JP4085290B2 - 熱交換装置及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体間の熱交換用及び／又は、液体が異なる及び／又は温度が異なる、これらの流体の混合用の装置に関する。
多くの方法の実施において、熱交換器は第１流体から第２流体への熱の転移を包含する。熱交換は、燃焼反応からの排ガスを冷却し、及び／又は反応の前に気体を予備加熱することができる。２つの流体は、向流もしくは共流の方向で移動させることができ、並びに流体の１つをコア［core］中を、他方をこれを囲むシェル［shell］中を移動させることができ、もしくは他の流体を含有するチャンバー中を通過する管の中を移動させることができる。EPA-450872において、コンパクトな改質機は、吸熱反応用の触媒を充填したチャンバーの内部に、発熱反応用の反応管を備える。チャンバー中において生じる吸熱反応生成物は、コア中を通過し、且つチャンバーの内部の環状管の周囲の発熱反応体を予備加熱する。EPA-643618及びEPA-703823において、吸熱反応は管中にて、発熱反応はチャンバー中にて起こり、発熱反応体は、出口吸熱管を囲む環中を通過することにより予備加熱される。EPA-703823において、１つの予備加熱した発熱反応体は、通常は空気であるが、孔を有する分配板を介して反応チャンバー中を通過し、分配板は空気の壁を形成し、空気は予備加熱した燃料出口に達するまでチャンバーを上方向に移動し、その時点で自己発火が起きて炎を生じ、吸熱管の周り及びこれに沿って通過し、そこで反応を行う。発熱反応から出てくる燃焼ガスは、入ってくる吸熱反応体を予備加熱する。
上述の配置は、所望され得るような発熱反応体の均一な予備加熱を与えず、且つ所望され得るような反応チャンバーに入る空気の均一な温度分配を与えない。
本発明は、予備加熱及び／又は温度分配におけるより高い均一性を得る装置及び方法に関する。
本発明は、熱交換器であって、熱交換器中を伸長する複数の第１熱交換管及びこれに通じる複数の横方向に伸長する熱交換チャンバーからなり、各々のチャンバーは第１チャンバーからの少なくとも１つの入り口及び軸方向に隣接する第２チャンバーへの少なくとも１つの出口を備え、並びに各々のチャンバーは横方向に連続する複数の領域を備え、その各々は前記管の少なくとも２本により規定され、少なくとも１つの第１領域は、前記第１チャンバーに対する１つの入り口を備え、並びに前記第１領域とは異なる少なくとも１つの第２領域は、前記第２チャンバーに対する１つの出口を備えることを特徴とする熱交換器を提供する。
本発明は、熱交換器であって、熱交換器中を伸長する複数の第１熱交換管及びこれを通り横方向に伸長する複数の熱交換チャンバーからなり、熱交換チャンバーは第１チャンバー、これに軸方向且つ横方向に隣接し且ついずれかの一方の側面上の第２及び第３チャンバーからなり、各チャンバーは、隣接するチャンバーとは隔壁により離され、複数の別個の開口部を備え、各チャンバーは横軸方向に連続する複数の領域を備え、各領域は前記管の少なくとも３本、第１隔壁及び前記第１隔壁に対向する第２隔壁により規定され、前記第１チャンバーはその領域の中に少なくとも２つの入口領域を有し、各入口領域は第２チャンバーからの入口に対する１つの開口部を備え、並びに少なくとも２つの出口領域を有し、各出口領域は第３チャンバーへの出口に対する１つの開口部を備え、入口に対する開口部及び出口に対する開口部の両方を備える領域はなく、且つ少なくとも１つの入口領域は少なくとも１つの出口領域と隣接するか、あるいは入口に対する開口部と出口に対する開口部をいずれも有さない１つの第３領域だけ出口領域から離されることを特徴とする熱交換器を提供する。
更に、本発明は、容器中を通過する第１流体と、前記容器中及び横方向に伸長する複数の熱交換チャンバー中を伸長する複数の第１管中における第２流体との間で熱交換する方法であって、各チャンバーは、横軸方向に連続する複数の領域を有し、第１チャンバー中を通過する前記第１流体の少なくとも１つの流れを含み、前記流体と前記管の１つ以上との接触を行い、次いで前記接触に続く前記第１チャンバーからの前記流体の流れを、前記第１チャンバーと軸方向に隣接する第２チャンバーに通し、前記流体を軸方向及び横方向における前記チャンバー中を通過させることを特徴とする方法を提供する。
更に本発明は、容器中において共通の軸関係にある前記容器中を横方向に伸長する複数の熱交換チャンバーを通過する第１流体と、複数の第１管中を通過する第２流体との間で前記容器中にて熱交換を行う方法であって、第１管は前記容器及び前記チャンバーを通過するよう伸長し、各チャンバーは横軸方向に連続する複数の領域を備えるものであり、各領域は少なくとも３つの管により規定され、前記方法は、前記第１流体の少なくとも２つの流れを第１チャンバー中における異なる領域中に通し、前記第１流体の各々と前記管の１つ以上との接触を行って第２及び第３の流れを与え、前記第２及び第３の流れを異なる領域において混合して混合流れを生成し、次いで前記異なる領域からの前記混合流れを前記第１チャンバーと軸方向且つ横方向に隣接する第２チャンバー中に通すことからなり、前記第１の流れは前記第１チャンバー内の複数の領域に入り、前記第１チャンバーに隣接した前記領域からの前記混合流れは前記チャンバーから排出されるかあるいは前記混合流れが前記チャンバーから排出される前記領域から領域１つ分だけ離れた前記チャンバーの複数の領域内に入ることにより、前記液体を軸方向並びに横軸方向において前記チャンバー中に通すことを特徴とする方法を提供する。
熱交換器は、複数のチャンバー及び熱交換管を含む中空の容器である。容器は、曲線状、例えば円状又は楕円状、もしくは直線に囲まれた、例えば正方形又は長方形断面の容器とすることができ、直円柱におけるような、放射軸に対して実質的に法線上にある長軸を有することができる。好適には、その幅に対する高さの比は、１０：１〜２：１である。容器は、金属、例えば鋼鉄、もしくは絶縁材料、例えば煉瓦又は石の容器とすることができ、構成、特に金属で覆われた容器の場合、絶縁外層を備えることができる。
