專利名稱：蒸發(fā)器及相關(guān)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于在高溫下將液體轉(zhuǎn)化為氣體的蒸發(fā)器、蒸煮器和 熱交換設(shè)備領(lǐng)域。特別地，本發(fā)明的設(shè)備和方法可以用于產(chǎn)生高質(zhì)量 的高溫蒸汽，以用于不同的應(yīng)用中，包括但是不限于燃料加工應(yīng)用。
背景技術(shù)：
蒸發(fā)液體尤其是水的蒸發(fā)是非常普通的技術(shù)。蒸發(fā)水的傳統(tǒng)方法 涉及將一灘水加熱到其沸點(diǎn)溫度并獲得從液體散發(fā)出來(lái)的蒸汽。普通 的蒸發(fā)技術(shù)使用殼和管式蒸發(fā)器設(shè)計(jì)。在更小的殼和管式蒸發(fā)器的例 子中，將要蒸發(fā)的水存在圍繞熱交換管的空間中。在更大的殼和管式
蒸發(fā)器的例子中，水在內(nèi)部流過(guò)熱交換管，該管被其外部的熱加熱。
不能響應(yīng)于需求快速產(chǎn)生蒸汽，這對(duì)于大多數(shù)傳統(tǒng)的蒸發(fā)技術(shù)來(lái) 說(shuō)是共同的特點(diǎn)。為了快速啟動(dòng)應(yīng)用，傳統(tǒng)的蒸發(fā)器必須維持在熱準(zhǔn) 備模式。傳統(tǒng)的蒸發(fā)器的其他缺點(diǎn)可以包括導(dǎo)致瞬間慢響應(yīng)的液態(tài)水 大的熱質(zhì)量、蒸發(fā)器與多熱流或熱源熱集成的有限能力和使用蒸發(fā)器 加熱不同于需要汽化的液體的材料的有限能力。
此外，關(guān)于傳統(tǒng)蒸發(fā)器的另外一個(gè)熟知的缺點(diǎn)是液體遺留或重?fù)?的發(fā)生，其中非汽化的液體夾帶在已蒸發(fā)液體中。在要求的汽化產(chǎn)品 是高質(zhì)量的蒸汽時(shí)，必須采取措施以從蒸汽中分離和移除未蒸發(fā)液體。 普遍用于從蒸汽中移除這種夾帶的方法包括分離或蒸汽鼓。然而，對(duì) 于使用分離鼓的系統(tǒng)，開(kāi)始產(chǎn)生蒸汽產(chǎn)品所需的啟動(dòng)時(shí)間極大地依賴 于分離鼓的大小，并且這樣的時(shí)間可能延及幾個(gè)小時(shí)。而且，用于從 已蒸發(fā)液體中分離和移除液體組分的方法將增加蒸發(fā)設(shè)備的大小、成 本和復(fù)雜性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種用于蒸發(fā)液體和將已蒸發(fā)液體加熱 到高溫的設(shè)備。該設(shè)備包括至少一個(gè)具有內(nèi)表面和外表面的熱傳遞壁， 該外表面能夠接收熱并將熱傳遞到內(nèi)表面。包括虹吸材料，該虹吸材 料用于接收可蒸發(fā)液體并將液體導(dǎo)入熱傳遞壁的內(nèi)表面。至少部分虹 吸材料與熱傳遞壁的內(nèi)表面接觸，優(yōu)選與內(nèi)表面的上游部接觸。該虹 吸材料可以包括編織或非編織結(jié)構(gòu)的纖維，例如氧化鋁纖維，使得能 夠引導(dǎo)液體到內(nèi)表面。包括虹吸支撐，其與對(duì)著內(nèi)表面的虹吸材料接 觸，并為來(lái)自虹吸材料的已蒸發(fā)液體提供路徑。該虹吸支撐可以包括 延伸的表面區(qū)域，例如波紋金屬肋片。過(guò)熱器布置在虹吸支撐下游， 其與虹吸支撐流體連通，以接收已蒸發(fā)液體并將已蒸發(fā)液體加熱到高 溫。該過(guò)熱器可以包括熱傳導(dǎo)器，例如波紋金屬肋片，用于將來(lái)自熱 傳遞壁內(nèi)表面的熱傳導(dǎo)到已蒸發(fā)液體。在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)熱 傳遞壁可以包括兩塊互相間隔開(kāi)的平坦的熱傳遞壁，在這兩個(gè)平坦壁 之間放置有虹吸支撐、虹吸材料和過(guò)熱器。
設(shè)備可以選擇性地包括熱源，用于提供到至少 一個(gè)熱傳遞壁的外 表面的熱?？蛇x的熱源可以包括輻射熱源和/或一個(gè)或多個(gè)燃燒器或重 整反應(yīng)器，以提供到熱傳遞壁的外表面的熱流體流。可以提供熱傳導(dǎo) 器，其與對(duì)著虹吸材料的熱傳遞壁的至少部分外表面接觸，用于將熱
傳導(dǎo)到外表面。這樣的熱傳導(dǎo)器可以包括波紋金屬肋片。可以包括與 熱傳遞壁外表面間隔開(kāi)的外壁，用于在它們之間提供路徑，使熱流體 的流動(dòng)能夠?qū)醾鬟f到所述外表面。每個(gè)熱傳遞壁和外表面可以包括 圓柱形壁或平坦壁。可選地，可以包括液體傳送裝置，用于將液體傳 送到虹吸材料。該液體傳送裝置可以包括液體源和泵。可以提供與過(guò) 熱器流體連接的蒸汽出口 ，用于從設(shè)備中移除高溫下的已蒸發(fā)液體。
本發(fā)明的另外一個(gè)方面提供用于蒸發(fā)液體的設(shè)備。該設(shè)備包括多 個(gè)蒸發(fā)單元。每個(gè)蒸發(fā)單元包括液體入口和虹吸材料，用于從液體入 口接收可蒸發(fā)液體并將液體引導(dǎo)到熱傳遞壁。該熱傳遞壁具有內(nèi)表面 和外表面，該外表面能夠接收熱并將熱傳遞到內(nèi)表面。熱傳遞壁的至
少部分內(nèi)表面與虹吸材料接觸。每個(gè)蒸發(fā)單元包括對(duì)著熱傳遞壁內(nèi)表 面與虹吸材料接觸的虹吸支撐，為流自虹吸材料的已蒸發(fā)液體提供通 道。布置在虹吸支撐下游的過(guò)熱器，其與虹吸支撐流體連通，用于接 收已蒸發(fā)液體并將已蒸發(fā)液體加熱到高溫。每個(gè)蒸發(fā)單元包括與過(guò)熱 器流體連通的蒸汽出口。該設(shè)備包括能夠提供到一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元 的熱傳遞壁的外表面的熱流體流的熱源入口支管，和能夠?qū)崃黧w流 引導(dǎo)出一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的出口支管?？蛇x地，該設(shè)備可以包括能 夠提供到一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的第二熱流體流的第二熱源入口支管， 和能夠?qū)⒌诙崃黧w流引導(dǎo)出所述一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的第二出口支 管。該設(shè)備可以包括用于傳送液體到液體入口的液體傳送裝置，該液 體傳送裝置包括液體源、泵和用于傳送均勻液體流到液體入口的計(jì)量 裝置。
在本發(fā)明的生產(chǎn)過(guò)程方面，提供了制造用于蒸發(fā)液體的設(shè)備的方
