DE102006039157A1

DE102006039157A1 - Wasserverdampfer mit zwischengeschaltetem Dampfüberhitzungsschritt

Info

Publication number: DE102006039157A1
Application number: DE102006039157A
Authority: DE
Inventors: Jeroen Muskego Valensa; Michael J. Franklin Reinke; Alan P. Franklin Meissner
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 2005-08-19
Filing date: 2006-08-21
Publication date: 2007-04-12
Also published as: JP5019822B2; US8136582B2; US20070039725A1; BRPI0605187A; JP2007051865A; FR2893387A1

Abstract

Ein verdampfender Wärmetauscher (10, 68) wird bereitgestellt, um eine Fluidströmung unter Verwendung einer Strömung, die thermische Energie enthält, zu verdampfen. Strömungswege (24, 26, 28) für jede Fluidströmungen und der Strömung, die thermische Energie enthält, sind relativ zueinander derart angeordnet, dass die Fluidströmung mehrere Durchläufe durchführt, worin das Fluid verdampft und anschließend überhitzt wird.

Description

Querverweis auf eine verwandte Anmeldung
Die vorliegende Anmeldung nimmt Bezug auf die zuvor eingereichte vorsorgliche Anmeldung mit der Seriennummer US 60/709,556 (provisional application), mit dem Titel „Water Vaporizer with Intermediate Steam Superheating Pass", wobei die Anmeldung dieselben Erfinder wie die vorliegende Anmeldung nennt, und wobei die vollständige Offenbarung derselben hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Wärmetauscher, und in besonderen Anwendungen verdampfende Wärmetauscher zum Verdampfen einer Flüssigkeitsströmung.

Hintergrund der Erfindung

Wasserverdampfer werden häufig in Brennstoffverarbeitungssystemen eingesetzt, die auf einer Dampfreformierung basieren. In derartigen Systemen wird ein Brennstoff auf Kohlenwasserstoffbasis, wie z. B. Erdgas, Propan, Methanol, Benzin, Diesel, etc., mit Dampf kombiniert und über einen Katalysator bei erhöhten Temperaturen reagiert, um ein wasserstoffreiches Gas (Reformat) zu erzeugen, das als eine Brennstoffquelle für eine Anode einer Brennstoffzelle verwendet werden kann oder als eine Quelle von nicht reinem Wasserstoff, welcher durch Membranseparation oder Druckwechselabsorption (pressure swing absorption, PSA) gereinigt werden kann, um hochreinen Wasserstoff zu gewinnen. Der Wasserverdampfer dient dazu, eine flüssige Wasserquelle zu verdampfen und einen überhitzten Dampf zu erzeugen, welcher dann mit der gasförmigen oder flüssigen Brennstoffquelle auf Kohlenwasserstoffbasis gemischt werden kann, um die Reaktanten für den Dampfreformprozess zu bilden. Um die Systemeffizienz zu maximieren, ist die Wärmequelle, die zur Verdampfung des flüssigen Wassers verwendet wird, häufig ein Abgas mit hoher Temperatur, das durch Verbrennen von nicht-reagiertem Abgas von der Anode der Brennstoffzelle oder der PSA oder der Wassertrennmembran erzeugt wird.

In derartigen Verdampfern können typischerweise drei klar abgegrenzte Wärmeübertragungsregionen identifiziert werden. Die erste Region ist dort, wo das Wasser als eine unterkühlte Flüssigkeit vorliegt, die Wärme von dem Fluid der Wärmequelle empfängt; die zweite Region ist dort, wo das Wasser verdampft, und als eine Zwei-Phasen-Flüssigkeit-Dampfmischung vorliegt, die latente Wärme von dem Fluid der Wärmequelle empfängt; die dritte Region ist dort, wo das Wasser als ein überhitzter Dampf vorliegt, und weiter angemessene Wärme von dem Fluid der Wärmequelle empfängt. Der Bereich des plötzlichen Übergangs von der zweiten Region zu der dritten Region, die als die „Austrocknungs-"Stelle (dry-out section) bezeichnet wird, ist typischerweise durch einen steilen Anstieg in der Temperatur der Wand gekennzeichnet, welche das Fluid der Wärmequelle und die Wasserströmung trennt. Dieser steile Anstieg erklärt sich dadurch, dass der Zwei-Phasen-Wärmeübertragungskoeffizient erheblich höher ist, als der Wärmeübertragungskoeffizient des einphasigen Dampfes, was in einer Wandtemperatur resultiert, die relativ nahe zu der Verdampfungstemperatur in der Zwei-Phasenregion ist, und relativ nahe zu der Temperatur des Fluids der Wärmequelle in der überhitzten Region: Der Temperaturgradient ist insbesondere in Verdampfern ausgeprägt, wo die Fluide in Gegenstrom zueinander strömen, und wo die Einlasstemperatur des Fluids der Wärmequelle erheblich höher ist, als die Verdampfungstemperatur des Wassers. Ein derartiger steiler Temperaturgradient über eine örtlich begrenzte Region des Wärmetauschers kann zu hohen thermischen Spannungen bzw. Belastungen in dieser Region führen, was schließlich zum Versagen des Verdampfers aufgrund von thermischer Ermüdung führt. Dieses Problem kann weiter in Fällen verschlimmert werden, in denen das Wasser einen hohen Druck relativ zu dem Fluid der Wärmequelle aufweist, wie es häufig der Fall ist, da dies die Wand zusätzlich zu der thermischen Belastung einer großen mechanischen Belastung aussetzt.