第１熱交換管は、カーボンファイバー強化材料又はセラミックのような熱伝導材料であるが、好適には金属、特に高耐熱鋼鉄製である。管を容器中に不規則的配列又は規則的配列、特に少なくとも２列、例えば２〜６列で配置させることができ、隣接する列における管を互いに線状又は側鎖状とすることができる。管を１又は２方向で平行にすることができ、いずれの管は２列で一組であり、１列の軸は隣接する列の軸に対して法線又は４５°の角度であり、１列の軸は隣接する列を越えた次の列の軸に対する法線とすることができる。従って、管は直線の列に囲まれた中にあることができ、各管は、最も近くに隣り合う４本の管のそれぞれと一定距離にあるか、もしくは隣り合う８本の管であってそのうちの４本がある距離にあり、次の４本がそれより長い距離にある。管を非直線状配列とすることもできる。第１熱交換管は、２〜５０００本のように少なくとも２本、例えば少なくとも１０本、好適には容器中の熱交換管は１０〜５７６本とすることができる。これらは、容器において正方形又は長方形のパターン、好適には正方形のパターンに分配することができ、各列の管の数は、同じもしくは１つずつ交互にすることができる。これらは、三角のピッチもしくは直線状ピッチ、例えば正方形ピッチとすることができ、直線状ピッチにおける列は、容器における配列中の管の最も外側を囲む抽象又は実際のシース［sheath］の壁に対して、随意に平行又は３０〜６０°、例えば４５°の角度とすることができる。
第１管は、反応器中を直線状に伸長することができ、容器、特に直円柱状容器の長軸に対して特に平行な方向とすることができる。長方形容器に対して、管の軸は、通常は縦のエッジと平行である。管は、対向する面、例えば容器の上面並びに底面を通過するのが有利である。しかしながら、管は前記対向する面を実質的に法線ではなく、任意の角度で通過することもでき、並びに容器の側面を通過することができる。管は、非直線的に、例えば曲線的に通過することもでき、管は、一定又は可変半径の円弧のような、もしくは湾曲的に、例えば屈曲的な単一面の中の管、あるいは１つ以上の面、例えば規則的又は不規則的な螺旋状の面の中の管とすることができる。
熱交換器は、容器の外壁を囲む及び／又は壁の内側の層のいずれかにおいて絶縁性を有する。
容器は、横方向に伸長する複数のチャンバーにより軸方向に細分され、各チャンバーは、最大の内部幅を横切るように伸長する。そのようなチャンバーは、少なくとも２つ、例えば少なくとも５つあり、特に２〜２００個もしくは１０〜６０個である。第１管は、１つ以上のチャンバー、特に各チャンバーを通過する。チャンバーは、これを通過する少なくとも１つの管、特に前記管の全ての長軸に対して、横方向に法線上を伸長する及び／又は容器の長軸に対して、特に両方に対して横方向に法線上を伸長することが好ましい。前記チャンバーにおける領域の横方向の幅、即ち前記第１管の間隙に対するチャンバーの相対的高さ（軸の長さ）は、通常１０：１まで、例えば０．１：１〜１０：１、５．０：１まで、例えば０．２〜３．０：１、０．２〜０．８：１もしくは１〜２：１である。個々のチャンバーは、実質的に互いに平行であるのが有利であり、各チャンバーの底並びに天井である第１及び第２隔壁は、実質的に平行であるのが好適である。
各チャンバーは、横軸領域の数（例えば１０〜１０００領域のように少なくとも１０領域）に細分され、それぞれのチャンバーの相関関係は、第１チャンバー、並びにいずれかの側面において隣接する第２及び第３チャンバーに対して記載される。
第１チャンバーは、その領域の中に少なくとも２つ、好ましくは６つ、例えば６〜５０個の入口領域を有し、各領域は第２チャンバーからの入口に対する１つの開口部を備え、並びに少なくとも２つ、好ましくは少なくとも６つ、例えば６〜５０個の出口領域を有し、各領域は第３チャンバーへの出口に対する１つの開口部を備える。管の数に対する領域の数の相対比は２：１まで、例えば０．５〜２．２：１とすることができ、任意のチャンバーにおける出口領域に対する入口領域の数の比は、通常０．５〜２：１、例えば０．１〜１．２：１、好ましくは実質的に１：１である。領域は、通常チャンバーに通じる両横方向に伸長するが、実質的に全てのチャンバーは領域まで分割される。領域は、チャンバーにおいて通常互いに連絡し、その大半、特に実質的に全ては、更に下記するように隣り合うチャンバーにおいて領域と連絡する。最も外側の管と容器の壁との間の空間は無視して、各領域は、チャンバーを通る少なくとも３又は４本の管の壁により規定される。領域は、三角パターンに配置される場合、３本の管により規定され、正方形又は長方形パターンに配置される場合、４本の管により規定される。管の不規則のパターンは、領域を規定するために少なくとも３〜６本を必要とする。各領域は、隣り合う領域と共通の少なくとも１本、通常は２本の管を有する。
第１領域は、次（例えば第２）チャンバーからの入口を備え、第２領域は他の隣接する（例えば第３）チャンバーに対する出口を備える。そのような入口と出口の両方を備える領域はなく、第１領域と第２領域は異なる。少なくとも１つの第１入口領域は、少なくとも１つの第２出口領域と隣接するか、もしくは少なくとも１つの領域、例えば１〜４つの領域、しかし、そのような入口と出口を共に備えていない第３領域は特に１つであるが、この領域により第２領域から離される。従って、１つの入口領域は、出口領域から第３領域により離されるのが都合がよく、出口領域はそれ自身次の第３領域により次の入口領域から離され、その結果、問題の６つの領域はチャンバーの幅を横切る直線上にあるのが好適である。また、１つの入口領域は、１つの出口領域と隣接するが、出口領域自身は次の入口領域と隣接し、全ての領域がチャンバーを横切る直線上にあるのが好適である。第２チャンバー、第１及び第３チャンバーのそれぞれにおける入口領域並びに出口領域は同一面上にあるのが好適であり、このため第１流体はその面上の容器まで移動する。出口領域が１つのチャンバー、例えば第１チャンバー中における２つ以上の入口領域により囲まれる場合、その全ては、入口領域を介して第１チャンバーに入る第１流体の一部分を混合し、出口を通じて次のチャンバー、例えば第３チャンバーに送り出し、一部はそのチャンバー中の出口領域に送られ、他の部分はそのチャンバー中の別の出口領域に送られる。この方法において、流体は分割、混合並びに細分され、次いで流体の同一又は異なる流れと再び混合され、いずれの場合においても各領域中の２本以上の管と接触される。これにより、各チャンバー中の流体の温度は、流体がチャンバーからチャンバーへ移動するにつれて、段々より均一になる。
