本申請(qǐng)是題為“具有浮動(dòng)集管的熱交換器”、申請(qǐng)日為2013/6/19、申請(qǐng)?zhí)枮?01380044823.8(pct/ca2013/050469)的中國發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。

相關(guān)申請(qǐng)案的交叉參考

本申請(qǐng)案請(qǐng)求2012年6月29日遞交的第13/537,824號(hào)美國專利申請(qǐng)案的優(yōu)先權(quán)和權(quán)益，所述申請(qǐng)案的內(nèi)容以引用的方式并入本文中。

本發(fā)明涉及具有至少一個(gè)熱交換器區(qū)段的熱交換器，所述熱交換器可具有殼管式構(gòu)造，并且尤其涉及管的軸向熱膨脹通過提供浮動(dòng)集管來適應(yīng)的此類熱交換器。

背景技術(shù)：

熱交換器常用于將熱從極熱氣體傳遞到相對(duì)冷卻的氣體及/或液體。所述熱交換器的接觸熱氣的部分與接觸較冷氣體及/或液體的部分之間可能存在顯著溫度差。這些溫度差可能導(dǎo)致熱交換器構(gòu)件的不同熱膨脹，這可在各種構(gòu)件之間的接點(diǎn)中及構(gòu)件本身中引起應(yīng)力。隨時(shí)間推移，這些應(yīng)力可能引起接點(diǎn)及/或熱交換器構(gòu)件的過早失效。

在典型的殼管式熱交換器中，流動(dòng)穿過管的熱氣流將熱傳遞到流動(dòng)穿過殼體、與管的外表面接觸的相對(duì)冷卻的氣體及/或液體。所述管比周圍的殼體熱得多，這引起管軸向(縱向)膨脹比殼體更大的量。管和殼體的這種不同熱膨脹在管上引起對(duì)集管接點(diǎn)的潛在損害應(yīng)力，以及在所述管、所述集管和所述殼體上引起應(yīng)力。

已知以允許管和殼體的不同熱膨脹的手段提供殼管式熱交換器。舉例來說，共同轉(zhuǎn)讓的第7,220,392號(hào)美國專利(rong等人)描述一種殼管式燃料轉(zhuǎn)化反應(yīng)器，其中管的僅一端通過集管剛性地連接至殼體。相對(duì)端的集管并不剛性地連接至殼體，并且因此相對(duì)于殼體“浮動(dòng)”，從而允許管相對(duì)于殼體自由膨脹。

rong等人的熱交換器通常作為燃料重組器(reformer)應(yīng)用，其中浮動(dòng)集管整合有用于催化劑的圓柱形容器。殼管式熱交換器具有眾多其它應(yīng)用，并且仍然需要提供用于其它應(yīng)用的殼管式熱交換器中的不同熱膨脹的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)方面中，提供一種熱交換裝置，所述熱交換裝置包括串聯(lián)布置的第一熱交換器區(qū)段及第二熱交換器區(qū)段。所述熱交換裝置包括：(a)內(nèi)殼體，所述內(nèi)殼體具有第一端和第二端并且具有在第一端與第二端之間沿軸線延伸的內(nèi)殼體壁，其中，第一熱交換器區(qū)段和第二熱交換器區(qū)段被圍封在內(nèi)殼體壁內(nèi)；(b)提供在第一熱交換器區(qū)段中的第一流體入口和提供在第二熱交換器區(qū)段中的第一流體出口；(c)提供在第二熱交換器區(qū)段中的第二流體入口和提供在第一熱交換器區(qū)段中的第二流體出口；(d)軸向延伸第一流體流道，所述軸向延伸第一流體流道從第一流體入口延伸穿過第一熱交換器區(qū)段和第二熱交換器區(qū)段到達(dá)第一流體出口，其中，第一流體在第一熱交換器區(qū)段與第二熱交換器區(qū)段之間流動(dòng)穿過位于內(nèi)殼體內(nèi)部的內(nèi)部連接通道；(e)軸向延伸第二流體流道，所述軸向延伸第二流體流道從第二流體入口延伸穿過第一熱交換器區(qū)段和第二熱交換器區(qū)段到達(dá)第二流體出口，其中，第一流體流道和第二流體流道彼此密封，并且其中，第二流體在第二熱交換器區(qū)段與第一熱交換器區(qū)段之間流動(dòng)穿過位于內(nèi)殼體外部的外部連接通道；(f)外殼體，所述外殼體圍封外部連接通道；(g)在第二熱交換器區(qū)段中穿過內(nèi)殼體的至少一個(gè)孔口，第二流體從第二熱交換器區(qū)段流動(dòng)穿過所述孔口到外部連接通道中；及(h)在第一熱交換器區(qū)段中穿過內(nèi)殼體的至少一個(gè)孔口，第二流體從外部連接通道流動(dòng)穿過所述孔口到第一熱交換器區(qū)段中。在第一熱交換器區(qū)段中的至少一個(gè)孔口包括第一軸向間隙，所述第一軸向間隙提供在內(nèi)殼體壁的第一部分與內(nèi)殼體壁的第二部分之間。