法。該方法包括這樣的步驟使虹吸材料覆蓋具有延伸表面區(qū)域的虹 吸支撐的至少上游部；鄰接虹吸支撐下游部放置熱傳導(dǎo)器；并用至少 一個(gè)熱傳遞壁包圍虹吸支撐、虹吸材料和熱傳導(dǎo)器。熱傳遞壁具有內(nèi) 表面和外表面，當(dāng)虹吸支撐、虹吸材料和熱傳導(dǎo)器被包圍時(shí)，部分虹 吸材料與內(nèi)表面的上游部接觸，熱傳導(dǎo)器鄰接內(nèi)表面的下游部?？蛇x 地，該方法可以進(jìn)一步包括在虹吸材料上提供用于引導(dǎo)氣體進(jìn)入虹吸 支撐的開(kāi)口。第二熱傳導(dǎo)器可選地鄰接熱傳遞壁外表面布置。該方法 可以進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)如下可選步驟選擇虹吸材料接收可蒸發(fā) 液體的預(yù)期的流量；提供虹吸材料，該虹吸材料能夠在遠(yuǎn)離至少一個(gè) 熱傳遞壁處接收預(yù)期的可蒸發(fā)液體流，并將該可蒸發(fā)液體引導(dǎo)到虹吸 材料的與至少一個(gè)熱傳遞壁接觸的部分；和/或?yàn)樗鲋辽僖粋€(gè)熱傳遞 壁、虹吸材料和/或虹吸支撐選擇材料，該材料將提供這樣的熱傳遞系 數(shù)，使其能夠從外表面?zhèn)鬟f充足的熱到內(nèi)表面以用于蒸發(fā)預(yù)期的可蒸 發(fā)流體流，從而防止未蒸發(fā)液體與熱傳導(dǎo)器接觸；和在虹吸材料和熱 傳遞壁的內(nèi)表面之間提供充足的接觸面積，用于蒸發(fā)預(yù)期的可蒸發(fā)液 體流，從而防止未蒸發(fā)液體與熱傳導(dǎo)器接觸。
本發(fā)明的另外一個(gè)生產(chǎn)過(guò)程方面提供汽化液體的方法。該方法包
括有步驟提供到熱傳遞壁的外表面的熱，該熱傳遞壁能夠?qū)釓耐?表面?zhèn)鬟f到內(nèi)表面，用于蒸發(fā)可蒸發(fā)液體并將已蒸發(fā)液體加熱到高溫； 將可蒸發(fā)液體傳送到虹吸材料遠(yuǎn)離熱傳遞壁的部分，該虹吸材料將可 蒸發(fā)液體引導(dǎo)到虹吸材料與熱傳遞壁內(nèi)表面接觸的部分，在那里將可 蒸發(fā)液體加熱而產(chǎn)生已蒸發(fā)液體；在已蒸發(fā)液體和與熱傳遞壁內(nèi)表面 熱連通的熱傳導(dǎo)器之間提供接觸，以將已蒸發(fā)液體加熱到高溫?？梢?提供充足量的熱到熱傳遞壁外表面，用于蒸發(fā)可蒸發(fā)液體并防止未蒸 發(fā)液體與熱傳導(dǎo)器接觸?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)或多個(gè)部位與熱流體流的接觸
和/或從輻射熱源接收熱為熱傳遞壁的外表面提供熱。該熱流體流可以 包括一種或多種燃燒器排氣和/或熱重整油，并且沿著熱傳遞壁的熱流 體流是能夠與已蒸發(fā)液體流相反方向的。該方法還可以包括將燃料與 已蒸發(fā)液體混合以提供熱燃料和已蒸發(fā)液體的混合物。燃料可以通過(guò) 將其引導(dǎo)進(jìn)入虹吸支撐而與已蒸發(fā)液體混合。在優(yōu)選實(shí)施例中，該可 蒸發(fā)液體包括水。


本發(fā)明可以通過(guò)參考下面結(jié)合相應(yīng)附圖的說(shuō)明得以理解。 圖1示意性地說(shuō)明燃料處理系統(tǒng)，其中使用了本發(fā)明的能夠產(chǎn)生 高溫流/燃料混合物以提供給重整反應(yīng)器的設(shè)備。 圖2是本發(fā)明的設(shè)備的截面圖。
圖3a是本發(fā)明的設(shè)備的虹吸材料和過(guò)熱器的詳細(xì)圖。
圖3b是本發(fā)明的設(shè)備的熱傳導(dǎo)器的詳細(xì)圖。
圖3c是本發(fā)明的虹吸材料覆蓋虹吸支撐的透視圖。
圖3d是本發(fā)明的虹吸支撐的端部視圖。
圖3e是本發(fā)明的虹吸支撐的正視圖。
圖4是本發(fā)明的能夠產(chǎn)生高溫流/燃料混合物供料的設(shè)備的透視圖。
圖5是圖4的設(shè)備的頂視圖。
圖6是圖4所示設(shè)備的分解視圖。
盡管本發(fā)明可以允許不同變形和可選形式，這里通過(guò)附圖的例子 表示了具體實(shí)施例并在此具體說(shuō)明。然而需要知道的是，這里具體實(shí) 施例的說(shuō)明不旨在將本發(fā)明限定到公開(kāi)的特殊形式中，而是相反，本 發(fā)明覆蓋所有落入如后面權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的精神和范圍的 所有變形、等價(jià)物和可選物。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明示例性的實(shí)施例說(shuō)明如下。為了說(shuō)明清楚，實(shí)際的實(shí)施例 的所有特征不都在本說(shuō)明書(shū)中描述。當(dāng)然應(yīng)認(rèn)識(shí)到在任何這樣的實(shí)際
實(shí)施例的開(kāi)發(fā)中，必須作出多個(gè)具體實(shí)施決定以實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)者的具體目 標(biāo)，例如遵守系統(tǒng)相關(guān)和商業(yè)相關(guān)的限制，這種限制在各種實(shí)施中是 不同的。而且應(yīng)認(rèn)識(shí)到這樣的開(kāi)發(fā)努力將是復(fù)雜和耗時(shí)的，但是不管 怎樣，對(duì)于受益于本公開(kāi)的本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)都只會(huì)是常規(guī)的工作。
本發(fā)明的設(shè)備是用于蒸發(fā)液體并將已蒸發(fā)液體加熱到高溫的。如 同在本公開(kāi)中所使用的，"高溫，，用于指那些高于可蒸發(fā)液體的汽化溫 度或沸點(diǎn)的溫度。此外，下面的說(shuō)明中通常用水作為可以在本發(fā)明的 設(shè)備中蒸發(fā)的可蒸發(fā)液體的例子。而蒸汽產(chǎn)生是本發(fā)明的技術(shù)的應(yīng)用， 本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到該要求的發(fā)明范圍不限于此。
本發(fā)明的蒸發(fā)設(shè)備是緊湊的和熱有效的。該設(shè)備可以容易地集成 到系統(tǒng)中，從而提供所需的已蒸發(fā)液體，但是也可以使用來(lái)自多個(gè)熱 源的熱，以提高系統(tǒng)整體的熱效率。此外，本發(fā)明的蒸發(fā)設(shè)備能夠預(yù) 熱氣體并將它們與已蒸發(fā)液體混合，以用于那些需要熱氣體混合物的 應(yīng)用。而且，本發(fā)明的蒸發(fā)設(shè)備具有短的啟動(dòng)時(shí)間，使得該設(shè)備能夠 根據(jù)需要快速產(chǎn)生高質(zhì)量的已蒸發(fā)液體。
本發(fā)明的設(shè)備包括至少一個(gè)具有內(nèi)表面和外表面的熱傳遞壁。該 熱傳遞壁的外表面從諸如輻射熱源的熱源或與外表面接觸的熱流體流 接收熱。在外表面接收的熱傳送到內(nèi)表面，在那里熱用于蒸發(fā)可蒸發(fā) 液體或使已蒸發(fā)液體過(guò)熱。該熱傳遞壁優(yōu)選延長(zhǎng)為具有上游部和下游
部。這里，相關(guān)術(shù)語(yǔ)"上游"和"下游"是參照已蒸發(fā)液體流通過(guò)虹吸支 撐和過(guò)熱器的通常的方向。在一些實(shí)施例中，至少一個(gè)熱傳遞壁是圓 柱形狀的，而在其他實(shí)施例中，該壁是平坦形式的。而且，本發(fā)明的 設(shè)備將包括至少一個(gè)熱傳遞壁，但是在一些實(shí)施例中，其將包括兩個(gè) 或多個(gè)熱傳遞壁。例如，在熱傳遞壁本質(zhì)上是平坦時(shí)，該虹吸支撐和 過(guò)熱器優(yōu)選置于兩個(gè)平坦的熱傳遞壁之間。
該熱傳遞壁可以由任何能夠經(jīng)受這里描述的運(yùn)行條件和化學(xué)環(huán)境 的材料或材料組合制成。例如，該熱傳遞壁的外表面可以選擇用于傳