Darüber hinaus verlangen Brennstoffzellen allgemein, dass die Arbeits- und Kühlfluide innerhalb spezifizierter Temperaturbereiche für jedes Fluid sind. Zum Beispiel muss Reformat, welches als Brennstoff an der Anodenseite der Brennstoffzelle verwendet wird, allgemein innerhalb eines spezifizierten Temperaturbereichs sein, um einen optimalen Brennstoffzellenbetrieb zu gewährleisten und um außerdem die Katalysatorverschlechterung zu minimieren. Allgemein ist die Temperatur einer Reformatströmung viel höher, als die maximale, für die Brennstoffzelle spezifizierte Eingangstemperatur und daher muss die Strömung gekühlt werden.

Übersicht über die Erfindung

In einer Ausführungsform wird ein abgasbeheizter Wasserverdampfer bereitgestellt, der dazu gedacht ist, flüssiges Wasser unter hohem Druck zu verdampfen und einen überhitzten Dampf bei hoher Temperatur und hohem Druck bereitzustellen. Der Verdampfer hat eine neue Konstruktion und einen neuen Strömungsumlauf der erheblich reduzierte thermische Belastungen an der Austrocknungsregion bieten kann, druckinduzierte Belastungen an der Austrocknungsregion eliminiert, und ein thermisch unbelastetes „schwebendes" Design bietet, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines thermischen Ermüdungsversagens im Vergleich zu bekannten Konstruktionen erheblich reduziert wird.

Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden bei einer Betrachtung der vollständigen Beschreibung, inklusive der beigefügten Ansprüche und Zeichnungen klar werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine perspektivische Ansicht der Außenseite eines Verdampfers;

2 ist eine schematische Darstellung der Strömungswege und trennenden Wände einer Ausführungsform eines Verdampfers;

3 ist eine teilgeschnittene Ansicht, die Abgaswärmeübertragungsoberflächen einer Ausführungsform eines Verdampfers zeigt;

3A ist eine vergrößerte Ansicht des erwähnten Teils von 3;

4 ist eine teilgeschnittene Ansicht, die eine Übertragungsoberfläche für überhitzten Dampf einer Ausführungsform eines Verdampfers zeigt;

4A ist eine vergrößerte Ansicht des erwähnten Teils von 4;

5 ist eine teilgeschnittene Ansicht, die einen ersten Strömungsweg einer Ausführungsform eines Verdampfers zeigt;

6 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verdampfers und zeigt eine Wasserströmung entlang eines ersten Strömungswegs;

7 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verdampfers und zeigt einen Dampfströmungsweg;

8 ist eine Querschnittsansicht einer Ausführungsform eines Verdampfers und zeigt einen Abgasströmungsweg;

9 ist ein Graph, der die Temperaturprofile von Fluiden darstellt, die in dem Verdampfer von 1 strömen;

10 ist ein Graph, der die Temperaturprofile von Fluiden darstellt, die in einem Gegenstromverdampfer nach dem Stand der Technik strömen;

11 und 11A sind Graphen, die die Temperaturprofile von Fluiden, die in dem Verdampfer von 1 strömen, mit denen von Fluiden in einem Gegenstromverdampfer nach dem Stand der Technik vergleichen, wobei jeder derselben mit einem 2:1 Umlauf arbeitet;

12 ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer Ausführungsform eines Verdampfers und kombinierten Reformatkühlers;

13 ist eine teilweise geschnittene Ansicht des Verdampferbereichs des Verdampfers und kombinierten Reformatkühlers von 12;

13A ist eine vergrößerte Ansicht des in 13 gezeigten Teils;

14 ist eine teilweise geschnittene Ansicht des Überhitzerbereichs des Verdampfers und kombinierten Reformatkühlers von 12;

14A ist eine schematische Darstellung der Strömungen in der Struktur von 14;

15 ist ein Graph, der die Temperaturprofile von Fluiden darstellt, die in dem Überhitzerbereich von 14 strömen;