各チャンバーにおいて、任意の直線方向に通常少なくとも４つの領域があり、各入口領域及び出口領域の間には、特に０〜３個の領域、例えば０〜１個の領域がある。特に少なくとも１つの入口領域は、少なくとも１本の管、例えば１〜３本、例えば１本の管、並びに特に少なくとも１つの領域、例えば１〜３つ、例えば１つの領域により、容器の壁から離され；前記入口領域から最も近い出口領域もまた、少なくとも１本の管、例えば１〜３本、例えば１本の管、並びに特に少なくとも１つの領域、例えば１〜３つ、例えば１つの領域により、容器の壁から離されるのが好適である。更に、各チャンバーは少なくとも２つの離された別の入口領域及び離された別の出口領域を備え、その全ては、チャンバー、特に入口領域と出口領域との間に０又は１つの領域を備えるチャンバーを横切る直線上にある。
第１熱交換管は、チャンバーを通過する単一の管とすることができるが、第２熱交換管は、チャンバーを通過する少なくとも１本の管であるのが好適である。第１熱交換管及び第２熱交換管（並びに任意のそれに続く管）の直径、横断面並びにその面積は、同一又は異なっていてもよいが、第１管はより大きく、容器を通過する第１流体に対する向流熱転移体用とすることができ、一方第２管はより小さく、第１流体からの向流熱転移体用もしくは第１管からの向流照射熱転移体用とすることができる。第２管並びに次の管は、前記第１管、例えば等距離にある２本以上の第１管に対して相対称に配置される。第２管並びに次の管は、上述のように第１管に関して規則的に配置することができ、特に第１管及び第２管は、２方向において互いに平行な列に配置される。従って、前記第１熱交換管の第１規則的配列と第２熱交換管の第２規則的配列は、交換器中を軸方向に伸長するのが好適であり、前記第１熱交換管とは直径が異なるのが好適である。第２管は第１管と交互の列、それと直線上に、もしくは特にそこからオフセットにある、即ち（平面図上）四角形の中心において１種類の各管が四角形のコーナーに別の種類の最も近い隣り合う４本の管を有するのが好適である。第２管は、第１管と２方向の法線上において、もしくはこれらの方向のうち１方向において互いに交互とすることができる。任意の方向における第１管の間における管中心／管中心の間隔は、その方向における第２管の間隔と同一もしくは異なってもよく、第１管と第２管との間隔は、上述の間隔と同一もしくは異なってもよい。全ての管中心／管中心の間隔は、実質的に同一であるのが好適である。第１管数の第２管数に対する比は、１：３〜３：１、特に１０〜１４：１４〜１０であり、実質的に１：１である。第１管は、各交互三角において第２管と三角ピッチを有するように、もしくは直線で囲まれるように、特に四角形ピッチにおいて配置することができる。
熱交換器チャンバーを通過する第１及び第２熱交換管の存在は、本発明において非常に重要であり、特に第１流体がチャンバーを通過し、第２流体が第１管を通過し、一方、第３流体が第２管を通過し、第２流体の流れの方向が第３流体の流れの方向に対して向流であり、並びに第１流体の流れとは全て同軸性である、本発明の方法において重要である。
第１及び第２熱交換管の少なくとも１つにおいて、好適には第１管、随意にその両方の管において、その有効外表面積を増大させる手段を提供するのが好適である。増大の手段は、直接温度的に接触する管との同一化又は非同一化であり；所望の場合、両方の種類の増大手段を一緒に存在させることもできる。増大手段は、通常は管における１つ以上のフィン又はリブであり、フィン又はリブはチャンバー中を通じて連続的もしくは不連続的である。これらは、チャンバー中において管の長さに沿うように、直線又は曲線、例えば螺旋状とすることができる。非同一化増大手段は、１つ以上のフィン又はリブを有する熱伝導体の形態とすることができ、前記熱伝導体は、チャンバー中において管と接触又は接触しないように管の周りを伸長する。非同一化手段は、管と接触するための平らな面を有するベースから、例えば法線上に外面に伸長する１つのフィン又はリブを備えさせるものが好都合であり、従って、この手段は、管の周りに厳密に巻かれたＴ−形断面の屈曲性の伸長体であり、管とベースとの間での良好な温度接触を与え、これによりフィン又はリブに熱を供給する。
本発明の方法において、第２流体、例えば気体、液体又はこれらの混合物は、第１管中を移動し、熱は管の壁と各チャンバー中の領域を通過する第１流体（例えば気体、液体又はこれらの混合物）との間で転移される。第１流体の第１の流れは、第１チャンバー中に入り、その領域において少なくとも２本の管と接触し、第２チャンバーへ送ることができ、又はもしくはそれに加えて、第１流体の第１及び第２の流れは第１チャンバーに入り、各流れは少なくとも１本の管と接触し、次いで第１及び第２の流れを混合して第２チャンバーに送ることができる。１つのチャンバー中において入口領域に入る各流れは、そのチャンバーを離れる前に、少なくとも４本、例えば少なくとも８本の熱交換管と接触するのが好適である。第１流体は、連続するチャンバーを通過し、第１管を通過する第２流体に対して向流であるのが好適であるが、特に第３流体は第２管中を通過し、第１流体と共流、且つ第２流体に対しては向流である。第１及び第２流体は気体であり、第３流体は気体又は液体であるのが有利である（特に、第２管の直径が第１管の直径より小さい場合）。特に第２流体は、吸熱反応生成物、例えば炭化水素、例えばメタンのように１〜４個の炭素原子を有する炭化水素の改質の流れからの生成物、もしくはそのような炭化水素の部分的酸化の生成物であり、一方、第１流体は空気などの酸素分子含有気体であり、第３流体は、燃料、例えば水素もしくはメタン、エタン、プロパン又はブタンのように１〜５個の炭素原子を有する炭化水素の気体、あるいは一酸化炭素である。熱は第２流体から第１管を介して第１流体に、その後第１流体から第３流体に（第２管を介して）転移されるのが有利であり、特に空気及び燃料を容器の燃料領域に入る前に予備加熱し、燃焼が吸熱反応に熱を与える。所望の場合、第１管は熱転移固体、例えばセラミック材料などの不活な固体及び／又は吸熱反応用の固体触媒を含有することができる。チャンバー中における第１管と第２管との間での熱転移の少なくとも一部、例えば少なくとも５％又は２０％、例えば５〜１０％、１０〜５０％もしくは２０〜４０％、例えば約３０％が通常は照射により行われ、残りは主に伝導により行われる。