遞溫度達(dá)到或高于約IOOO"C的來(lái)自燃燒器排氣流的熱。而且，該熱傳
遞壁需要由能使預(yù)定的可蒸發(fā)液體流蒸發(fā)并使蒸發(fā)流體過(guò)熱到所需高 溫的材料或材料組合制成。能夠傳遞適當(dāng)量的熱的熱傳導(dǎo)材料是已知 的并在熱交換應(yīng)用中普遍使用。更特別地，適用于制造熱傳遞壁的材 料可以包括例如鋁、不銹鋼、銅、鎳、鉻、鐵、這些材料的合金等。 此外，該熱傳遞壁優(yōu)選由氣密性材料制成，從而防止已蒸發(fā)液體和/ 或氣體穿過(guò)該壁逸出。
熱傳遞壁的尺寸將依賴于熱傳遞壁內(nèi)表面的表面面積，該面積為 蒸發(fā)虹吸材料中所需數(shù)量的可蒸發(fā)液體和使已蒸發(fā)液體在過(guò)熱器中過(guò) 熱到想要的溫度所需。除了其他因素，這些表面面積可以由可蒸發(fā)液 體的蒸發(fā)溫度、虹吸和過(guò)熱部的熱傳遞系數(shù)及供應(yīng)到熱傳遞壁的外表 面的熱的溫度和量決定。
本發(fā)明的設(shè)備包括能夠接收和傳導(dǎo)可蒸發(fā)液體到熱傳遞壁內(nèi)表面 的虹吸材料?？烧舭l(fā)液體通過(guò)虹吸材料從一個(gè)區(qū)域或部位移動(dòng)到另外
一個(gè)可以通過(guò)虹吸作用和/或虹吸效應(yīng)驅(qū)動(dòng)。至少部分虹吸材料與熱傳
遞壁的內(nèi)表面接觸，從而引導(dǎo)到虹吸材料那個(gè)部位的可蒸發(fā)液體加熱
到其蒸發(fā)溫度，以在那個(gè)熱傳遞表面產(chǎn)生已蒸發(fā)液體。優(yōu)選地，虹吸 材料與熱傳遞壁內(nèi)表面接觸的那部分與內(nèi)表面的上游部接觸。
虹吸材料還可以具有遠(yuǎn)離熱傳遞壁的用于從液體入口、支管或其 他液體傳送裝置接收可蒸發(fā)液體的部分。當(dāng)該設(shè)備用于預(yù)熱和/或?qū)?體與已蒸發(fā)液體混合時(shí)，可以在虹吸材料中提供一個(gè)或多個(gè)開(kāi)口，以
使氣體直接導(dǎo)入虹吸支撐中。虹吸材料與熱傳遞壁接觸的部分這里通 常指為"側(cè)"部。虹吸材料遠(yuǎn)離熱傳遞壁的部分通常指為"頂，，部。在設(shè) 備包括一對(duì)間隔開(kāi)的平坦的熱傳遞壁的的實(shí)施例中，平坦的虹吸材料 可以置于平坦的虹吸支撐之上，從而在組裝時(shí)，虹吸材料的側(cè)部置于 虹吸支撐和熱傳遞壁的內(nèi)表面之間，且虹吸材料的頂部置于虹吸支撐 端部之上，居中并橋接側(cè)部。
虹吸材料在增濕器和蒸發(fā)器領(lǐng)域是已知的和普遍使用的。在這些 應(yīng)用中所知的虹吸材料適合用作本發(fā)明的設(shè)備的虹吸材料，如果這樣 的材料不容易通過(guò)本設(shè)備的高溫環(huán)境退化或無(wú)效的話。合適的虹吸材
料的例子包括多孔和開(kāi)放式單元泡沫材料及能夠虹吸或引導(dǎo)液體的編 織和非編織結(jié)構(gòu)的纖維材料。合適的編織虹吸材料可以具有均勻的編
織樣式和尺度，但是也可以包括具有多個(gè)層、編織樣式和尺度的編織 品。合適的纖維虹吸材料的具體的例子可以包括一種或多種無(wú)機(jī)纖維， 例如玻璃、氧化硅、氧化鋁、陶瓷和金屬，及能夠經(jīng)受設(shè)備內(nèi)部溫度 的有機(jī)纖維。在優(yōu)選實(shí)施例中，該虹吸材料包括氧化鋁纖維結(jié)構(gòu)，該 氧化鋁纖維結(jié)構(gòu)足夠柔軟，以致于該材料可以折疊、變皺或巻成想要 的構(gòu)造，例如覆蓋在虹吸支撐上或圍著虹吸支撐巻成圓柱形。這樣的 氧化鋁材料是已知并在商業(yè)上可得到的。
本發(fā)明的設(shè)備還包括與對(duì)著熱傳遞壁內(nèi)表面的虹吸材料接觸的虹 吸支撐。該虹吸支撐為虹吸材料提供結(jié)構(gòu)支撐，確保虹吸材料的一部 分和內(nèi)表面接觸，并為已蒸發(fā)液體從虹吸材料流向位于下游的過(guò)熱器 提供路徑。這樣，該虹吸支撐需要足夠剛硬以提供所需的結(jié)構(gòu)支撐， 但是優(yōu)選地還需要足夠柔軟以允許該支撐彎曲或巻成所需的形狀。對(duì) 于一些構(gòu)造，例如當(dāng)虹吸支撐被巻成圓柱形結(jié)構(gòu)時(shí)，該虹吸支撐還需 要具有一定程度的彈性，從而其可用于迫壓虹吸材料與熱傳遞壁內(nèi)表 面接觸。此外，該虹吸支撐還可以用于將熱傳送到已蒸發(fā)液體中以及 可能引入虹吸支撐中進(jìn)行預(yù)熱并與已蒸發(fā)液體混合的任何氣體中。這 樣，該虹吸支撐優(yōu)選具有用于接觸已蒸發(fā)液體和氣體的延伸的表面區(qū) 域，并可以由這里所述的熱交換器材料制成。在優(yōu)選實(shí)施例中，該虹
吸支撐包括波紋金屬肋片。合適的金屬肋片典型地包括鋁和/或一些其 他高熱傳導(dǎo)性金屬。這樣的材料從活動(dòng)在熱交換器領(lǐng)域的供應(yīng)商那里
可購(gòu)得，例如俄亥俄州Kenon的Robinson Fin Machines, Inc。
過(guò)熱器接觸。并且，蒸發(fā)速率需要足以產(chǎn)生所需的已蒸發(fā)液體流。除 了其他因素，虹吸材料和熱傳遞壁之間的接觸面積大小將依賴于將要 蒸發(fā)的液體的蒸發(fā)溫度、熱傳遞系數(shù)及供應(yīng)到熱傳遞壁的外表面的熱 的溫度和量。
虹吸材料和熱傳遞壁的內(nèi)表面之間的接觸面積可以通過(guò)下面的總 體性公式?jīng)Q定
Qwick=UwickA A TLMTD
其中Qwick是蒸發(fā)虹吸材料中的可蒸發(fā)液體所需的熱，Uwick是熱 傳遞系數(shù)，A是接觸面積，ATtMTD是對(duì)數(shù)平均溫差。其中可蒸發(fā)液
體是將要轉(zhuǎn)化為蒸汽的水，虹吸材料和虹吸支撐的熱傳遞系數(shù)需要在
約2500W/mVK到約100000W/m"K之間。然而，本公式假設(shè)只有蒸 發(fā)將發(fā)生在設(shè)備包含虹吸材料的部分。在一些實(shí)施例中，在虹吸材料 和虹吸支撐內(nèi)需要發(fā)生蒸發(fā)和預(yù)熱。在這樣的實(shí)施例中，該虹吸材料 和虹吸材料與熱傳遞壁之間的接觸面積將加大，及該加大的接觸面積 的熱傳遞系數(shù)將包括蒸發(fā)組分和與加熱氣體相關(guān)的組分。因此，接觸 面積的選擇和熱傳遞壁、虹吸材料以及虹吸支撐的材料的選擇優(yōu)選還
考慮適于將已蒸發(fā)液體加熱到高溫或過(guò)熱溫度的熱傳遞系數(shù)。這樣的 熱傳遞系數(shù)結(jié)合下面的過(guò)熱器來(lái)說(shuō)明。
本發(fā)明的設(shè)備還將包括置于虹吸支撐下游的過(guò)熱器，該過(guò)熱器與 虹吸支撐流體連通，用于接收已蒸發(fā)液體流。過(guò)熱器的主要功能是將 已蒸發(fā)液體加熱到高溫或過(guò)熱溫度。該過(guò)熱器與熱傳遞壁內(nèi)表面的下 游部熱連通，并可以包括熱傳導(dǎo)器，用于接觸和加熱已蒸發(fā)液體到高 溫。該熱傳導(dǎo)器優(yōu)選由高熱傳導(dǎo)性金屬例如鋁制成，并具有延伸的表 面區(qū)域，用于將熱傳導(dǎo)和傳遞到已蒸發(fā)液體。合適的熱傳導(dǎo)器優(yōu)選包
括波紋金屬肋片，這種熱傳導(dǎo)器例如可從盤型熱交換器領(lǐng)域的供應(yīng)商 購(gòu)得。