16 ist eine teilweise geschnittene Ansicht des Reformatkühlerbereichs des Verdampfers und kombinierten Reformatkühlers von 12;

16A ist eine schematische Darstellung der Strömungen in der Struktur von 16;

17 ist ein Graph, der die Temperaturprofile von Fluiden darstellt, die in dem Reformatkühlerbereich von 16 strömen;

18 ist eine Explosionsansicht einer Ausführungsform eines Verdampfers und kombinierten Reformatkühlers; und

19 ist eine schematische Darstellung eines Verdampfers und kombinierten Reformatkühlers.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In einer Ausführungsform, unter Bezugnahme auf 1, ist ein Wasserverdampfer 10 gezeigt, der ein langes rohrförmiges Gehäuse 12 umfasst, welches sich an beiden Enden zu Rohren mit kleinerem Durchmesser verjüngt, wobei die Rohre die Abgasein- und Auslassanschlüsse 14 und 16 sind. An dem Ende des Abgaseinlasses treten Wasserein- und Dampfauslassanschlüsse 18 und 20 in einer Richtung senkrecht zu der Achse 22 des Verdampferrohrs in den Wasserverdampfer 10 ein.

2 ist eine schematische Darstellung der Strömungswege durch den Verdampfer. Der Verdampfer 10 hat einen ersten Strömungsweg 24, der mit dem Wassereinlassanschluss 18 verbunden ist, einen zweiten Strömungsweg 26, der mit dem Dampfauslassanschluss 20 verbunden ist, und einen dritten Strömungsweg 28, der mit dem Abgaseinlass und den Abgasauslassanschlüssen 14 und 16 verbunden ist. Die ersten und zweiten Strömungswege 24 und 26 sind durch eine erste zylindrische Wand 30 (die als Trennwand 1 bezeichnet wird) getrennt; und die zweiten und dritten Strömungswege 26 und 28 sind durch eine zweite zylindrische Wand 32 getrennt (die als Trennwand 2 bezeichnet wird). Diese zwei zylindrischen Trennwände 30 und 32 sind konzentrisch zueinander und zu dem äußeren Gehäuse 12 des Verdampfers 10 angeordnet, wobei die zweite zylindrische Wand 32 von einem größeren Durchmesser ist, als die erste zylindrische Wand 30. Die Enden 34 und 36 der ersten und zweiten Strömungswege 24 und 26, die an dem Abgasauslassende des Wasserverdampfers 10 angeordnet sind, sind miteinander verbunden, so dass Wasser durch den Wassereinlassanschluss 18 in den Wasserverdampfer 10 strömen kann, durch den ersten Strömungsweg 24 strömen kann und dann durch den zweiten Strömungsweg 26 in einer Richtung entgegen gesetzt zu seiner Strömung durch den ersten Strömungsweg strömen kann und dann aus dem Wasserverdampfer 10 durch den Dampfauslassanschluss 20 ausströmen kann.

Im Betrieb strömt somit Wasser durch den Wassereinlassanschluss 18 in den Verdampfer 10 und strömt durch den ersten Strömungsweg 24. Wärme wird durch Trennwand 30 mit einer Rate Q1 in das Wasser übertragen, wobei die Größe derselben mit der Stelle entlang des Strömungsweges 24 variiert. Der erste Strömungsweg 24 besteht aus einer Region 46 mit unterkühlter Flüssigkeit, die am nächsten zu dem Wassereinlass 18 ist, gefolgt von einer Verdampferregion 42, wiederum gefolgt von einer Region 44 für überhitzten Dampf am nächsten zu dem Ende 34 des ersten Strömungsweges 24. Das Wasser verlässt den ersten Strömungsweg 24 als leicht überhitzter Dampf und strömt zurück durch den zweiten Strömungsweg 26 zu dem Dampfauslass 20. Entlang des zweiten Strömungsweges 26 wird Wärme durch die Trennwand 32 mit einer Rate Q2 in das Wasser übertragen, wobei die Größe derselben mit der Stelle entlang des Strömungsweges variiert und Wärme wird von dem Wasserdampf durch die Trennwand 30 weg übertragen mit der zuvor erwähnten von der jeweiligen Stelle abhängigen Rate Q1. Es sollte klar sein, dass die Anordnung und Existenz der unterkühlten, verdampften und überhitzten Regionen 40, 42 und 44 abhängig von den Temperaturströmungsraten der verschiedenen Fluide variieren kann. Die in 2 gezeigte Anordnung dieser Regionen ist nur eine Ausführungsform.