在另一方面中，內(nèi)殼體壁的第一部分和第二部分由第一軸向間隙完全間隔開，但在裝置的首次使用之前，內(nèi)殼體壁的第一部分和第二部分通過多個(gè)腹板接合在一起，每一腹板均跨越第一軸向間隙。腹板可具有充足厚度和硬度，使得所述腹板在熱交換裝置的制造期間將內(nèi)殼體壁的第一部分和第二部分保持在一起，并且其中，腹板薄得足以使所述腹板在熱交換裝置的使用期間由軸向熱膨脹力打破。

在另一方面中，外殼體具有軸向延伸外殼體壁，所述軸向延伸外殼體壁包圍第一軸向間隙，并且其中，外殼體壁與內(nèi)殼體壁隔開，使得外部連接通道包括環(huán)形空間。外殼體可具有：第一端，所述第一端密封地固定到內(nèi)殼體壁的第一部分的外表面；及第二端，所述第二端密封地固定到內(nèi)殼體壁的第二部分的外表面。

在另一方面中，第二熱交換器區(qū)段包括同心管式熱交換器。同心管式熱交換器可包括：(a)軸向延伸中間管，所述軸向延伸中間管至少部分收納在內(nèi)殼體壁的第一部分內(nèi)并且與內(nèi)殼體壁的所述第一部分隔開使得在內(nèi)殼體壁與中間管之間提供環(huán)形空間，其中，外環(huán)形空間包括第二流體流道的一部分并且位于第二流體入口與第二熱交換器區(qū)段中穿過內(nèi)殼體的至少一個(gè)孔口之間，第二流體從第二熱交換器區(qū)段流動(dòng)穿過所述孔口到外部連接通道中；(b)軸向延伸內(nèi)管，所述軸向延伸內(nèi)管收納在中間管內(nèi)并且與所述中間管隔開使得在內(nèi)管與中間管之間提供內(nèi)環(huán)形空間，其中，內(nèi)環(huán)形空間包括第一流體流道的一部分并且位于內(nèi)部連接通道與第一流體出口之間。所述內(nèi)管的至少一端可封閉以便阻止穿過所述端的流體流動(dòng)。

在另一方面中，同心管式熱交換器的外環(huán)形空間可具有封閉端，并且第二流體入口可提供在內(nèi)殼體中。并且，供第二流體從第二熱交換器區(qū)段流動(dòng)而到外部連接通道所穿過的至少一個(gè)孔口可包括穿過內(nèi)殼體的多個(gè)間隔開的孔口。

在另一方面中，第一熱交換器區(qū)段可包括殼管式熱交換器。所述殼管式熱交換器可包括：(a)第一多個(gè)軸向延伸的間隔開的管，所述管圍封在內(nèi)殼體內(nèi)，所述第一多個(gè)管中的每一個(gè)管均具有第一端、第二端和中空內(nèi)部，所述第一端和第二端為開放的；其中，第一多個(gè)管的中空內(nèi)部一起限定第一流體流道的一部分；(b)第一集管，所述第一集管具有使第一多個(gè)管的第一端以密封嚙合狀態(tài)收納在其中的穿孔，其中，第一集管具有外周邊邊緣，所述外周邊邊緣密封地固定到內(nèi)殼體壁；(c)第二集管，所述第二集管具有使第一多個(gè)管的第二端以密封嚙合狀態(tài)收納在其中的穿孔，其中，第二集管具有外周邊邊緣，所述外周邊邊緣密封地固定到內(nèi)殼體壁，其中，由內(nèi)殼體及第一集管和第二集管圍封的空間限定第二流體流道的一部分；其中，第一集管附接到內(nèi)殼體的第一部分，并且第二集管附接到內(nèi)殼體的第二部分，使得內(nèi)殼體壁的第一部分與第二部分之間的第一軸向間隙提供外部連接通道與由內(nèi)殼體及第一集管和第二集管圍封的空間之間的連通。