本發(fā)明的設(shè)備可產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽的最大溫度極大地依賴于傳遞到 熱傳遞壁外表面的熱的溫度和熱傳遞系數(shù)。該過(guò)熱器具有與虹吸材料 和虹吸支撐相關(guān)的熱傳遞系數(shù)不同的熱傳遞系數(shù)，這是因?yàn)闆](méi)有蒸發(fā) 將發(fā)生在過(guò)熱器內(nèi)。過(guò)熱器的熱傳遞系數(shù)可以用于決定熱傳遞壁的表 面面積，該表面面積是將一定量的已蒸發(fā)液體加熱到想要的高溫所需 要的。更特別地，與過(guò)熱器相關(guān)的該熱傳遞壁的表面面積可以從下面
總體性公式確定
Qsupheat=UsupheatA ATlmTD
其中，Qsupheat是將已蒸發(fā)液體的溫度在過(guò)熱器中加熱到想要的溫
度所需要的熱，仏upheat是熱傳遞系數(shù)，A是面積，ATLMTD是對(duì)數(shù)平 均溫差。其中已蒸發(fā)液體是將要轉(zhuǎn)化為過(guò)熱蒸汽的蒸汽，過(guò)熱器的熱
傳遞系數(shù)應(yīng)在約25W/m2/K和約250W/m2/K之間。
供應(yīng)到設(shè)備的熱流和從設(shè)備出去的過(guò)熱蒸汽之間的溫差通常稱為 窄點(diǎn)溫度(pinch temperature )。窄點(diǎn)溫度可以用作熱交換效率的指示。 在本發(fā)明的設(shè)備中，已經(jīng)觀察到小于約24。C的窄點(diǎn)溫度。然而，可 以想象的，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下，該設(shè)備可以改造用于獲得 想要的更高或更低的窄點(diǎn)溫度。
與熱傳遞壁的外表面的至少一部分熱連通的熱傳導(dǎo)器可選地可以 用于從多個(gè)熱源接收/吸收熱并將熱傳遞到熱傳遞壁。優(yōu)選地，該熱傳 導(dǎo)器與熱傳遞壁的外表面接觸，并可以對(duì)著虹吸材料和/或過(guò)熱器布 置。優(yōu)選地，該熱傳導(dǎo)器具有用于接收/吸收熱的延伸表面區(qū)域，例如 可以通過(guò)波紋金屬肋片提供。合適的熱傳導(dǎo)器可以由高熱傳導(dǎo)性金屬 例如鋁制成，這種熱傳導(dǎo)器在盤型熱交換器領(lǐng)域可從供應(yīng)商購(gòu)得。
本發(fā)明的設(shè)備可選地可以包括熱源，例如輻射熱源，用于提供到 至少一個(gè)熱傳遞壁的外表面的熱。輻射熱源可以包括與熱傳遞壁相鄰 接或接觸布置的電熱元件。其他可選的熱源可以包括產(chǎn)生可導(dǎo)到熱傳 遞壁外表面的熱流體流的處理單元和/或與這樣的壁熱連通的熱傳導(dǎo)
器。例如，這樣的熱產(chǎn)生單元可以包括產(chǎn)生熱排氣氣體的燃燒器和燃 燒室以及反應(yīng)器，例如產(chǎn)生熱重整油或其他熱反應(yīng)產(chǎn)品的重整反應(yīng)器。 其他熱產(chǎn)生器或熱源可以用于將熱提供到熱傳遞壁外表面而不脫離本 發(fā)明的范圍。
在一些實(shí)施例中，本發(fā)明的設(shè)備可以包括與熱傳遞壁外表面間隔 開(kāi)的外壁。限定在這樣的外壁和熱傳遞壁外表面之間的空間可用作熱 流體沿著熱傳遞壁流動(dòng)的路徑。優(yōu)選地，在存在外壁時(shí)，外壁將具有 與熱傳遞壁相似的形狀和大小。例如，當(dāng)熱傳遞壁是圓柱形時(shí)，外壁 優(yōu)選地為圓柱形并與熱傳遞壁同心，且具有更大的直徑。在熱傳遞壁 本質(zhì)上平坦時(shí)，該外壁優(yōu)選地也是平坦的。
可以提供用于將可蒸發(fā)液體引導(dǎo)到虹吸材料的液體入口。還可選 地可以包括液體傳送裝置，用于將液體傳送到虹吸材料，該液體傳送 裝置還可以包括液體源、泵和能夠提供均勻液體流到液體入口的計(jì)量 裝置。還可以提供與過(guò)熱器進(jìn)行流體連通用于從設(shè)備移除高溫下的蒸 發(fā)液體的蒸汽出口。此外，用于熱偶和其他溫度傳感設(shè)備的口可以用 于設(shè)備的不同位置。
在另外一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的設(shè)備可以包括多個(gè)蒸發(fā)單元。在 這樣的實(shí)施例中，每個(gè)蒸發(fā)單元包括液體入口和用于從液體入口接收 可蒸發(fā)液體并將液體引導(dǎo)到至少一個(gè)熱傳遞壁的虹吸材料。至少一個(gè) 熱傳遞壁具有內(nèi)表面和外表面，外表面能夠接收熱并將熱傳遞到內(nèi)表 面。熱傳遞壁內(nèi)表面的至少一部分與虹吸材料接觸，在那里發(fā)生蒸發(fā)。 此外，每個(gè)蒸發(fā)單元包括與對(duì)著內(nèi)表面的虹吸材料相接觸的虹吸支撐。 該虹吸支撐為已蒸發(fā)液體提供從虹吸材料流出和流開(kāi)的路徑。每個(gè)蒸 發(fā)單元還將包括置于虹吸支撐下游的過(guò)熱器。該過(guò)熱器和虹吸支撐流 體連通并能夠接收來(lái)自虹吸支撐的已蒸發(fā)液體流且將已蒸發(fā)液體加熱 到高溫。每個(gè)蒸發(fā)單元還包括與過(guò)熱器流體連通的蒸汽出口。每個(gè)這 些特征的說(shuō)明提供在本公開(kāi)的其他地方，這里不再重復(fù)。
除了多個(gè)蒸發(fā)單元，這樣的設(shè)備還將包括能夠提供熱流體流到一 個(gè)或多個(gè)所迷蒸發(fā)單元的外表面的熱源支管。該熱源支管可以包括用
于將熱流分流為兩個(gè)或多個(gè)流以引導(dǎo)到兩個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的分流
器。同樣地，這樣的設(shè)備還將包括能夠?qū)崃黧w流從所述一個(gè)或多個(gè) 蒸發(fā)單元引導(dǎo)出的出口支管。
如同結(jié)合附圖所述的，相鄰的蒸發(fā)單元可以互相間隔開(kāi)，從而在 相鄰單元的熱傳遞壁之間形成路徑，用于使熱流向相鄰的熱傳遞壁的 外表面。進(jìn)一步地，在這樣的路徑中可以提供熱傳導(dǎo)器，用于將熱傳 導(dǎo)到那些熱傳遞壁的外表面。在特殊的蒸發(fā)單元不具有相鄰的蒸發(fā)單 元的地方，這里所述的外壁可以用于為熱沿著熱傳遞壁的外表面的流 動(dòng)提供路徑。類似地，在這樣的路徑中可以提供熱傳導(dǎo)器，用于將熱 傳導(dǎo)到那些熱傳遞壁的外表面。
在一些實(shí)施例中，包括多個(gè)蒸發(fā)單元的設(shè)備可以包括能夠提供第 二熱流體流到一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的第二熱源入口支管，及用于將第 二熱流體流引導(dǎo)出一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的第二出口支管。使用兩個(gè)或 多個(gè)熱流的本發(fā)明的設(shè)備的性能促進(jìn)了熱效率，不僅在通過(guò)設(shè)備產(chǎn)生 過(guò)熱蒸汽方面，還在使用來(lái)自多個(gè)生熱組件的熱時(shí)整個(gè)系統(tǒng)效率方面。
在另外的實(shí)施例中，包括多個(gè)蒸發(fā)單元的設(shè)備可以包括能夠?qū)⒖?蒸發(fā)液體傳送到多個(gè)蒸發(fā)單元的液體入口的液體傳送裝置。該液體傳 送裝置優(yōu)選地包括液體源、泵和提供均勻液體流到蒸發(fā)單元的液體入 口的計(jì)量裝置。