本方法において、第１流体は少なくとも１つのチャンバー、特に１つの面において少なくとも２つの連続するチャンバー、例えば５〜３０個のチャンバーを通過し、次いで少なくとも１つのチャンバー、特に異なる面、特に第１の面に対して４５〜１３５°の角度、例えば実質的にその法線上にある面における少なくとも２つの連続するチャンバー、例えば更に１〜３０個のチャンバーを通過し、従って、面の移動は、前のように例えば少なくとも１回以上、例えば１〜５回更に変化する。所望する場合、面の移動は第１流体の入口からの距離が増加するに度により高い頻度で変化し得る。
任意のチャンバーにおいて、そのチャンバーの全面積（即ち、管も含める）に対する入口及び出口開口部の割合は、通常は５〜２５％、例えば１０〜２０％であり、これに対し任意のチャンバーにおいて、その管を除くチャンバーの全面積（即ち、領域の全面積）に対する入口及び出口開口部の割合は、通常は２５〜５０％である。
本発明の装置において、個々のチャンバーは、上述の入口及び出口開口部は別としてチャンバーの間に完全な隔壁を備えることができ、これはまた仕切りと称され、チャンバーは実質的に完全な底及び天井を備える。仕切りは、他の方法では第１流体を通り抜けさせず、流体の全ては、次のチャンバーに送られる前に入口領域から出口領域まで通過させられる。しかし、所望される場合、連続するチャンバーの間において少なくとも１つの仕切りの少なくとも一部、特に実質的に全てにおいて、特に実質的にそのような仕切りの全てが孔を有し、仕切りの全面積に対する穴の面積の割合は１０〜７０％、特に３０〜６０％である。そのような孔を有する仕切りは、各チャンバーからの第１流体の一部を入口及び出口領域を介する以外の方法で次に送り、背圧を減少させ、且つ固体仕切りの使用と比較して流れの分配を均一にする。しかしながら、仕切りは不完全であるが、孔を有さないのが好適である。
入口及び出口開口部は、別個の調節板の間のシート、板、又は間隙中におけるスロットの形態とすることができる。仕切りは、直線又は曲線の側面を有する規則的もしくは不規則的な仕切りとすることができ、入口及び出口は、円形、楕円形、長方形、正方形又は他の横断面のものとすることができる。１つの仕切りは、１つ以上の領域の底を完全に覆い、特に容器の幅を横切る１つ又は一連の仕切りとすることができる。従って、同様な形、例えば縦方向又は横方向に伸長する側面を有する仕切りの列のシリーズであり、このためこれらの仕切りは上述の調節板である。第２管は、少なくとも２つ、特に平行な軸方向に伸長する側面を有する実質的にこれら仕切りの全てを通過するが、特に等間隔の前記仕切りのある割合を通過する、特に交互の仕切りを通過するのが好適である。一連の連続するチャンバーが平行な側面の調節板を備える場合、調節板の側面は、少なくとも２つの連続するチャンバー、例えば実質的に全てのチャンバーを通じて、同一平面にあるか、もしくは側面は、次のチャンバーにおける調節板の側面と平行とすることができるが、側面はオーバーラップする（平面図でみた場合）こともできる。従って、連続するチャンバーの間には、実際上軸線は無く、これにより第１流体は連続するチャンバーにおいて軸方向と同様に横方向に、特に蛇行するように移動される。１つのチャンバーにおける調節板が隣接するチャンバーにおいて対応する調節板に対して平行な側面を有する及び／又は続くチャンバーの調節板の側面と軸方向に同一線上にあるが、そのようなチャンバーは５〜３０個であり、第１連続チャンバー用の一連の調節板は、そのような平行な側面を断続的に有するのが好適であり、次の連続チャンバー用の一連の調節板が相互に平行な側面を有するが、第１シリーズにおける側面に対して任意の角度、例えば４５〜１３５°、例えば実質的に法線上にある。次の連続するチャンバーに対するこの変化を、１〜５０個のチャンバー、例えば５〜３０個のチャンバーを備える各群にて１回以上繰り返すことができる。この方法において、第１流体の一部は、１つの平面における容器中を、通常は第１面に対して法線上にある異なる面における容器中を移動する前に通過する。従って、熱交換器は、連続するチャンバー中において１方向で平行な側面を有する仕切りの第１シリーズと、異なる方向で平行な側面を有する仕切りの第２シリーズを有し、仕切りの第１及び第２シリーズは交互とすることができる。第１管及び第２管がある場合、前記第１チャンバー中における第１管の交互の列の間にある調節板及び前記第２チャンバー中における第１管の異なる交互の列の間にある調節板が存在するのが好適であり、前記第２管は前記調節板を通過する。
第１チャンバーは、横軸方向の平行な側面の２つのスロットを有する底（又は第２チャンバーに対する天井）である第１隔壁、及び横軸方向の平行な側面の３つのスロットを有する天井（又は第３チャンバーに対する底）である第２隔壁を備えることができ、この側面は第１チャンバー中における側面と軸方向に同一平面上にあるが、第２チャンバーの底に対して３つのスロットがあり、そのようなチャンバーのこのシリーズの後、側面の次の面は次のシリーズのために、交互に２つ、３つ、２つ、３つとスロットの数を変化させる。一般的に、スロットの数は、各連続するチャンバー間において１つずつ交互にすることができる。従って、スロットはシリーズに対して、北／南、次いで東／西、再び北／南とすることができる。前述のスロットの配置に対して、平面図でみた場合には熱交換器容器は、第１管が通過する調節板を備える管の規則的なパターンと、第２管、スロット、及び第２管が通過するか又はこれに対して接線上にある調節板の配置とを有するのが好適であり、全ての効果は、熱交換器を通る実際上見える線が無いことであり、そのため第１流体は、軸方向だけよりむしろ、軸方向及び横方向の動きで通過する。