3 ist eine teilweise geschnittene Ansicht, die die Wärmeübertragungsflächen des Abgases in dem dritten Strömungsweg 28 zeigt. Wie es am besten im vergrößerten Detail in 3A zu sehen ist, ist eine gefaltete Rippenstruktur, wie z. B. eine geschlängelte, mit Lamellen versehene Kühlrippe 46 um einen Zylinder 48 gewickelt und angelötet, der eine Trennwand 32 bildet. Allerdings sollte es dem Fachmann klar sein, dass auch andere Formen von Wärmeübertragungsflächen möglich sind. Zum Beispiel sind auch einfache Kühlrippen, Schlitze und ähnliches geeignet. Der Zylinder 48 ist an beiden Enden mit Köpfen 50 und 52 verschlossen, die so ausgebildet sind, um den internen Druckbelastungen zu widerstehen, die durch den erhöhten Druck des Wassers im Vergleich zu dem des Abgases ausgeübt werden. Die Wassereinlass- und Dampfauslassanschlüsse 18 und 20 erstrecken sich in den Zylinder 48, der die Trennwand 32 bildet.

4 ist eine teilweise geschnittene Ansicht, die die Wärmeübertragungsflächen des überhitzten Dampfs in dem zweiten Strömungsweg 26 zeigt. Wie am besten in der vergrößerten 4A gezeigt ist, ist eine weitere gefaltete Rippenstruktur 52 um einen Zylinder 54, welcher eine Trennwand 30 bildet, herum gewickelt und daran angelötet sowie mit der inneren Wand des Zylinders 48 verlötet, welche eine Trennwand 32 bildet. Allerdings sollte es klar sein, dass die Rippenstruktur 52 auch unverbunden mit einer oder mehreren der Trennwände 30 und 32 sein kann. Dies kann es auch den Wänden 30 und 32 erlauben, sich unabhängig von einander auszudehnen. Die Stellen, an denen die Rippenstruktur 52 beginnt und endet, fallen mit den Stellen zusammen, wo die zuvor erwähnte Rippenstruktur 46 für das Abgas beginnt und endet. Die in den 4 und 4A gezeigte verstärkte Rippenstruktur 52 ist vom Lanced- and Offset-Typ, obwohl auch andere Arten von Rippenstrukturen wie z. B. in Serpentinen gewundene Rippen ebenfalls funktionieren würden. Der Wassereinlassanschluss 18 tritt durch den Zylinder 54 ein, der die Trennwand 30 bildet, während der Dampfauslassanschluss 20 zu der Ringkammer 56 zwischen der Trennwand 30 und der Trennwand 32 offen ist, so dass er die Dampfströmung empfangen kann, die die Rippenstruktur 52 verlässt.

5 ist eine teilweise geschnittene Ansicht, die den ersten Strömungsweg 24 zeigt, in dem das einkommende flüssige Wasser geeignet erwärmt, verdampft und leicht überhitzt wird. Der Strömungsweg 24 ist ein spiralförmiger Weg, der an einer Seite durch die innere Fläche des Zylinders 54 begrenzt ist, welcher die Trennwand 30 bildet. Zur Herstellung dieses Strömungsweges können verschiedene Herstellverfahren verwendet werden; wobei, wie es in 5 gezeigt ist, der Strömungsweg 24 durch das Einarbeiten einer spiralförmigen Nut 58 in den äußeren Umfang eines dickwandigen Zylinders 60 erzeugt wird, dessen äußerer Umfang mit dem Innenumfang des Zylinders 54 verlötet wird, der die Trennwand 30 bildet. Auch hier können diese Oberflächen wieder so angeordnet werden, dass sie nicht aneinander befestigt sind. Der Strömungsweg 24 beginnt in einigem Abstand von dem Ende 62 des Zylinders 60, am nächsten zu den Wassereinlass- und Dampfauslassanschlüssen 18 und 20, so dass eine vollständige Dichtung an dem Ende 62 hergestellt werden kann, um zu verhindern, dass Wasser an den ersten und zweiten Verdampfungsströmungswegen 24 und 26 vorbeiströmt. Der Wassereinlassanschluss 18 ist zu dem spiralförmigen Strömungsweg 24 offen, so dass Flüssigkeit durch den Anschluss 18 in den Strömungsweg eintreten kann. An dem entgegen gesetzten Ende läuft der Strömungsweg 24 weiter den gesamten Weg bis zu dem Ende 64 des Zylinders 60, so dass der teilweise überhitzte Dampf von dem Ende 34 des ersten Strömungswegs 24 in den Anfang 36 des zweiten Strömungswegs 26 strömen kann. Der Zylinder 48 ist an seinem Ende abgeschlossen, so dass die Dampfströmung gezwungen wird, durch den zweiten Strömungsweg 26 zurückzukehren. Die Gleichmäßigkeit der Verteilung der Dampfströmung, die den ersten Strömungsweg 24 verlässt und in den zweiten Strömungsweg 26 eintritt, wird durch den Übergang von dem schraubenförmigen Strömungsweg 24 zu dem ringförmigen Strömungsweg 26 an dem Ende des ersten Strömungswegs 24, wie es in den 4 und 5 gezeigt ist, verbessert. Obwohl es nicht nötig ist, kann es vorteilhaft sein, die Breite des schraubenförmigen Strömungswegs 24 entlang der Länge des Weges zu variieren, um die großen Änderungen in der Dichte am besten aufzunehmen, die auftreten, wenn sich das Wasser von einer unterkühlten Flüssigkeit mit hoher Dichte zu einem überhitzten Dampf mit niedriger Dichte wandelt.