本發(fā)明的特別的優(yōu)點(diǎn)在于制造蒸發(fā)設(shè)備的簡(jiǎn)單性。結(jié)果，在本發(fā) 明的加工方面，提供了制造用于蒸發(fā)設(shè)備的方法。該方法包括將虹吸 材料覆蓋或放置在具有延伸表面區(qū)域的虹吸支撐的至少上游部的步 驟。如同上面指出的，該虹吸材料需要足夠柔軟以使該材料可以折疊 或變皺并鋪設(shè)在虹吸支撐上。當(dāng)該設(shè)備具有大體圓柱形形狀時(shí)，在虹 吸材料和虹吸支撐插入到圓柱形的熱傳遞壁之前，該虹吸材料繞著圓 柱形的虹吸支撐巻成圓柱形。在這樣的實(shí)施例中，該虹吸支撐需要具 有與熱傳遞壁的內(nèi)徑接近的大小和構(gòu)造，和/或需要具有足夠的彈性， 使得虹吸支撐提供到虹吸材料的迫壓力，以確保虹吸材料和熱傳遞壁 的接觸。當(dāng)該設(shè)備本質(zhì)上平坦時(shí)，該虹吸材料可以覆蓋虹吸支撐的一
邊緣，從而虹吸材料形成兩個(gè)基本上延伸在虹吸支撐的表面區(qū)域上的 側(cè)部和橋接這兩個(gè)側(cè)部并覆蓋虹吸支撐端部的頂部。該方法還包括鄰 接虹吸支撐下游端放置熱傳導(dǎo)器，從而使熱傳導(dǎo)器與虹吸支撐流體連 通。這樣，虹吸支撐、虹吸材料和熱傳導(dǎo)器由至少一個(gè)具有內(nèi)表面的 熱傳遞壁包圍，從而當(dāng)包圍著時(shí)，部分虹吸材料與內(nèi)表面上游部接觸， 熱傳導(dǎo)器鄰接內(nèi)表面下游部。
制造蒸發(fā)設(shè)備的方法還可以包括一個(gè)或多個(gè)步驟(a)選擇虹吸 材料接收可蒸發(fā)液體的預(yù)期的流量；(b)提供虹吸材料，該虹吸材料 能夠在遠(yuǎn)離至少一個(gè)熱傳遞壁處接收預(yù)期的可蒸發(fā)液體流，并將該可 蒸發(fā)液體引導(dǎo)到虹吸材料的與至少一個(gè)熱傳遞壁接觸的部分；(c)為 所述至少一個(gè)熱傳遞壁、虹吸材料和/或虹吸支撐選擇材料，該材料將 提供這樣的熱傳遞系數(shù)，使其能夠從外表面?zhèn)鬟f充足的熱到內(nèi)表面， 用于蒸發(fā)預(yù)期的可蒸發(fā)液體流，從而防止未蒸發(fā)液體與熱傳導(dǎo)器接觸； 和(d)在虹吸材料和內(nèi)表面之間提供充足的接觸面積，用于蒸發(fā)預(yù) 期的可蒸發(fā)液體流，從而防止未蒸發(fā)液體與熱傳導(dǎo)器接觸?？蛇x地， 該制造蒸發(fā)設(shè)備的方法還可以包括鄰接至少一個(gè)熱傳遞壁的所述外表 面布置第二熱傳導(dǎo)器，以將熱傳導(dǎo)到熱傳遞壁的外表面。而且，該方
預(yù)熱并與已蒸發(fā)液體混合的開(kāi)口 。
在本發(fā)明的另外一個(gè)實(shí)施例中提供蒸發(fā)液體的方法。該方法包括 步驟提供熱到熱傳遞壁的外表面，該熱傳遞壁能夠?qū)釓耐獗砻鎮(zhèn)?遞到內(nèi)表面，用于蒸發(fā)可蒸發(fā)液體并將可蒸發(fā)液體加熱到高溫。優(yōu)選 地，將充足量的熱提供到熱傳遞壁外表面，用于蒸發(fā)可蒸發(fā)液體并防 止未蒸發(fā)液體與布置在下游的熱傳導(dǎo)器接觸。熱可通過(guò)一個(gè)或多個(gè)部 位與熱流體流的接觸和/或從輻射熱源接收熱而提供到熱傳遞壁的外 表面。當(dāng)熱通過(guò)熱流體流傳送到熱傳遞壁的外表面時(shí)，該熱流體可以 包括一種或多種燃燒器排氣和/或熱重整油(hot reformate )。優(yōu)選地， 沿著熱傳遞壁外表面的熱流體流是與沿著熱傳遞壁內(nèi)表面的已蒸發(fā)液 體流相反方向的，從而熱傳遞壁最熱部分鄰接布置在虹吸材料下游的
熱傳導(dǎo)器。
該方法還包括傳送可蒸發(fā)液體到虹吸材料遠(yuǎn)離熱傳遞壁的部分。 在優(yōu)選實(shí)施例中，該可蒸發(fā)液體包括水。該虹吸材料從其遠(yuǎn)離熱傳遞 壁的部分將可蒸發(fā)液體引導(dǎo)到其與熱傳遞壁內(nèi)表面接觸的部分。在虹 吸材料的該部分內(nèi)，熱容易地傳遞到可蒸發(fā)液體，將可蒸發(fā)液體加熱 到蒸發(fā)溫度以產(chǎn)生已蒸發(fā)液體。從虹吸材料散發(fā)出來(lái)的已蒸發(fā)液體進(jìn) 入由虹吸支撐提供的空間例如通道中。當(dāng)氣體將要預(yù)熱和/或與已蒸發(fā) 液體混合時(shí)，氣體可以直接引導(dǎo)進(jìn)入虹吸支撐的空間中，在那里氣體 -波加熱并與已蒸發(fā)液體混合。
該已蒸發(fā)液體或已蒸發(fā)液體與氣體的混合物流過(guò)虹吸支撐并進(jìn)入 過(guò)熱器部，在那里已蒸發(fā)液體或已蒸發(fā)液體與氣體的混合物接觸熱傳 導(dǎo)器，該熱傳導(dǎo)器與熱傳遞壁的內(nèi)表面熱連通。來(lái)自熱傳遞壁內(nèi)表面 的熱被傳導(dǎo)通過(guò)該傳導(dǎo)器的延伸表面區(qū)域，在那里熱容易傳送到已蒸 發(fā)液體，以將已蒸發(fā)液體加熱到高溫。如同上面所述的，在優(yōu)選實(shí)施 例中，熱流體沿著外表面的流動(dòng)逆著已蒸發(fā)液體沿著內(nèi)表面的流動(dòng)確 保了熱傳遞壁在熱傳導(dǎo)器部分是最熱的。
附圖具體說(shuō)明
如圖l所示，蒸發(fā)設(shè)備10用于預(yù)熱燃料并產(chǎn)生蒸汽，以用于重整 器(reformer) 1。蒸發(fā)設(shè)備10從燃燒器3接收以燃燒器排氣6a方式 的熱。此外，設(shè)備10還從重整器l接收以熱重整油6b方式的熱。這 些熱流導(dǎo)入到設(shè)備10中并用于在其中產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽和預(yù)熱燃料的混
合物4，該混合物然后從蒸發(fā)設(shè)備導(dǎo)出到重整器。盡管沒(méi)有具體說(shuō)明， 水和燃料是分別提供給蒸發(fā)設(shè)備并在水轉(zhuǎn)化為蒸汽后在該設(shè)備10中
混合的。冷的燃燒器排氣7從該設(shè)備導(dǎo)到出口或下游使用，而冷的重 整油導(dǎo)出到燃料箱以產(chǎn)生動(dòng)力。優(yōu)選是富氫重整油的其他使用，這樣 燃料箱5可以由氫存儲(chǔ)器或一些其他耗氫設(shè)備代替。而且，如圖l所 示，燃燒器3產(chǎn)生的熱可以導(dǎo)入重整器1用于燃料重整過(guò)程。
需要注意的是，盡管圖1中的蒸發(fā)設(shè)備表示為具有三個(gè)部分，這
僅僅是出于說(shuō)明目的的一般化情況。如圖2所示，本發(fā)明的蒸發(fā)設(shè)備 可以使用單一熱源加熱具有三個(gè)部分的設(shè)備，而圖4-6表示的設(shè)備是 使用兩個(gè)熱蒸汽加熱具有五個(gè)部分的設(shè)備。本發(fā)明的蒸發(fā)設(shè)備的優(yōu)點(diǎn) 在于適用于針對(duì)不同應(yīng)用的設(shè)備設(shè)計(jì)的靈活性。
圖2表示的蒸發(fā)設(shè)備10具有一對(duì)間隔開(kāi)的平坦的熱傳遞壁20和 20，，熱傳遞壁之間限定通道3。熱傳遞壁20和20，各自具有內(nèi)表面22、 22，和外表面24、 24，。置于通道3上游部?jī)?nèi)的是虹吸支撐40和虹吸材 料30。置于通道3下游部?jī)?nèi)的是熱交換裝置50。