熱交換管は、２つの壁、好適には同軸の壁を有する反応器の内部にあるのが有利である。その両方が耐力［load bearing］があるが、外壁が内壁よりも耐力があるのが好都合である。内壁は、全ての管を覆う囲い板又は囲いのように作用し、２つの壁、例えば外壁と囲い板の間に環を与える。内壁、例えば囲い板は、通常は熱伝導材料、例えば金属又はカーボンファイバー強化材料からできており、１本以上の熱交換管と接触させることができるが、各管と離れているのが好適である。内壁は、外反応器壁と同一の軸断面形、例えば同心の円形とすることができるが、しかし軸断面形は異なる、例えば外壁は円形であり、内壁は楕円形もしくは正方形のような四角形であるのが好適である。囲い板は反応器自身、チャンバーの間に存在する仕切り又は隔壁を固定することができ、その結果管を位置づけるのを助ける。
囲い板と反応器壁との間の反応器中のこの環は、断熱材料、例えばセラミック材を含有することができるが、熱交換器チャンバー中に導入する前にその上流末端において第１流体の予備加熱領域を備えるのが好適であり、更にこの領域は、囲い板からの熱を捉えてこれを再利用することによって、反応器からの熱の損失を減少させる。反応器壁は、１カ所以上の位置、上流の熱交換器チャンバーからは離れているがすぐ下流の熱交換器には近い少なくとも１カ所の位置を規定することができ、熱交換器は第１流体、例えば空気、並びに圧縮された流体の入口用である少なくとも１つのオリフィスを備え、前記オリフィスは反応器壁の環内にある。オリフィスを１個以上、特に２〜６個を、反応器の長軸に対して相対称に一定間隔で、通常は長軸に対して法線上に配置することができる。上流の熱交換チャンバーの近くの末端における囲い板又は囲いは、熱交換チャンバーへの１つの入口位置を備えることができ、特に最も上流の３つの熱交換チャンバーの少なくとも１つ以上、特に最も上流の熱交換チャンバーへの１〜３個の入口、例えば１個の入口位置を備える。従って、空気、例えば圧縮空気の使用において、前記空気は、環内のオリフィスを通じて反応器に入り、環を通過するが、環を介する場合、前記空気は、第１管と共流熱交換関係及び／又は熱交換器チャンバー中を移動する第１流体に対して向流熱交換関係にあり、この方法において、第１流体を、環から熱交換器チャンバー中に入る前に少なくとも１００℃まで予備加熱することができる。
１つの実施態様において、更に本発明の方法は、熱交換器チャンバー内での第１流体を用いる熱交換により、前記チャンバーの外側で第１流体を予備加熱して、第１流体が熱交換器チャンバー中に入る前に予備加熱した第１流体を提供することを包含し、前記チャンバー中における第１流体の動きの方向に対して向流の方向において予備加熱するのが有利である。特に、第１流体は、囲い板と反応器壁の間の環を通過し、囲い板は管の周りの囲いを与える。
本発明の熱交換器及び方法の利点は、熱交換器、例えばその頂部を第１管を通じて出発する場合の第１流体に対して及び／又は熱交換器、例えば底部を出発する場合の第２流体に対して、容器の幅を横切る良好な熱分配を包含することである。他の観点において、更に本発明は、上流から下流位置まで軸方向に通過する第１流体の流れを混合もしくは分配する容器を提供し、前記装置は少なくとも２つの連続する列において前記容器を横切る横方向の調節板を含み、調節板の列は横方向に開口するチャンバーを規定し、連続する列における調節板は容器を横切る異なる空間配置を有する。この調節板の配置を本発明の熱交換器に存在させることができ、第１流体が熱交換器を通過した後に存在させるのが好適である。また、他の熱交換器システムを、上述の調節板の配置と組み合わせて使用することができる。調節板は、第１流体の流れを分散させ、これを分配又は混合するスポイラーとして作用させることができる。
調節板の配置を、温度及び／又は組成において異なる流体、例えば少なくとも２種類の異なる流体用もしくは異なる温度の少なくとも２つの流れにおける１種類の流体用の混合装置として使用することができる。好適には、異なる温度の流体を混合する装置であり、例えば１つ以上の流体を熱交換面と接触させる装置であり、特に上述の文献に開示されている第１管を容器中に伸長させている装置である。管の１つが残りの管と異なる温度である場合、これを通過する第１流体は残りの管に装入される流体と異なる温度となり、熱交換器の頂部において均一性が失われる。この点において本発明は、調節板の空間配置を用いてこれを軽減し、容器の幅を横切る流体の温度並びに組成の実質的均一性を提供する。
調節板の配置を流体、例えば異なる軸方向速度を有する流体の分配装置において使用するのが好適であり、広範囲、例えば容器の幅を横切る実質的に一定速度の流体の流れを提供する。第１流体は、最初に１つ以上の流れ、例えば熱交換面と接触した１つ以上の流体から放出される流れ、特に本発明の上述の装置の第１管における流れの様に容器中を伸長する流れにおいて調節板と接触することができる。流体は空気であり、特に空気が本発明の装置において燃料バーナーに達する場合に、調節板は、例えば空気に対する壁として、容器を横切る実質的に一定速度の空気の流れを提供する。
容器は、熱交換器に関して、形並びに構成によって上述したようなものとすることができるが、その中に第１管（もしくは他の管）を備える必要はない。従って容器中の上流位置において、流体の２つの流れは容器中に送られても、又は熱交換面を備える熱交換器の頂部から分離されてもよく、熱交換器は容器の内側又は外側にあるが、しかし流体を熱交換器から容器中へ自由に移動させ得るものである。前者の場合において、調節板及び熱交換器は同一の容器中に備えられ、熱交換面は、横方向の調節板を含む容器の領域中を伸長することができるか、又はそこに無くてもよく、例えば容器中において調節板の下で止めることもできる。
調節板は、流体を通り抜けさせないこともできるが、孔を有するのが好適であり、調節板中の穴の全面積は、調節板の全面積の１０〜６０％、例えば３０〜５０％であり、個々の穴の大きさは、板を通過する全熱交換管の太さの平均の１／５以下であるのが好適であり、例えば１／２０〜１／５の大きさである。穴は、特に任意の特定の列において、実質的に全て同じ大きさであるのが有利であるが、連続する列における穴は、同じ大きさに、段々大きくなるように又は段々小さくなるようにすることもできる。
個々の調節板の形は、熱交換器における仕切りについて上述したようにすることができる。
