13而进入反应器1内，在环状空间13内，空气在通过侧向空气入口46进入之前由封闭于外罩14中的流体进行预热。空气流过管2和12之间并进一步得到预热然后沿方向3进入燃料燃烧器。为清楚起见，预热的特征细节省去不提(但请参看图2)。
图2示出了分别位于正方形外罩内穿过热交换器21的燃料管2和吸热管12的分布情况，热交换器21被分成了41个横向腔室22。图2中示出了热交换器的五个区域，即与9、8、8、8、8组限定腔室22的档板分别对应的区域23-27。档板28中的数字2和3标明了每块档板中的槽29的个数；槽的个数沿热交换器21的长度方向交替变化。剖面图2A-2E示出了不同的2槽和3槽档板结构形式中第一管子12和燃料管2的分布情况。剖面图2A将管12和管2密封住的带有支承环20的正方形外罩14，管12和管2由档板28隔开，档板28具有两个位于管12之间的槽29，并且燃料管2穿过其中；槽29为通口。如图所示，剖面图2A中有2个沿北南方向的槽；剖面图2B的档板28中有三个槽29，也是沿南/北方向。剖面图2A和2B中档板28位于热交换器的区域23、25和27中。剖面图2C的档板28中有2个槽29，槽沿东西方向，而剖面图2D的档板28中有3个槽29，槽也沿东西方向；剖面图2C和2D中的档板28位于交换器的区域24和26中。图2中还示意性地示出了位于交换器21上部的分配器30。
图3更为详细地用剖面图3A、3B、3C和3D示出了空气分配器30。燃料管2导入燃烧器中并导至点火区域。在最上方的两槽档板28的上面为三层带孔的平板扰流器，第一扰流器32(结构如剖面图3A中所示)、第二扰流器33(参见剖面图3B)和第三扰流器34(参见剖面图3C)。为清楚起见，吸热管12在图3中未示出，而是仅示于剖面图3A-3D中。现在参见剖面图3A，这是扰流器32的一个俯视图，示出了与吸热管12交替相隔的燃料管2及其相对位置。在两对吸热管12行之间为两块带孔的档板35，燃料管2穿过其中伸出。在使用过程中，从最上部的两槽档板28排出的向上的预热过的空气向扰流器32流动，除去少量空气穿过档板上的孔外，此处绝大部分空气直接穿过扰流器32的平面，而位于档板35下方的空气沿南北方向径向转向。然后向上的空气到达剖面图3B中所示的扰流器33，其中剖面图3B为俯视图。在扰流器33中有五块带孔的档板36，位于每行吸热管12之间，燃料管2穿过其中。档板沿北南方向。在使用过程中，来自扰流器32的空气流过扰流器33，除了档板36使其受限并转向之外，这次是沿径向的东西方向(除了穿过孔的空气之外)。然后空气流至扰流器34(参见剖面图3C)，扰流器34具有位于每行吸热管12之间的沿东西方向的五块带孔档板37；档板37将向上的空气转为径向的北南方向(除去穿过孔的空气)。剖面图3D是三个扰流器32-34及其档板35-37的俯视图，示出了相当大的一部分向上的空气流过并且/或者由档板进行转向，转向运动交替在北南/东西/北南或东西/北南/东西方向间进行。
图4示出了由吸热管12隔开的燃烧区域38，其燃烧区域38的出流处均穿过燃烧环状空间39，环状空间39包围着吸热管12。向上直径逐渐变小以便使经吸热管排出的燃烧气体加速。在环状空间39的上部为燃烧气体的出口歧管40，歧管40由薄板41和42以及侧壁43所限定。吸热管12密封地穿过上薄板41进入入口导管44，入口导管44利用用于承受吸热管的热运动的第二伸缩软管45安装在外部。
以上详细描述根据本发明的一个实施方案进行而并不意味着以任何方式限制本发明的范围。

Claims (52)

1.一种热交换器，它包括许多延伸穿过交换器并穿过多个横向延伸的热交换器腔室的第一换热管，热交换器腔室包括一个第一腔室以及与其轴向横向相邻并分别居于其两侧的第二和第三腔室，每个腔室和每个相邻腔室之间由一块隔板隔开，隔板上有许多离散的开口，并且每个腔室具有多个横向相连的区域，每个区域由至少三根所述换热管、一块第一隔板以及一块与所述第一隔板相对的第二隔板所限定，并且所述开口位于不同的区域，有一条通道穿过所述区域第一隔板中的至少一个第一开口和所述第一隔板中的至少一个第二开口与所述第二隔板中的至少一个第三开口和第四开口之间。
2.权利要求1的热交换器，它在所述第二隔板中包括至少一个第四开口，并有一条通道与所述第一、第二和第三开口相通。