Zusätzlich sollte es klar sein, dass neben schraubenförmigen Strömungswegen andere Formen dieses Strömungsweges möglich sind. Die in 5 gezeigte Struktur ist nur eine Ausführungsform.

6, 7 und 8 sind Querschnittsansichten in Längsrichtung des Verdampfers 10, welche die Strömung der Fluide durch die ersten, zweiten und dritten Strömungswege 24, 26 bzw. 28 darstellen.

In einem Beispiel, unter Verwendung des Verdampfers 10 von 1, sind die vorausgesagten Haupttemperaturprofile der Fluide und die vorausgesagten durchschnittlichen Trennwandtemperaturen entlang der Länge des Verdampfers in dem Graph in 9 dargestellt. Der dargestellte Beispielfall gilt für eine Wasserströmung von 25°C bei 15 Bar absolutem Druck, welche auf eine überhitzte Dampfströmung erhitzt wird, die mit 550°C austritt. Die Wärmequelle ist ein Verbrennungsabgas, welches mit 875°C eintritt und auf eine Ausgangstemperatur von 330°C abgekühlt wird.

Über die in dem Graphen gezeigten Daten können mehrere Beobachtungen gemacht werden.

Das vorausgesagte Temperaturprofil der Trennwand 32 ist frei von jeglichen steilen Temperaturgradienten, wodurch das Potential für einen übermäßigen thermischen Belastungszyklus der Wand 32 minimiert wird. Zusätzlich beträgt die vorhergesagte maximale Temperatur der Wand 32 etwa 700°C an dem Abgaseinlassende des Verdampfers 10. Diese Temperatur, obwohl hoch, ist erheblich unter der eingehenden Abgastemperatur von 875°C. Das vorhergesagte Temperaturprofil der Trennwand 30 zeigt erheblich niedrigere Temperaturen als die für Trennwand 32 vorhergesagten. Obwohl steile Temperaturgradienten in der Wand 30 an dem Beginn und dem Ende der Zwei-Phasen-Region vorliegen, sind sie auf einen Temperaturbereich von nur etwa 90°C beschränkt. Noch wichtiger, es besteht keine druckerzeugte Belastung an der Wand 30, da sie zwei Strömungswege 24 und 26 trennt, die unter im Wesentlichen demselben Druck stehen.

Zum Vergleich zeigt 10 die vorhergesagten Fluid- und Wandtemperaturprofile für einen stärker traditionellen Einzeldurchlaufgegenstromverdampfer, der dimensioniert wurde, um dieselben Bedingungen, wie sie für 9 verwendet wurden, zu bieten. Es sollte sofort klar sein, dass der steile Temperaturgradient an dem Ende der Verdampfungsregion erheblich stärker ist als der, der in der Ausführungsform des Verdampfers 10 gesehen werden kann, der in 9 gezeigt ist (ungefähr 452°C gegenüber 90°C). Zusätzlich ist diese Wand nun einer großen Druckbelastung ausgesetzt, aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Hochdruckwasserströmung und der Abgasströmung, die beinahe Umgebungsdruck hat. Ein thermischer zyklischer Ermüdungsfehler der Trennwand in dieser hochbelasteten Region wird früher erwartet als für die Ausführungsform des Verdampfers 10, die in 9 gezeigt ist. Es sollte angemerkt werden, dass die Spitzentemperatur der Trennwand bei diesem traditionellen Design ungefähr 800°C beträgt, oder etwa 100°C mehr, als für die Ausführungsform erwartet wird, die in 9 gezeigt ist. Bei diesen Betriebstemperaturen kann ein solcher Unterschied die Wahl eines teueren Materials für die Trennwand des traditionellen Designs bedeuten, als es für die Ausführungsform des Verdampfers 10 nötig wäre, der in 9 gezeigt ist.