殼管式熱交換器的第二流體出口可包括穿過內(nèi)殼體壁的孔口并且位于第一集管與第二集管之間，其中，第一集管和第二流體出口接近于內(nèi)殼體的第一端定位。

在另一方面中，第一熱交換器區(qū)段可進(jìn)一步包括第一擋板，所述第一擋板橫跨由內(nèi)殼體及第一集管和第二集管圍封的空間延伸并且將所述空間劃分成第一部分和第二部分。第一擋板可具有：外周邊邊緣，所述外周邊邊緣靠近或接觸內(nèi)殼體壁；多個(gè)穿孔，所述第一多個(gè)管穿過所述穿孔延伸；及孔口，所述孔口提供所述空間的第一部分與第二部分之間的連通。第一擋板的外周邊邊緣可密封地固定到內(nèi)殼體壁。第一擋板可包括扁平環(huán)形板，所述扁平環(huán)形板跨由內(nèi)殼體及第一集管和第二集管圍封的空間橫向延伸，其中，穿過第一擋板的孔口定位于第一擋板的中心部分，并且其中，第一擋板位于第一集管與第二集管之間的近似中間位置。

在另一方面中，第二流體出口可位于殼管式熱交換器中所述空間的第一部分中，并且第一熱交換器區(qū)段可進(jìn)一步包括第二擋板，所述第二擋板具有軸向延伸管狀側(cè)壁，所述軸向延伸管狀側(cè)壁具有中空內(nèi)部并且在兩端開放；其中，第二擋板位于所述空間的第一部分內(nèi)并且在第一擋板與第一集管之間軸向延伸；其中，第二擋板的一端緊靠第一擋板，同時(shí)第二擋板的管狀側(cè)壁包圍第一擋板的孔口，使得第一擋板的孔口與第二擋板的管狀側(cè)壁的中空內(nèi)部連通；并且其中，第二擋板的管狀側(cè)壁具有至少一個(gè)孔口，所述孔口提供第二擋板的中空內(nèi)部與第二流體出口之間的連通。在第二擋板的管狀側(cè)壁中的至少一個(gè)孔口背向限定第二流體出口的孔口，并且在第二擋板的管狀側(cè)壁中的孔口可與限定第二流體出口的孔口有角度地隔開約180度。此外，在第二擋板的管狀側(cè)壁中的孔口可包括軸向延伸狹槽，所述軸向延伸狹槽可(例如)從第二擋板的一端延伸到另一端。

在另一方面中，熱交換裝置包括蒸汽發(fā)生器，其中，第一流體為熱尾氣，并且第二流體為液體水和蒸汽。

在另一方面中，第二熱交換器區(qū)段包括第二殼管式熱交換器，所述第二殼管式熱交換器包括：(a)第二多個(gè)軸向延伸的間隔開的管，所述管圍封在內(nèi)殼體內(nèi)，所述第二多個(gè)管中的每一個(gè)管具有第一端、第二端和中空內(nèi)部，第一端和第二端為開放的；其中，第二多個(gè)管的中空內(nèi)部一起限定第一流體流道的一部分；(b)第三集管，所述第三集管具有使第二多個(gè)管的第一端以密封嚙合狀態(tài)收納在其中的穿孔，其中，第三集管具有外周邊邊緣，所述外周邊邊緣密封地固定到內(nèi)殼體壁；(c)第四集管，所述第四集管具有使第二多個(gè)管的第二端以密封嚙合狀態(tài)收納在其中的穿孔，其中，第二集管具有外周邊邊緣，所述外周邊邊緣密封地固定到內(nèi)殼體壁，其中，由內(nèi)殼體及第三集管和第四集管圍封的空間限定第二流體流道的一部分；(d)第二流體入口，所述第二流體入口與第二流體流道的第二部分流體連通；及(e)第二流體出口，所述第二流體出口與第二流體流道的第二部分流體連通。

在另一方面中，第二殼管式熱交換器的第三集管附接到內(nèi)殼體壁的第一部分。并且，內(nèi)殼體壁可包括第三部分，第四集管附接到所述第三部分；第二軸向間隙提供在內(nèi)殼體壁的第一部分與第三部分之間；并且第二軸向間隙提供由內(nèi)殼體及第三集管和第四集管圍封的空間與外部連接通道之間的連通。