3.权利要求1或2的热交换器，其中所述第一隔板中的第一开口通过至少二根所述管子与所述第三开口横向隔开。
4.以上权利要求中任一权利要求的热交换器，其中至少两个该第一开口与至少一个该第三开口横向相邻。
5.以上权利要求中任一权利要求的热交换器，它包括至少4根换热管。
6.以上权利要求中任一权利要求的热交换器，它包括该第一换热管的第一规则阵列和沿轴向延伸穿过交换器的第二换热管的第二规则阵列。
7.权利要求6的热交换器，其中两行第一管子之间由一行第二管子隔开，所述第一和第二管子所成的行在互成直角的两个方向上相互平行。
8.以上权利要求中任一权利要求的热交换器，其中轴向相连的腔室中的一个该第一开口和至少一个该第三开口基本上处于同一个沿轴向延伸的平面内，以便使流过所述开口的热交换流体基本上在一个平面内运动。
9.以上权利要求中任一权利要求的热交换器，它包括至少两块带有横向延伸的平行侧边的隔板。
10.以上权利要求中任一权利要求的热交换器，其中直径与该第一管子不同的第二管子穿过所述隔板。
11.权利要求9或10的热交换器，其中相连腔室中的隔板具有平行的侧边并且至少一块交替相隔的腔室中的隔板轴向共线。
12.权利要求11的热交换器，其中相连腔室中的所述隔板的所述侧边轴向共线，以便使流过所述腔室之间的传热流体沿螺旋通路运动。
13.权利要求9-12中任一权利要求的热交换器，其中至少部分该隔板为其中带有横向槽的平板。
14.权利要求9-13中任一权利要求的热交换器，其中至少部分该隔板为分离的档板。
15.权利要求9-14中任一权利要求的热交换器，它在相连的腔室中包括第一组侧边在一个方向上平行的隔板和第二组侧边在另一个方向上平行的隔板。
16.权利要求15的热交换器，其中所述两个方向彼此之间基本成直角。
17.权利要求15或16的热交换器，其中所述第一组和第二组隔板交替相隔。
18.权利要求5-17任一权利要求的热交换器，它包括位于所述第一腔室中交替相隔的各行第一管子之间的档板和位于所述第二腔室中另一组交替相隔的各行第一管子之间的档板，所述第二管子穿过所述档板。
19.一种用于在一个容器内使流经多个在所述容器内横向延伸的共轴的热交换腔室的第一流体与流经多根第一管子的第二流体之间发生热交换的方法，其中第一换热管延伸穿过该容器和所述腔室，每个腔室具有多个横向互连的区域，这种方法包括如下各个步骤：使至少两束所述第一流体流入第一腔室中的不同区域，使每束所述第一流束与多根所述换热管接触以便生成第二流束和第三流束，使所述第二和第三流束在另一个区域混合以便生成一束混合流束并使所述混合流束从所述另一区域流入与所述第一腔室相邻的第二腔室，以便使所述流体沿轴向和横向流过各腔室。
20.权利要求19的方法，其中至少两束混合流束进入所述相邻腔室并且每束混合流束在所述相邻腔室中分成至少两束分流束，并且至少一束所述分流束与从所述另一束混合流束分出的一束分流束汇合以便生成另一股流束，它从所述相邻腔室流入另一个与其相邻的腔室中。
21.权利要求19或20的方法，其中所述第一流束进入所述腔室中与混合流体离开所述腔室所经的区域相邻的区域。
22.权利要求19-21中任一权利要求的方法，其中在任一腔室中第一流体都与至少8根沿轴向延伸穿过所述腔室的换热管相接触。
23.权利要求19-22中任一权利要求的方法，其中有一种第三流体流过该容器中沿轴向延伸的第二管子，所述第一流体和第三流体的整体流向与所述第二流体的流向逆流，以便在所述第二流体与所述第一和/或第三流体之间进行热交换。
24.权利要求23的方法，其中所述第一流体为一种气体而所述第三流体为一种液体，它通过与所述第一管子中的第二流体进行热交换而得以加热。
25.权利要求23或24的方法，其中所述第一流体流过基本上处于同一个第一平面内的至少2个腔室。
26.权利要求25的方法，其中所述第一流体随后流过基本上处于不同于所述第一平面的另一个平面内的至少2个相继的腔室。
27.权利要求19-26中任一权利要求的方法，其中所述容器为一种如同在任一权利要求1-18中所限定的热交换器。
28.一种用于分配沿轴向从进流处流至出流处的第一流体的至少一束流束的容器，它包括至少连续两排跨过所述容器的横向挡板，各排档板限定了一个开口的横向腔室，连续各排的档板沿横跨过容器的方向具有不同的空间分布。