Die offenbarte Ausführungsform des Verdampfers 10 kann zusätzliche Vorteile gegenüber traditionelleren bekannten Konstruktionen bieten. Zum Beispiel können die zylindrischen Formen in druckbeaufschlagten Bereichen dabei helfen, die Druckbelastung zu verteilen, was in niedrigeren Belastungsniveaus in der Struktur resultieren kann. Belastungsspitzen aufgrund von Rohrkopfverbindungen können eliminiert werden. Die Wassereinlass- und Dampfauslassanschlüsse 18 und 20 sind an derselben axialen Stelle angeordnet, so dass die Wasseranschlüsse 18 und 20 keine Beschränkung bei der axialen Ausdehnung und Kontraktion der Struktur darstellen.

Die vorliegende Erfindung kann auch eine verbesserte Stabilität während des Turn-down-Betriebs im Vergleich zu traditionelleren Konstruktionen bieten. Während der Strom reduziert wird, kann ein traditioneller Verdampfer eine Verbesserung in der Wärmeübertragungseffektivität aufweisen, was zu erhöhten Dampfauslasstemperaturen führt. Bei dieser Art von Anwendung, wo die heiße Gaseinlasstemperatur im Wesentlichen über der gewünschten Dampfauslasstemperatur liegt, ist das Potential des Überhitzens des Dampfs besonders groß. In der vorliegenden Erfindung wird diese Situation erheblich entschärft, da das heiße Gas und die einkommende Wasserströmung in einer Gegenströmungsrichtung sind. Dies resultiert in einem Temperatur-"Pinch" an dem Auslassende des heißen Gases des Verdampfers 10, wo das Abgas und der überhitzte Dampf den ersten Strömungsweg 24 verlassen und beim Betretendes zweiten Strömungsweges 26 ungefähr gleiche Temperaturen erreichen, wobei relativ wenig Wärmeübertragung über die Strömungswege 24 und 26 und 28 nahe dem Ende des Wärmetauschers 10 stattfindet. Dies begrenzt erheblich den Anstieg in der Effektivität, welcher stattfindet, während sich die Strömungen verringern. 11 und 11A zeigen die vorausgesagten Temperaturprofile für sowohl das traditionelle Design als auch das offenbarte Design 10, wenn die Strömungen um 50% reduziert werden (2:1 Turn-down). Es kann gesehen werden, dass die Dampfauslasstemperatur in der traditionellen Konstruktion sich um 146° erhöht, nämlich von 550°C auf 696°C. In der offenbarten Konstruktion 10 verringert sich die Dampfauslasstemperatur tatsächlich um 23°, nämlich von 550°C auf 527°C. Während die offenbarte Konstruktion beim Turn-down keine konstante Dampfauslasstemperatur beibehält, ist sie erheblich stabiler als eine traditionelle Verdampferkonstruktion sein würde.

In 12 ist noch eine weitere Ausführungsform dargestellt. In dieser Ausführungsform integriert ein Verdampferbereich 68 auch einen Überhitzer 70 für die verdampfte Strömung und einen Reformatkühlerteil 72, um eine Reformatströmung zu kühlen, wie z. B. eine Reformatströmung in einem Dampfreformersys tem. Es sollte klar sein, dass obwohl in dieser Ausführungsform das Teil 72 zur Kühlung einer Reformatströmung offenbart ist, auch andere Fluide in dem Teil 72 gekühlt werden können. In dieser Ausführungsform wird Wasser in dem Verdampferbereich 68 verdampft und überhitzt, aber das Abgas und der überhitzte Dampf verlassen den Verdampferbereich 68, wo der Dampf weiter durch das Reformat überhitzt wird, und das Reformat wird dann weiter durch die Abgasströmung von dem Verdampferbereich 68 gekühlt. Der Verdampferbereich 68 dieser Ausführungsform ist detaillierter in den 13 und 13A gezeigt. Wasser tritt durch einen Einlassanschluss 74 nahe der linken Seite des Verdampferbereichs 68 ein und strömt entlang eines spiralförmigen Strömungsweges 76, ähnlich zu dem Strömungsweg 24, der in den 4 bis 5 gezeigt ist, und kehrt dann um, und strömt zurück entlang eines zweiten Strömungsweges 77, der ähnlich zu dem in den 4 und 5 gezeigten Strömungsweg 26 ist, wie es am besten in der 13A gesehen werden kann. Tatsächlich ist die Beziehung zwischen den Wasser- und Dampfströmen und dem Abgasstrom ähnlich zu den Strömungsbeziehungen, die in 2 dargestellt sind, wobei der Dampf in dem Strömungsweg 77 Wärme von dem Abgas empfängt und Wärme zu der Wasserströmung in dem Strömungsweg 76 überträgt. Der Hauptunterschied ist, dass zu Beginn das Abgas an dem entgegen gesetzten Ende 78 des Verdampferbereichs 68 von 13 eintritt und daher einen zu Beginn adiabatischen Durchgangsweg 80 strömt, der nicht in Kontakt mit der Dampfströmung ist, bevor er die Richtung umkehrt und durch einen Weg 81 in einer Gegenstromwärmetauschbeziehung mit der Dampfströmung in Weg 77 strömt.