虹吸材料30具有向下伸入到通道內(nèi)并與內(nèi)表面22、 22，的上游部 分別接觸的側(cè)部34和34，。此外，虹吸材料30具有遠(yuǎn)離熱傳遞壁并 與側(cè)部34、34，橋接的頂部32。頂部32從液體入口或液體傳送裝置(未 示出)接收可蒸發(fā)的液體，并通過(guò)虹吸作用和/或虹吸效應(yīng)將液體引導(dǎo) 到側(cè)部34、 34，。在側(cè)部34、 34，內(nèi)，可蒸發(fā)的液體從內(nèi)表面22、 22， 接收熱并被加熱到其蒸發(fā)溫度。
已蒸發(fā)液體從虹吸材料的側(cè)部34、 34，散發(fā)到虹吸支撐中，如彎 曲的箭頭所示。該已蒸發(fā)液體流入到虹吸支撐的開(kāi)口空間，該空間為 已蒸發(fā)液體提供流出通道3的上游部的路徑。如同所示的，該虹吸支 撐是具有延伸的表面區(qū)域，也即波紋金屬肋片40的熱傳導(dǎo)材料。波紋 金屬肋片40提供熱傳遞功能，并用于維持腿部34、 34，和內(nèi)表面22、 22，之間的接觸。
已蒸發(fā)液體向下流入過(guò)熱器，該過(guò)熱器包括熱交換裝置，也即波 紋金屬肋片50。波紋金屬肋片50從內(nèi)表面22、 22，的下游部接收熱并 將熱傳遞到流過(guò)肋片的已蒸發(fā)液體。
平坦的外壁70、 70，與熱傳遞壁20、 20，的外表面間隔開(kāi)，以在它 們之間限定通道5、 5，。每個(gè)通道5、 5，容納有熱傳導(dǎo)器，特別地，為 波紋金屬肋片60、 60，，用以將熱傳導(dǎo)到熱傳遞壁的外表面24、 24，。 如同所示的，已蒸發(fā)液體通過(guò)通道3的流動(dòng)與熱流體通過(guò)通道5、 5， 的流動(dòng)方向是相反的，這使得流過(guò)波紋肋片50的已蒸發(fā)液體能夠過(guò)熱 到高溫。
圖3a是組裝了的虹吸材料、虹吸支撐的正視圖，其中在框架301 中具有過(guò)熱器。將要蒸發(fā)的可蒸發(fā)液體通過(guò)框架301中的開(kāi)口 (未示 出)引入，從而液體與虹吸材料的頂部332接觸。在組裝過(guò)程中，如 圖3c所示，虹吸材料330覆蓋波紋金屬肋片340，從而形成側(cè)部334、 334，和頂部332。開(kāi)口 303d可以提供在頂部332的相對(duì)端，從而需要 預(yù)熱并與已蒸發(fā)液體混合的氣體可以直接導(dǎo)入到波紋金屬肋片340的 通道341中。圖3d、 3e提供了肋片340的附加視圖，圖中更清楚地顯 示了通道341的細(xì)節(jié)。波紋肋片340的外部342、 342，與側(cè)部334、 334， 接觸，確保那些側(cè)部和熱傳遞壁內(nèi)表面之間的接觸。通道341、 341， 為已蒸發(fā)液體和其他氣體沿著熱傳遞壁通過(guò)虹吸支撐的流動(dòng)提供延伸 表面區(qū)域和路徑，從而有助于虹吸支撐的熱傳遞功能。
該可蒸發(fā)液體通過(guò)虹吸材料從頂部332傳到側(cè)部334、 334，，在 那里來(lái)自熱傳遞壁的熱將液體蒸發(fā)。該已蒸發(fā)液體散發(fā)到通道341中 并向下流過(guò)包括波紋金屬肋片350的過(guò)熱器，在那里該已蒸發(fā)液體加 熱到高溫。該已蒸發(fā)液體從波紋金屬肋片出來(lái)并流到提供在框架301 上的出口 (未示出)。如同所示的，波紋金屬肋片351形式的額外的熱 交換表面區(qū)域可以用于提供額外的熱傳遞表面，并提供用于維持裝置 的形狀和剛度的結(jié)構(gòu)支撐。圖3b表示用于將熱引導(dǎo)到熱傳遞壁的外表 面的熱傳導(dǎo)器的正視圖。該熱傳導(dǎo)器包括具有框架361的波紋金屬肋 片360。
諸如框架301和361的框架可以用于以模塊式部件來(lái)保持元件， 并方便設(shè)備以所述的結(jié)構(gòu)組裝。例如，固定在如圖3a所示的框架301 里的元件這里通常表示為"蒸發(fā)器部"或"蒸發(fā)器通道"。基于波紋肋片 360和熱傳遞壁的外表面可以利用燃燒器排氣流加熱的事實(shí)，保持在 框架361里的元件這里通常表示為"燃燒器部"或"燃燒器通道"。
圖4表示的蒸發(fā)設(shè)備400是這樣的結(jié)構(gòu)，其使用來(lái)自兩個(gè)不同熱 源的熱流，并預(yù)熱氣體且將預(yù)熱氣體與已蒸發(fā)液體混合。更特別地， 設(shè)備400具有燃燒器排氣入口支管410,用于接收熱的燃燒器排氣并 將其引導(dǎo)到框架461、 461，內(nèi)的燃燒器通道中。燃燒器排氣出口支管
415用于從設(shè)備中引導(dǎo)冷卻了的燃燒器排氣。設(shè)備400使用的第二熱 流優(yōu)選是來(lái)自燃料處理反應(yīng)器的熱重整油。熱重整油通過(guò)重整油入口 440進(jìn)入設(shè)備400并通過(guò)框架481內(nèi)的中心通道。冷的重整油通過(guò)重 整油出口 445流出中心通道?？烧舭l(fā)液體入口 402提供用于將可蒸發(fā) 液體引導(dǎo)到由框架401、 401，框住的蒸發(fā)器通道中。氣體入口 403提 供在燃燒器部分的上游部，從而氣體可被引導(dǎo)到虹吸支撐中以預(yù)熱并 與已蒸發(fā)液體混合。蒸氣出口 404提供在設(shè)備下游部，用于將已蒸發(fā) 液體和預(yù)熱氣體的混合物從設(shè)備中引導(dǎo)出去。
更特別地，外壁470、 470，包圍設(shè)備400的五個(gè)通道或部分的組 件。從外壁470到外壁470，依次移動(dòng)，是包圍在框架461內(nèi)的燃燒器 通道、熱傳遞壁420d、框架401內(nèi)的蒸發(fā)器通道、熱傳遞壁420c、框 架481內(nèi)的中心通道、熱傳遞壁420b、框架401，內(nèi)的蒸發(fā)器通道、熱 傳遞壁420a和包圍在框架461，內(nèi)的燃燒器通道。此外，熱偶口 409 提供在多個(gè)位置?？蚣?、熱傳遞壁和外壁優(yōu)選通過(guò)銅焊互相附著，而 支管、口等優(yōu)選通過(guò)焊接連接。用于組裝本發(fā)明的設(shè)備的其他方法為 本領(lǐng)域普知。
圖5是圖4所示的設(shè)備從設(shè)備上方的點(diǎn)向下看，通過(guò)燃燒器排氣 出口支管515中的出口的正視圖。通過(guò)出口開(kāi)口可見(jiàn)的是波紋金屬肋 片560、熱傳遞壁520d、框架501內(nèi)的蒸發(fā)器通道、熱傳遞壁520c、 包圍在框架581內(nèi)的中心通道、熱傳遞壁520b、包圍在框架501，內(nèi)的 蒸發(fā)器通道、熱傳遞壁520a和波紋金屬肋片560，。還標(biāo)注的是熱重 整油入口 540和冷重整油出口 545。可蒸發(fā)液體入口 502和氣體入口 503也有示出。
圖6是圖4所示設(shè)備的分解視圖。外壁670、 670，包圍設(shè)備600 的五個(gè)通道或部件的組件。從外壁670到外壁670，依次移動(dòng)，是包圍 在框架661內(nèi)的燃燒器通道、熱傳遞壁620d、包圍在框架601內(nèi)的蒸 發(fā)器通道、熱傳遞壁620c、包圍在框架681內(nèi)的中心通道、熱傳遞壁 620b、包圍在框架601，內(nèi)的蒸發(fā)器通道、熱傳遞壁620a和包圍在框 架661，內(nèi)的燃燒器通道。
如同這里所述的，每個(gè)熱傳遞壁各自具有用于接收熱并將熱傳遞 到蒸發(fā)器通道的外表面和內(nèi)表面。如同所述的，燃燒器排氣形式的熱