調節板は、少なくとも一部の管が容器を通るような容器中にあるのが好適であり、容器と管との間の空間的関係は、上述したような熱交換器と管の関係であるのが好適である。特に、容器は１つの規則的な配列でこれを通過する第１管及び異なる様式でこれを通過する第２管を備えることができるが、上記記載は、管配列の空間的配置について更に詳細なことを提供する。第１管及び第２管は、互いに平行な列又は３０〜６０°、例えば４５°の角度とすることができる。特に、一組の第１管の列は、第２管の列により離される及び／又は逆もまた同様に好適であるが、第１管及び第２管が直角の２方向において平行である場合は特にそうである。各第１管は４本の第２管により囲まれ、各第２管は４本の第１管により囲まれるのが好適である（容器壁に隣接する管は除く）。管と調節板との関係は、下記するものが好適である。第２管はその間を通過してもよいが、調節板の少なくとも一部の間を通過するのが好適である。調節板は、外側に伸長する側面を備えることができるが、実質的に容器の内部幅を横切るように伸長しており、第１管の少なくとも一部、例えば２〜４本の間に位置する。第１列における調節板の側面は、通常は任意の角度、例えば４５〜１３５°であるか、もしくは隣接する第２列における調節板の側面に対して実質的に法線上にある。１つの列における調節板の数は、隣接する列における数より多い又は少ない数であるのが好適である。調節板の第１列に関して、第１管及び第２管は互いにより離されている平行な列にあるのが有利であり、側面が平行な調節板の列は、これを通過する第２管の交互の列を有し、調節板の第１列と隣接する調節板の第２列に関して、前記第２列における側面が平行な調節板は、これを通過する第２管の各列及びこの間を通過する第１管の各列を有し、前記第２列における前記調節板の側面の方向は、第１列における調節板の側面の方向に対して実質的に垂直であり；特に調節板の前記第２列と隣接する調節板の第３列に関して、前記第３列において側面が平行な調節板の列は、これを通過する第２管の各列及びこの間を通過する第１管の各列を有し、前記第３列における前記調節板の側面の方向は、実質的に第２列における調節板の側面の方向に対して垂直であるが、第１列の側面とは同じ方向である。特に容器は、前の段落において記載したように、調節板の第１列、第２列及び第３列とを組み合わせており、調節板の連続する３列は孔を備え、３列の全ての効果が、軸方向から見て管を除く容器の横断面の少なくとも８０％を占めるように、管と容器の壁に対してそれぞれ配置される。
本発明による分配方法は、第１流体を軸方向に上流から下流位置に容器中を通過させる方法からなり、流体は、容器を横切るように横方向に伸長する調節板の連続する列の周りを軸方向に通過し、各連続する列は異なる空間関係で容器を横切り、これにより前記流体の少なくとも一部は軸方向の動きと同様に横方向への動きを有する。前記第１流体の１つ以上の流れが容器中に送られる場合、流れは本発明の方法により別々に分配されるが、少なくとも部分的に分配された流れを、例えば調節板の最初の列の後で混合するのが好適であり、このように調節板全部が混合方法を行う。特に、流体の第１流れの少なくとも一部は、第１列における第１管の間を軸方向に通過し、次に第２列における第１管と第２管の間を軸方向並びに横方向に通過し、随意に前記第２列における孔を有する少なくとも１つの調節板を通過し、次いで第１流れの少なくとも一部が第３列における第１管と第２管の間を軸方向並びに横方向に通過するのが好適であり、随意に前記第３列における孔を有する少なくとも１つの調節板を通過する。
本発明の好適な観点において、本発明の熱交換器は、本発明の容器の分配器を下流に、例えば容器の頂部に備える。第２管は、下流の方向における最後の調節板を越えて容器中を伸長するのが好適であり、その各末端には燃料バーナー、例えばジェットノズルを設置し、バーナーの末端は、熱交換／混合器／容器の長軸に対して法線上である横軸方向の面にあるのが有利である。調節板の分配器及び／又は混合器の配置は、第１流体、例えば空気の均一な温度及び速度分布を提供し、第１流体は実質的に容器中をバーナーまで移動し、空気及び燃料を点火（通常は自動点火）して伸長した炎を生成し、第１管の周り並びにこれに沿って移動して、これにより吸熱反応用の第１管を炎の中に入れる。容器中における燃焼から生じた燃焼ガスは容器を出て、随意に環の上流に収束する直径中を加速された動きで第１管の周りの環に入来するが、この方法では吸熱反応体は予備加熱され、次いで発熱反応体の燃焼により加熱される。熱交換器、混合器／分配器燃焼容器（バーナーを包含）をそれらの第１管及び第２管と組み合わせて、コンパクトな改質装置を形成することができ、これは吸熱反応生成物及び発熱反応生成物が出るために、最大内部熱分配及び最低温度で炭化水素を一酸化炭素と炭化水素に改質する。所望する場合、熱交換器、混合器及び管は、膨張して伸び及び歪みを吸収する手段、例えば管を支持するのに使用される下記の管シートを介して、外部装置において支持されることもできる。
本発明を添付した図面を参照して説明する；
図１は、本発明の装置の断面図であって熱交換器を説明し、１Ａは熱交換器の断面図である。
図２は、熱交換器及び分配器の概略図であり、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ及び２Ｆ面は熱交換器の断面図である。
図３は、分配器及びバーナーの断面図であり、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ及び３Ｄ面は混合器の断面図である。
図４は、装置の燃焼ガス排出管の断面図である。
図１を参照すると、反応器１はこの中を伸長する燃料管２を備え、方向３の先にはその一方の末端に燃料バーナー（示していない）があり、他方の末端には燃料マニフォールド５に沿って結合部４が配置されている。マニフォールド５は反応器１の幅を横切るように伸長し、反応器１の外壁６を突き出て、屈曲性金属ホース７と接続しており、これは入口管８を介して燃料源に通じる。入口管８は、外壁６のオリフィス１１における環状管９に位置する。燃料管２は、交互の管において吸熱管１２（断面図１Ａ参照）の間に配置され、明瞭にするために末端の管は断面図でのみ説明する。管２の列は、正方形の囲い板１４中に保持され、支持リング２０により反応器１から離され、環１３を形成し、リング２０は反応器壁６における支持マウント１０と相互作用する。燃料マニフォールド５は囲い板１４により支持される。