In der in 13 gezeigten Ausführungsform macht das Abgas einen letzten Durchgang 82 durch das Zentrum des Verdampferbereichs 68, verlässt den Verdampferbereich 68 und tritt in den Reformatkühlerbereich 72 ein, während der Dampf den Verdampferbereich 68 verlässt und in den Überhitzerbereich 70 eintritt, der konzentrisch um den Reformatkühlerbereich 68 angeordnet ist.

Die Struktur des Überhitzerbereichs 70 und des Reformatkühlerteils 72 ist in 14 gezeigt, wobei eine schematische Darstellung der Dampf- und Reformatströmungen durch den Überhitzer 70 in 14A gezeigt sind. Die Dampfströmungen durch einen Strömungsweg 83 weisen eine mit Kühlrippen versehene Struktur 84 auf, die durch eine äußerste zylindrische Wand 86 und eine benachbarte zylindrische Wand 87 begrenzt ist. Das Reformat strömt in einer Gegenstromrichtung zu der Strömung des Dampfs durch einen Strömungsweg 88, der eine mit Kühlrippen versehene Struktur 89 aufweist, die durch die benachbarte Wand 87 und eine innere Wand 90 begrenzt ist. Wenn das Reformat mit einer erhöhten Temperatur eintritt, tritt der Dampf des Überhitzerbereichs 70 mit einer erheblichen Überhitzung ein und daher wird die Menge an Wärme, die übertragen wird, reduziert. Die Strömungswege 83 und 88 sind konzentrische ringförmige Strömungspassagen, wobei der Strömungsweg 83 radial nach außen von dem Strömungsweg 88 eingerichtet ist und wobei Wärme von dem Reformat zu dem Dampf durch die zylindrische Wand 87 übertragen wird. Nachdem der Dampf diesen Bereich 70 durchströmt hat, verlässt er die Struktur durch einen Auslassanschluss 92. 15 zeigt die Temperaturprofile einer Ausführungsform, worin das Reformat verwendet wird, um der Dampfströmung in dem Überhitzerbereich 70 eine zusätzliche Überhitzung hinzuzufügen.

Das Reformat kann üblicherweise eine zusätzliche Kühlung benötigen und dafür ist die Reformatkühlerstruktur 72 vorgesehen. Nachdem das Reformat den ersten Strömungsweg 88 in Wärme tauschender Beziehung mit dem Dampf durchströmt hat, kann es zu einem zusätzlichen inneren, Rückkehrströmungsweg 94 für eine weitere Abkühlung geleitet werden. Wie in den 16 und 16A gezeigt, durchläuft das Reformat den Umkehrströmungsweg 94 durch eine mit Kühlrippen versehene Struktur 96, die konzentrisch mit einem ringförmigen Strömungsweg 98 für das Abgas eingerichtet ist. Der Reformatströmungsweg 94 ist in einer äußeren radialen ringförmigen Passage angeordnet, relativ zu dem Abgasströmungsweg 98 und durch eine zylindrische Wand 99 getrennt, wobei Wärme von dem Reformat zu dem Abgas durch die Wand 99 übertragen wird. Wie in den 16 bis 16A zu sehen ist, strömen das Reformat und das Abgas in einer Gegenstrombeziehung und daher verlassen die zwei Ströme den Reformatkühlerbereich bei ähnlichen Temperaturen. 17 zeigt die Temperaturprofile einer Ausführungsform der Reformatströmung und Abgasströmung. Wie in diesen Graphen zu sehen ist, tritt die Reformatströmung in den Reformatkühler 72 mit einer erhöhten Temperatur ein, aber wenn das Reformat die Struktur 72 verlässt, hat sich ihre Temperatur erheblich reduziert und nähert sich einer gemeinsamen Auslasstemperatur mit dem Abgas an.

Schließlich, wie es in den 12 und 18 zu sehen ist und schematisch in 19, können der Verdampfer 68, der Überhitzer 70 und die Reformatkühlerstruktur 72 in einer einzigen Struktur 100 angeordnet und zusammengebaut sein. Die allgemeine Form erleichtert den Zusammenbau. Darüber hinaus widerstehen die zylindrischen Formen der Komponenten Druckdifferenzen, die zwischen den verschiedenen Strömungen existieren können und die asymmetrische Konstruktion unterstützt das Begrenzen oder Eliminieren eines Verzugs des Wärmetauschers aufgrund von Temperaturunterschieden. Zusätzlich kann die Struktur 100 konstruiert sein, um es den individuellen Komponenten zu erlauben, in Antwort auf thermische Änderungen unabhängig zu expandieren und sich zusammen zu ziehen.