流體通過(guò)位于設(shè)備底部的燃燒器排氣入口支管610進(jìn)入設(shè)備600。分 流器607分離燃燒器排氣流，從而使它向上通過(guò)波紋肋片660、 660，， 在那里熱被吸收并傳導(dǎo)到外表面624d (未示出)和624a。該熱流過(guò)熱 傳遞壁到達(dá)內(nèi)表面622d和622a (未示出)，在那里其用于蒸發(fā)液體并 使已蒸發(fā)液體過(guò)熱。此外，熱重整油通過(guò)重整油入口 640進(jìn)入設(shè)備并 向上流過(guò)框架681所包圍的中心通道。該中心通道包括用于將熱重整 油的熱傳導(dǎo)到外表面624c和624b (未示出)的波紋金屬肋片680。該 熱流過(guò)熱傳遞壁到達(dá)內(nèi)表面622b和622d(未示出)，在那里其用于蒸 發(fā)液體并使已蒸發(fā)液體過(guò)熱。該冷的重整油流和燃燒器排氣流各自通 過(guò)中心通道和燃燒器通道并通過(guò)重整油出口 645和燃燒器排氣出口支 管615從設(shè)備排出。
可蒸發(fā)液體通過(guò)與開(kāi)口 603c流體連通的入口 602進(jìn)入蒸發(fā)器通 道。在運(yùn)行過(guò)程中，可蒸發(fā)液體通過(guò)開(kāi)口 603c并到達(dá)相應(yīng)的虹吸材料 的頂部632和632，。該可蒸發(fā)液體向下流過(guò)虹吸材料的側(cè)部634和 634，，在那里該液體被加熱并蒸發(fā)。該已蒸發(fā)液體然后流入虹吸支撐 (未示出)。被引導(dǎo)通過(guò)氣體入口 603a的氣體通過(guò)開(kāi)口 603c進(jìn)入蒸發(fā) 器通道，并通過(guò)開(kāi)口 603d向下流入虹吸支撐中。這樣的氣體在虹吸支 撐的波紋金屬肋片內(nèi)預(yù)熱并與已蒸發(fā)液體混合。已蒸發(fā)液體和預(yù)熱氣 體的混合物然后向下游流到過(guò)熱器部，在那里它們?cè)诓y金屬肋片 650和650，中過(guò)熱。然后該過(guò)熱混合物通過(guò)與出口支管604流體連通 的開(kāi)口 652、 652，流出燃燒器通道。
上面公開(kāi)的具體實(shí)施例只是例舉性的，因?yàn)槭芤嬗谶@里的教導(dǎo)， 對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以改變并以不同的但是類似的方 式實(shí)現(xiàn)。而且本發(fā)明也不旨在限定于這里所示的結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)， 而是如下面權(quán)利要求所述。從而顯然，上面公開(kāi)的具體的實(shí)施例可以 改變或變形，并且所有這樣的變形被認(rèn)為是不脫離本發(fā)明的范圍和精 神的。相應(yīng)地，這里所指的保護(hù)范圍如下面的權(quán)利要求書(shū)給出。
權(quán)利要求
1、用于蒸發(fā)液體的設(shè)備，該設(shè)備包括:具有內(nèi)表面和外表面的至少一個(gè)熱傳遞壁，該外表面能夠接收熱并將熱傳遞到內(nèi)表面；虹吸材料，該虹吸材料用于接收液體并將液體導(dǎo)入內(nèi)表面，至少部分虹吸材料與內(nèi)表面接觸；虹吸支撐，該虹吸支撐與對(duì)著內(nèi)表面的虹吸材料接觸，且為流自虹吸材料的已蒸發(fā)液體提供路徑；過(guò)熱器，該過(guò)熱器布置在虹吸支撐下游，且與虹吸支撐流體連通，用以接收已蒸發(fā)液體并將已蒸發(fā)液體加熱到高溫。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述虹吸材料與內(nèi) 表面接觸的部分是與內(nèi)表面的上游部接觸。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述過(guò)熱器包括熱 傳導(dǎo)器，用于將熱從內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)到已蒸發(fā)液體。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其特征在于所述熱傳導(dǎo)器包括 波紋金屬肋片。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括用于將熱提供到所述至少 一個(gè)熱傳遞壁的外表面的熱源。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于所述熱源是輻射熱源。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于還包括與外表面上 與虹吸材料相對(duì)的至少一部分接觸的熱傳導(dǎo)器，用于將熱從熱流體傳 導(dǎo)到外表面。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其特征在于所述熱傳導(dǎo)器包括 波紋金屬肋片。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于還包括與外表面間 隔開(kāi)的至少一個(gè)外壁，并在所述外表面和外壁之間為熱流體流提供路 徑，以使熱能夠傳送到外表面。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于所述至少一個(gè)熱 傳遞壁和所述至少一個(gè)外壁每個(gè)均包括圓柱形壁。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述至少一個(gè)熱 傳遞壁包括兩個(gè)互相間隔開(kāi)的平坦壁，并且其中所述虹吸支撐和過(guò)熱 器置于所述兩個(gè)平坦壁之間。
12、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述虹吸材料包 括能夠引導(dǎo)液體到內(nèi)表面的編織或非編織結(jié)構(gòu)的纖維。
13、 根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備，其特征在于所述纖維包括氧 化鋁。
14、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于所述虹吸支撐包 括延伸的表面區(qū)域。
15、 根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備，其特征在于所述延伸的表面 區(qū)域包括波紋金屬肋片。
16、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括用于傳送液體到虹吸材 料的液體傳送裝置，該傳送裝置包括液體源和泵。
17、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括與過(guò)熱器流體連通的蒸 汽出口。
18、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其特征在于所述熱源包括一 個(gè)或多個(gè)燃燒器或重整反應(yīng)器，用于提供熱流體流到所述至少一個(gè)熱 傳遞壁的外表面。