在另一方面中，內(nèi)殼體壁的第一部分和第三部分由所述第二軸向間隙完全間隔，但在所述裝置的首次使用之前，內(nèi)殼體壁的第一部分和第三部分通過多個(gè)腹板接合在一起，每一個(gè)腹板均跨越第二軸向間隙；其中，腹板具有充足厚度和硬度，使得所述腹板在熱交換裝置的制造期間將內(nèi)殼體壁的第一部分和第三部分保持在一起，并且其中，腹板薄得足以使所述腹板在熱交換裝置的使用期間由軸向熱膨脹力打破。

在另一方面中，熱交換裝置可進(jìn)一步包括催化劑床，所述催化劑床被圍封在內(nèi)殼體壁的第一部分內(nèi)并且位于內(nèi)連接通道中。熱交換裝置可包括(例如)水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，其中，第一流體為熱合成氣體，并且第二流體為空氣。

在另一方面中，第二殼體設(shè)置有軸向可擴(kuò)展波紋。

在另一方面中，第一熱交換器區(qū)段包括：(a)單熱交換管，所述單熱交換管具有第一端、第二端和中空內(nèi)部，所述第一端和第二端為開放的；其中，熱交換管的中空內(nèi)部限定第一流體流道的一部分；(b)第一集管，所述第一集管具有使熱交換管的第一端以密封嚙合狀態(tài)收納在其中的穿孔，其中，第一集管具有外周邊邊緣，所述外周邊邊緣密封地固定到內(nèi)殼體壁；(c)第二集管，所述第二集管具有使熱交換管的第二端以密封嚙合狀態(tài)收納在其中的穿孔，其中，第二集管具有外周邊邊緣，所述外周邊邊緣密封地固定到內(nèi)殼體壁，其中，由內(nèi)殼體及第一集管和第二集管圍封的空間限定第二流體流道的一部分；其中，第一集管附接到內(nèi)殼體的第一部分，并且第二集管附接到內(nèi)殼體的第二部分，使得內(nèi)殼體壁的第一部分與第二部分之間的第一軸向間隙提供外部連接通道與由內(nèi)殼體及第一集管和第二集管圍封的空間之間的連通。舉例來說，熱交換管可包括波紋管壁。

在另一方面中，第一熱交換器區(qū)段可包括同心管式熱交換器，所述同心管式熱交換器包括：(a)軸向延伸中間管，所述軸向延伸中間管收納在內(nèi)殼體壁內(nèi)并且與所述內(nèi)殼體壁隔開，使得在內(nèi)殼體壁與中間管之間提供外環(huán)形空間，其中，所述外環(huán)形空間包括第二流體流道的一部分；(b)軸向延伸內(nèi)管，所述軸向延伸內(nèi)管收納在中間管內(nèi)并且與所述中間管隔開，使得在內(nèi)管與中間管之間提供內(nèi)環(huán)形空間，其中，所述內(nèi)環(huán)形空間包括第一流體流道的一部分。舉例來說，中間管可具有膨脹端，所述膨脹端密封地固定到內(nèi)殼體，并且其中，外環(huán)形空間通過所述軸向間隙與第二流體出口連通并且與外部連接通道連通。并且，中間管可設(shè)置有波紋以準(zhǔn)許中間管的軸向膨脹。

附圖說明

現(xiàn)在將僅借助于實(shí)例參考附圖描述本發(fā)明，在附圖中：

圖1為沿圖2的線1-1的軸向橫截面，圖示根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的熱交換器；

圖1a和圖1b分別是圖1中的兩個(gè)部分的局部放大圖；

圖2為從熱交換器的出口端獲取的所述熱交換器的正視圖；

圖3a為沿圖1的線3-3'的所述熱交換器的橫向橫截面；

圖3b圖示所述熱交換器的一個(gè)殼體的一分段，示出了一對(duì)擋扳；

圖4為所述熱交換器的透視圖；

圖5a圖示所述熱交換器的一個(gè)殼體的一分段；

圖5b和圖5c為特寫圖，示出了圖5a的殼體分段中的替代腹板配置；

圖6和圖7為沿線1-1的部分橫截面圖，圖示了第一實(shí)施例的熱交換器如何適應(yīng)不同熱膨脹；

圖8和圖9為透視圖，示出了容納管的殼體的一部分，再次圖示不同熱膨脹；

圖10為根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的熱交換器的軸向橫截面；

圖11為根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的蒸汽發(fā)生器的軸向橫截面；

圖12為圖11的蒸汽發(fā)生器的第一熱交換器區(qū)段的單管與兩個(gè)集管的分離視圖；

圖12a圖示用于圖11和圖12的蒸汽發(fā)生器的擋扳配置；

圖13為根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的蒸汽發(fā)生器的軸向橫截面；

圖14為沿圖13的線14-14的橫截面；以及

圖15為圖13的蒸汽發(fā)生器的變型的放大部分軸向橫截面。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在參考圖1至圖9在下文描述根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的熱交換裝置10。