Claims

Wärmetauscher zum Verdampfen einer Fluidströmung unter Verwendung von Wärme einer Strömung die thermische Energie enthält, wobei der Wärmetauscher umfasst: einen Fluidströmungsweg, der einen ersten Durchgangswegs und einen zweiten Durchgangswegs stromabwärts von dem ersten Durchgangswegsweg in Bezug auf die Fluidströmung dadurch hat; und einen Strömungsweg thermischer Energie, wobei der erste Durchgangsweg, der zweite Durchgangsweg und der Strömungsweg der thermischen Energie entlang einer ersten Achse ausgerichtet sind, wobei der zweite Durchgangsweg zwischen dem ersten Durchgangsweg und dem Strömungsweg der thermischen Energie angeordnet ist und wobei Wärme in einer Richtung von dem Weg der thermischen Energie zu dem zweiten Durchgangsweg und von dem zweiten Durchgangsweg zu dem ersten Durchgangsweg übertragen wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Strömungsweg der thermischen Energie einen ersten Durchgangsweg und einen zweiten Durchgangsweg enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, weiter aufweisend eine Überhitzungseinheit, um Wärme von einer Reformatströmung zu der Fluidströmung zu übertragen.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, weiter aufweisend eine Reformatkühlereinheit, um Wärme von der Reformatströmung zu der Strömung zu übertragen, die die thermische Energie enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der erste Durchgangsweg, der zweite Durchgangsweg und der Strömungsweg der thermischen Energie allgemein zylindrisch geformt sind und konzentrisch um die erste Achse angeordnet sind.
Wärmetauscher zum Verdampfen eines Fluids unter Verwendung von Wärme aus einer Strömung, die thermische Energie enthält, wobei der Wärmetauscher umfasst: einen allgemein zylindrischen Fluidströmungsweg, wobei der Fluidströmungsweg einen ersten Durchgangsweg und einen zweiten Durchgangsweg stromabwärts von dem ersten Durchgangsweg in Bezug auf die dadurch strömende Fluidströmung hat, wobei der zweite Durchgangsweg radial nach außen von dem ersten Durchgangsweg beabstandet ist; und einen allgemein zylindrischen Strömungsweg thermischer Energie, der radial nach außen von dem zweiten Durchgangsweg beabstandet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei der Strömungsweg der thermischen Energie einen ersten Durchgangsweg und einen zweiten Durchgangsweg enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, weiter umfassend eine Überhitzungseinheit, um Wärme von einer Reformatströmung zu der Fluidströmung zu übertragen.
Wärmetauscher nach Anspruch 3, weiter aufweisend eine Reformatkühlereinheit, um Wärme von der Reformatströmung zu der Strömung zu übertragen, die die thermische Energie enthält.
Wärmetauscher zum Verdampfen eines Fluids unter Verwendung von Wärme aus einer Strömung, die thermische Energie enthält, wobei der Wärmetauscher umfasst: ein erstes Ende und ein zweites Ende; einen Fluidströmungsweg, der einen ersten Durchgangsweg und einen zweiten Durchgangsweg stromabwärts von dem ersten Durchgangsweg in Bezug auf die dadurch strömende Fluidströmung aufweist, wobei der erste Durchgangsweg von dem ersten Ende ausgeht und sich zu dem zweiten Ende erstreckt, und wobei der zweite Durchgangsweg von dem zweiten Ende ausgeht und sich zu dem ersten Ende erstreckt; und einen Strömungsweg, der thermische Energie enthält, und einen Wärmeübertragungsdurchgang hat, wobei der Wärmeübertragungsdurchgang an dem ersten Ende beginnt und sich zu dem zweiten Ende erstreckt und in Wärme tauschender Beziehung mit dem zweiten Durchgangsweg des Fluidströmungsweges ist, so dass ein Fluid, das in dem zweiten Durchgangsweg strömt, eine Gegenstrombeziehung zu einem Fluid hat, das in dem Wärmeübertragungsdurchgang strömt.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei der Strömungsweg der thermischen Energie einen zusätzlichen Durchgangsweg enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, weiter umfassend eine Überhitzungseinheit, um Wärme von einer Reformatströmung zu der Fluidströmung zu übertragen.
Wärmetauscher nach Anspruch 12, weiter umfassend eine Reformatkühlereinheit, um Wärme von der Reformatströmung zu der Strömung zu übertragen, die die thermische Energie enthält.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei der erste Durchgangsweg, der zweite Durchgangsweg und der Strömungsweg der thermischen Energie im Allgemeinen zylindrisch geformt sind und konzentrisch relativ zueinander angeordnet sind.