反応器１は外部的に支持される。燃料マニフォールド５の下には、上そりフランジ末端被膜１６と結合したフランジベース１５がある。囲い板１４における側面空気入口４６は、燃料マニフォールド５と支持マウント１０の間に位置し、側面入口４６は、囲い板１４と反応器壁６との間の環１３から自由に空気を移動させ、被膜１６から離れる反応器１の下流末端には外部空気入口オリフィス４７がある。最終気体生成物マニフォールド１７は被膜１６の内部に位置し、出口穴１８からその下のパイプ１９により離されている。
使用においては、燃料、例えばメタン又は水素を金属ホース７、燃料マニフォールド５、燃料管２を介して反応器１に送り、反応チャンバーを出入りさせ、通常は燃料を自動点火で点火する。同時に、圧縮空気を、前記外部空気入口オリフィス４７を介して反応器１における環１３中に導入し、囲い板１４内に包まれた燃料により、側面空気入口４６を通じて導入する前に予備加熱する。空気は、管２と管１２との間に送られて更に予備加熱され、次いで方向３の先の燃料バーナーに送られる。明瞭にするために、予備加熱に関する特徴の詳細は省略する（しかし図２を参照）。
図２は、燃料管２、吸熱管１２の配置を示すが、それぞれは熱交換器２１における正方形囲い板１４中にあり、４１個の横軸方向チャンバー２２に細分される。図２は熱交換器の５つの領域、領域２３〜２７を示し、これらはチャンバー２２を規定する調節板２８の９、８、８、８、８セットにそれぞれ対応する。調節板２８における２及び３の数は、各調節板におけるスロット２９の数を示し、スロットの数は、熱交換器２１の長さを通じて交互になっている。断面図２Ａ〜２Ｅは、種々の２、３スロットの調節板の配置における第１管１２及び燃料管２の配置を示している。断面図２Ａは、管１２及び管２を囲う支持リング２０を有する正方形囲い板１４を示し、これは管１２の間に２つのスロットを備え且つ燃料管２を通している調節板２８により離されており、旦つスロット２９は開いている。示しているように、断面図２Ａには北南方向に２つのスロットがあり、断面図２Ｂにはまた北／南（Ｎ／Ｓ）方向に調節板２８内に３つのスロット２９がある。断面図２Ａ並びに２Ｂにおいて調節板２８は、熱交換器の領域２３、２５並びに２７に配置される。断面図２Ｃには調節板２８内に２つのスロット２９があって、スロットは東西方向であり、一方、断面図２Ｄには調節板２８内に２つのスロット２９があって、スロットは東西方向であり、断面図２Ｃ並びに２Ｄにおいて調節板２８は、熱交換器の領域２４並びに２６に配置される。図２は、熱交換器２１の上方の空気分配器３０を概略的に示している。
図３は、断面図３Ａ、３Ｂ、３Ｃ並びに３Ｄを用いてより詳細に空気分配器３０を説明している。燃料管２はバーナー及び点火領域まで延びている。上の最も上方の２スロット調節板２８は、孔を有する面スポイラーの３つの面、即ち第１スポイラー３２（断面３Ａにて示す）、第２スポイラー３３（断面３Ｂ参照）及び第３スポイラー３４（断面３Ｃ参照）である。明瞭にするために、吸熱管１２は図３には示していないが、断面３Ａ〜３Ｄでのみ示している。断面３Ａを参照すると、これはスポイラー３２を上面から見たものであり、吸熱管１２と交互の燃料管２及びこれのオフセットを示している。吸熱管１２の列の二組の間には孔を有する２つの調節板があり、燃料管２はこれを貫通している。使用において、最も上方の２スロット調節板２８から放出された、上昇する予備加熱空気は、スポイラー３２に送られ、そこで殆どの空気がスポイラー３２の面を垂直に通過するが、調節板３５の下で北南方向に放射状に迂回させられ、ごく一部が孔を通過する。上昇する空気は、上面から見た図である断面３Ｂにおいて示すように、スポイラー３３に到達する。スポイラー３３において、吸熱管１２の各列の間に５つの孔を有し、燃料管２により貫通される。調節板は北南方向である。使用において、スポイラー３２からの空気は、調節板３６がこれを制限し且つ迂回させる場合を除き、スポイラー３３を通過するが、このとき迂回させる方向（孔中を移動するものは除く）は東西方向である。次いで、空気は調節板３７を備えるスポイラー３４を通過し（断面３Ｃ参照）、これは５つの孔を有し、吸熱管１２の各列の間においては東西方向であり、且つ燃料管２が貫通する。調節板３７は、北南方向に放射される上昇空気を迂回させる（孔中を移動するものは除く）。断面３Ｄは３つのスポイラー３２〜３４および調節板３５〜３７を上面から見た図であり、上昇空気のほとんどの部分がこれを通過及び／又は調節板により迂回され、迂回の移動は北南／東西／北南（ＮＳ／ＥＷ／ＮＳ）もしくは東西／北南／東西（ＥＷ／ＮＳ／ＥＷ）と交互である。
図４は、吸熱管１２により離されている燃焼領域３８を示しており、燃焼領域３８は下流において、上方に行くにつれて直径が小さくなり且つ吸熱管１２を囲む燃焼環３９を通り、吸熱管を通過する放出燃焼ガスを加速させる。環３９の上方には燃焼ガス用の出口マニフォールド４０があり、マニフォールドは、上方シート４１、下方シート４２及び側壁４３により固定されている。吸熱管１２は、密封するための上方シート４２を通過して入口パイプ４４に入るが、これはその外部に二次ベローズ４５を設置して吸熱管の熱的移動を吸収する。
上述の詳細な記載は本発明の１つの実施態様についてのものであり、いずれにおいても本発明の範囲を制限するものではない。

Claims (22)

1. 熱交換器中を伸長する複数の第１熱交換管及びこれに通じる複数の横方向に伸長する熱交換チャンバーからなる熱交換器であって、前記熱交換チャンバーは、第１チャンバー及びこれに軸方向並びに横方向に隣接し且つこのいずれかの側面にある第２チャンバー並びに第３チャンバーからなり、各々のチャンバーは、複数の別個の開口部のある隔壁によりそれぞれ隣接するチャンバーから分離され、且つ各々のチャンバーは、各々が前記管の少なくとも３本、第１隔壁及び前記第１隔壁と対向する第２隔壁により規定される複数の横軸方向に連続する領域を備え、前記第１チャンバーはその領域の中に少なくとも２つの入口領域を有し、各入口領域は第２チャンバーからの入口に対する１つの開口部を備え、並びに少なくとも２つの出口領域を有し、各出口領域は第３チャンバーへの出口に対する１つの開口部を備え、入口に対する開口部及び出口に対する開口部の両方を備える領域はなく、且つ少なくとも１つの入口領域は少なくとも１つの出口領域と隣接するか、あるいは入口に対する開口部と出口に対する開口部をいずれも有さない１つの第３領域だけ出口領域から離されることを特徴とする熱交換器。