29.权利要求28的容器，其中至少一块所述档板上面带孔。
30.权利要求28或29的容器，它还包括多根沿轴向延伸穿过所述容器的第一管子和沿轴向延伸穿过所述容器的第二管子，所述第一管子成第一规则阵列排列，所述第二管子成第二规则阵列排列。
31.权利要求30的容器，其中两行第一管子之间由一行第二管子隔开。
32.权利要求31的容器，其中第一管子和第二管子所成的行在互成直角的两个方向上互相平行。
33.权利要求30-32中任一权利要求的容器，其中每根第一管子由4根第二管子围住，而每根第二管子由4根第一管子围住，与容器壁相邻的管子除外。
34.权利要求30-33中任一权利要求的容器，其中所述第二管子穿过所述档板。
35.权利要求30-34中任一权利要求的容器，其中所述档板具有横向延伸的平行侧边，所述档板延伸跨过容器的基本上整个宽度并位于至少部分第一管子之间。
36.权利要求35的容器，其中第一排档板中所述档板的侧边与相邻第二排档板中所述档板的侧边成一角度。
37.权利要求36的容器，其中第二排档板与第一排档板基本上成直角。
38.权利要求35-37中任一权利要求的容器，其中一排中的档板个数比相邻排中的档板个数多一个或少一个。
39.权利要求28-38的容器，其中就第一排档板而论，第一管子和第二管子所成的行互相平行并彼此相间，并且各排侧边平行的档板上有交替相隔的行中的第二管子穿过其中。
40.权利要求39的容器，其中就与所述第一排档板相邻的第二排档板而论，对于所述第二排档板中侧边平行的各排档板，每行第二管子均穿过其中而每行第一管子均穿过其间，第二排中所述档板的侧边方向与第一排档板的侧边方向基本成直角。
41.权利要求40的容器，其中就与所述第二排档板相邻的第三排档板而论，对于所述第三排档板中侧边平行的各排档板，每行第二管子均穿过其中而每行第一管子均穿过其间，第三排中所述档板的侧边方向基本与第二排中档板的侧边方向成直角，而与第一排的侧边方向基本相同。
42.权利要求41的容器，其中连续3排档板上面均带孔并且每排相对于管子和容器壁的位置使得从轴向看3排的总体效果显得象是占据除管子外容器横截面积的至少80％。
43.一种使第一流体沿轴向从进流处至出流处流过容器的方法，其中流体沿轴向流过连续各行横向延伸跨过容器的档板，每连续行沿跨过容器的方向的空间关系不同，以便使至少部分所述流体同时进行横向和轴向的运动。
44.权利要求43的方法，其中第一流体流过至少部分带孔的档板。
45.权利要求43或44的方法，还包括多根沿轴向延伸穿过所述容器的第一管子和多根沿轴向延伸穿过所述容器的第二管子，所述第一管子成第一规则阵列排列，所述第二管子成第二规则阵列排列。
46.权利要求45的方法，其中至少部分第一流束的流体沿轴向流过第一行中的第一管子之间，然后沿轴向和横向流过第二行中的第一管子和第二管子之间，并可选地流过所述第二行中的至少一块带孔档板。
47.权利要求46的方法，其中至少部分所述第一流束沿轴向和横向流过第三行中的第一管子和第二管子之间并可选地流过所述第三行中的至少一块带孔档板。
48.权利要求43-47中任一权利要求的方法，其中所述容器如同权利要求28-42任一权利要求中所申请的那样。
49.包括一个第一流体所用的热交换器和一个容器的设备，热交换器如同权利要求1-18任一权利要求中所申请的那样，容器包括一个用于对所述第一流体的流束进行分配的分配器。
50.包括一个用于分配第一流体的流束的容器和用于使所述第一流体进行热交换的热交换器的设备，容器如同权利要求28-42任一权利要求中所申请的那样。
51.权利要求49的设备，其中容器如同权利要求28-42中任一权利要求所申请的那样。
52.权利要求1-18、28-42和49-51中任一权利要求的设备，其中所述第一管子用于吸热反应产物，它与第三流体所用的第二管子及所述第一流体进行热交换，第三流体是一种放热反应物，而所述第一流体为第二放热反应物，第一和第三流体用于随后的放热反应以便为所述吸热反应提供热量。
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