19、 用于蒸發(fā)液體的設(shè)備，該設(shè)備包括 多個(gè)蒸發(fā)單元，每個(gè)蒸發(fā)單元包括液體入口；虹吸材料，該虹吸材料用于從液體入口接收液體并將液體引 導(dǎo)到熱傳遞壁；具有內(nèi)表面和外表面的至少一個(gè)熱傳遞壁，該外表面能夠接 收熱并將熱傳遞到內(nèi)表面，并且至少一部分內(nèi)表面與虹吸材料接觸；與對(duì)著內(nèi)表面的虹吸材料接觸的虹吸支撐，該虹吸支撐為流 自虹吸材料的已蒸發(fā)液體提供路徑； 布置在虹吸支撐下游的過(guò)熱器，該過(guò)熱器與虹吸支撐流體連通，用于接收已蒸發(fā)液體并將已蒸發(fā)液體加熱到高溫；和 與過(guò)熱器流體連通的蒸汽出口； 熱源入口支管，其能夠提供到一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的外表面的熱 流體流；和能夠?qū)崃黧w流引導(dǎo)出所述一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的出口支管。
20、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，還包括能夠?qū)⒌诙崃黧w流提 供到一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的第二熱源入口支管，和能夠?qū)⒌诙崃黧w 流引導(dǎo)出所述一個(gè)或多個(gè)蒸發(fā)單元的第二出口支管。
21、 根據(jù)權(quán)利要求19所述的設(shè)備，其特征在于還包括能夠傳送 液體到液體入口的液體傳送裝置，該液體傳送裝置包括液體源、泵和 用于傳送均勾液體流到液體入口的計(jì)量裝置。
22、 用于蒸發(fā)液體的設(shè)備的制造方法，該方法包括步驟 將虹吸材料覆蓋在具有延伸表面區(qū)域的虹吸支撐的至少上游部； 鄰接虹吸支撐下游部放置熱傳導(dǎo)器；和用具有內(nèi)表面和外表面的至少一個(gè)熱傳遞壁包圍虹吸支撐、虹吸 材料和熱傳導(dǎo)器， 一部分虹吸材料與內(nèi)表面的上游部接觸，而熱傳導(dǎo)器鄰接內(nèi)表面的下游部。
23、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括一個(gè)或多個(gè)如下步驟 選擇虹吸材料接收可蒸發(fā)液體的預(yù)期的流量； 提供虹吸材料，該虹吸材料能夠在遠(yuǎn)離至少一個(gè)熱傳遞壁處接收預(yù)期的可蒸發(fā)液體流，并將該可蒸發(fā)液體引導(dǎo)到虹吸材料的與所述至少一個(gè)熱傳遞壁接觸的部分；為所述至少一個(gè)熱傳遞壁、虹吸材料和/或虹吸支撐選擇材料，該 材料將提供這樣的熱傳遞系數(shù)，使其能夠從外表面?zhèn)鬟f充足的熱到內(nèi) 表面，用于蒸發(fā)預(yù)期的可蒸發(fā)流體流，從而防止未蒸發(fā)液體與熱傳導(dǎo)器接觸；和在虹吸材料和內(nèi)表面之間提供充足的接觸面積，用于蒸發(fā)預(yù)期的 可蒸發(fā)液體流，從而防止未蒸發(fā)液體與熱傳導(dǎo)器接觸。
24、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括鄰接所述至少一個(gè)熱傳 遞壁的外表面布置第二熱傳導(dǎo)器的步驟。
25、 根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，還包括在虹吸材料上提供開(kāi)口 而用于引導(dǎo)氣體進(jìn)入虹吸支撐的步驟。
26、 用于蒸發(fā)液體的方法，該方法包括步驟 提供熱到熱傳遞壁的外表面，該熱傳遞壁能夠?qū)釓耐獗砻鎮(zhèn)鬟f到內(nèi)表面，用于蒸發(fā)可蒸發(fā)液體并將可蒸發(fā)液體加熱到高溫；將可蒸發(fā)液體傳送到虹吸材料遠(yuǎn)離熱傳遞壁的部分，該虹吸材料將可蒸發(fā)液體引導(dǎo)到虹吸材料與熱傳遞壁內(nèi)表面接觸的部分，在那里可蒸發(fā)液體被加熱而產(chǎn)生已蒸發(fā)液體；和使已蒸發(fā)液體和與熱傳遞壁內(nèi)表面熱連通的熱傳導(dǎo)器接觸，以將已蒸發(fā)液體加熱到高溫。
27、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于熱是以充足的量 提供到熱傳遞壁外表面的，用于蒸發(fā)可蒸發(fā)液體并防止未蒸發(fā)液體與 熱傳導(dǎo)器接觸。
28、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于熱傳遞壁的外表 面是通過(guò)一個(gè)或多個(gè)部位與熱流體流的接觸和/或從輻射熱源接收熱 而力口熱的。
29、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于所述熱流體流包 括一種或多種燃燒器排氣和/或熱重整油。
30、 根據(jù)權(quán)利要求28所述的方法，其特征在于沿著熱傳遞壁的 熱流體流是與已蒸發(fā)液體流相反方向的。
31、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于所述可蒸發(fā)液體 包括水。
32、 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，還包括將燃料與已蒸發(fā)液體混 合以提供熱燃料和已蒸發(fā)液體的混合物的步驟。
33、 根據(jù)權(quán)利要求32所述的方法，其特征在于通過(guò)將所述燃料 直接引導(dǎo)進(jìn)入虹吸支撐而使燃料與已蒸發(fā)液體混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于蒸發(fā)液體和將被蒸發(fā)液體加熱到高溫的設(shè)備。該設(shè)備具有熱傳遞壁，該熱傳遞壁具有用于接收熱和將熱傳遞到內(nèi)表面的外表面。設(shè)置有虹吸材料，使得該虹吸材料的一部分與內(nèi)表面接觸，而另外一部分遠(yuǎn)離熱傳遞壁。與對(duì)著熱傳遞壁內(nèi)表面的虹吸材料接觸的虹吸支撐為虹吸材料提供結(jié)構(gòu)支撐，并進(jìn)一步為流自虹吸材料的蒸發(fā)液體提供路徑?？烧舭l(fā)液體被傳送到虹吸材料遠(yuǎn)離熱傳遞壁的部分，并允許移往與內(nèi)表面接觸的部分。來(lái)自內(nèi)表面的熱將液體轉(zhuǎn)化為已蒸發(fā)液體。可選地，氣體燃料可被引導(dǎo)到虹吸支撐中用于預(yù)熱且與已蒸發(fā)液體混合。已蒸發(fā)液體通過(guò)虹吸支撐流出虹吸材料并進(jìn)入下游的過(guò)熱器，該過(guò)熱器優(yōu)選容納有熱交換裝置。該熱交換裝置與熱傳遞壁的內(nèi)表面熱連通，用于接收和傳遞熱到已蒸發(fā)液體。該設(shè)備可以包括多個(gè)連接到共同和/或不同熱源的蒸發(fā)單元。還公開(kāi)了制造用于蒸發(fā)液體的設(shè)備的方法及用于蒸發(fā)液體的方法。
文檔編號(hào)F28D15/04GK101384875SQ200680053256
公開(kāi)日2009年3月11日 申請(qǐng)日期2006年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月22日
發(fā)明者B·S·拉澤布尼克, B·克里希納穆?tīng)柕? D·P·布盧姆菲爾德, J·D·巴爾迪克, P·D·史密斯 申請(qǐng)人:德士古發(fā)展公司