2. 前記横軸方向に連続する各領域は少なくとも４本の管により規定される請求項１記載の熱交換器。
3. １つの入口領域は出口領域から第３領域により離され、出口領域はそれ自身次の第３領域により次の入口領域から離されることを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器。
4. １つの入口領域は１つの出口領域と隣接し、出口領域自身は次の入口領域と隣接することを特徴とする請求項１又は２記載の熱交換器。
5. 各チャンバーは任意の直線方向に少なくとも４つの領域があり、各入口領域と各出口領域の間には０〜１個の領域があることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の熱交換器。
6. 第２、第１及び第３チャンバーのそれぞれにおける入口領域並びに出口領域は同一面上にあり、このため使用時に第１流体はその面上の熱交換器まで移動することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の熱交換器。
7. 前記第１熱交換管の第１規則的配列及び熱交換器中を軸方向に伸長する第２熱交換管の第２規則的配列を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の熱交換器。
8. 第１管の２つの列が第２管の列により離され、且つ前記第１及び第２管が互いに直角の２方向において平行な列上にあることを特徴とする請求項７記載の熱交換器。
9. 第２管が前記第１管とは異なる直径を有することを特徴とする請求項７又は８に記載の熱交換器。
10. 前記第１及び第２隔壁は実質平行であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の熱交換器。
11. 隔壁における入口あるいは出口開口部は別個の調節板の間のシート、板、又は間隙中におけるスロットの形態とすることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の熱交換器。
12. 前記隔壁の少なくとも一部が横軸スロットを有する板であることを特徴とする請求項１１記載の熱交換器。
13. 容器中において共通の軸関係にある前記容器中の横方向に伸長する複数の熱交換チャンバーを通過する第１流体と、複数の第１管中を通過する第２流体との間において前記容器中で熱交換を行う方法であって、第１管は前記容器及び前記チャンバーを通過するよう伸長し、各々のチャンバーは複数の横軸方向に連続する領域を備えるものであり、各々の領域は少なくとも３本の前記管により規定され、前記方法は、前記第１流体の少なくとも２つの流れを第１チャンバー中における異なる領域中に通し、各前記第１流れと前記管の１本以上との接触を行って第２及び第３の流れを与え、前記第２及び第３の流れを異なる領域において混合して混合流れを生成し、次いで前記異なる領域からの前記混合流れを前記第１チャンバーと横軸方向に隣接する第２チャンバー中に通すことからなり、前記第１流れを、混合流れが出発した前記第１チャンバーからこの領域と隣接する前記チャンバー中の領域に導入するかあるいは、混合流れが出発した前記第１チャンバーから１領域だけ離れた前記第１チャンバーの領域に導入することにより前記流体を軸方向並びに横軸方向の前記チャンバー中に通すことを特徴とする方法。
14. 少なくとも２つの混合流れを前記隣接チャンバーに導入し、前記隣接するチャンバー中の各混合流れを少なくとも２つの分割流れに分割し、次いで前記分割流れの少なくとも１つを前記他方の混合流れからの分割流れと合流させて更なる流れを生成し、この流れを前記隣接チャンバーから隣接する別のチャンバー中を通すことを特徴とする請求項１３記載の方法。
15. いずれかのチャンバーにおいて第１流体を、前記チャンバー中を軸方向に伸長する少なくとも８本の熱交換管と接触させることを特徴とする請求項１３〜１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 第３流体を前記容器中において軸方向に伸長する第２管に通し、前記第１及び第３流体の流れの全方向を前記第２流体の流れの方向に対する向流とし、前記第２流体と、前記第１及び／又は第３流体との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 気体である前記第１流体及び液体である前記第３流体を、前記第１管中の第２流体を用いる熱交換により加熱することを特徴とする請求項１６記載の方法。
18. 前記第１流体を、第１面の少なくとも２つのチャンバーに通すことを特徴とする請求項１６又は１７記載の方法。
19. 続いて前記第１流体を、前記第１面とは異なる第２面における少なくとも２つの連続するチャンバーに通すことを特徴とする請求項１８記載の方法。
20. 前記容器が、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の熱交換器であることを特徴とする請求項１３〜１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の前記第１流体用の熱交換器及び前記第１流体の流れを分配する分配器を含む容器からなる熱交換用装置。
22. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の前記第１流体用の熱交換器からなる装置であって、前記第１管が、発熱反応体である第３流体用の第２管と熱交換の関係にある熱吸熱反応生成物用であり且つ第２発熱反応体である前記第１流体を有し、第１及び第３流体が、次の発熱反応のために前記吸熱反応に熱を供給することを特徴とする熱交換用装置。

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