術(shù)語(如“上游”、“下游”、“入口”和“出口”)用于以下描述中來協(xié)助描述在圖式中示出的實(shí)施例。然而，應(yīng)了解，這些術(shù)語僅為便利性而使用，并且并不限制穿過本文所描述的熱交換器的流體流動(dòng)的方向。實(shí)際上，應(yīng)理解，流動(dòng)穿過熱交換器的一個(gè)或兩個(gè)流體的流動(dòng)方向可顛倒(在此類流動(dòng)反向?yàn)橛欣那闆r下)。

熱交換裝置10為蒸汽發(fā)生器或組合的蒸汽發(fā)生器與催化轉(zhuǎn)化器，其中來自熱廢氣(尾氣)的熱用于將液體水轉(zhuǎn)化成過熱蒸汽。蒸汽發(fā)生器10一般包括兩個(gè)熱交換器區(qū)段：包括殼管式熱交換器的第一熱交換器區(qū)段12和包括同軸同心管式熱交換器的第二熱交換器區(qū)段14。在使用時(shí)，出于以下將變得顯而易見的原因，裝置10可如圖1中示出而定向，其中第二熱交換器區(qū)段14在第一熱交換器區(qū)段12上方。

殼管式熱交換器12包含多個(gè)軸向延伸的間隔開的管16，所述管布置在管束中，其中管16彼此呈平行隔開關(guān)系并且所述管的末端對(duì)齊。盡管對(duì)于本發(fā)明并不是必需的，但管束可具有如根據(jù)圖3、圖8和圖9顯而易見的大致圓柱形形狀。每一個(gè)管16為圓柱形并且具有第一(上游)端18、第二(下游)端20和中空內(nèi)部。第一端18和第二端20為開放的，同時(shí)管16的中空內(nèi)部一起限定第一流體流道22的第一部分。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，第一流體為熱廢氣或尾氣，并且因此第一流體流道22的第一部分有時(shí)在本文中被稱作“上游尾氣通道22”。如可從圖1看出，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器10的尾氣流動(dòng)到管16的第一端18中，穿過管16的中空內(nèi)部并且通過第二端20離開管16。

蒸汽發(fā)生器10還包含第一流體入口24，有時(shí)在本文中被稱作“尾氣入口24”。尾氣入口24不僅充當(dāng)允許尾氣進(jìn)入上游尾氣通道22中的入口，并且充當(dāng)尾氣從外部來源(未示出)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器10的入口。因此，尾氣入口24設(shè)置有尾氣入口配件25，通過所述尾氣入口配件從外部來源接收尾氣。尾氣入口24與多個(gè)管16的第一端18流體連通。如圖1中所示出，入口歧管空間26可提供在第一流體入口24與管16的第一端18之間。

蒸汽發(fā)生器10進(jìn)一步包括第一殼體28(有時(shí)在本文中被稱作“內(nèi)殼體”)，所述第一殼體具有軸向延伸的第一殼體壁30(有時(shí)在本文中被稱作“內(nèi)殼體壁”)，所述第一殼體壁包圍多個(gè)管16。在這個(gè)實(shí)施例中，第一殼體壁30延伸貫穿第一熱交換器區(qū)段12并且貫穿第二熱交換器區(qū)段14的至少一部分。盡管對(duì)于本發(fā)明并不是基本的，但第一殼體壁30可具有圓柱形形狀。

在圖示中示出第一殼體28的構(gòu)造的某些細(xì)節(jié)。在此方面，第一殼體28可由端與端接合在一起的兩個(gè)或兩個(gè)以上分段構(gòu)造。舉例來說，在圖1中示出的實(shí)施例中，第一殼體28包括：端蓋區(qū)段32，所述端蓋區(qū)段包含其中提供有第一流體入口24的封閉端壁34；中間區(qū)段36，所述中間區(qū)段在圖5a中獨(dú)立地示出并且下文參考圖5a至圖5c進(jìn)一步論述；及末端區(qū)段38，所述末端區(qū)段形成第二熱交換器區(qū)段14的一部分。應(yīng)理解，雖然這種類型的殼體構(gòu)造在這個(gè)實(shí)施例中有用，但所述構(gòu)造為任選的構(gòu)造，對(duì)于本發(fā)明并不是必需的。

蒸汽發(fā)生器10進(jìn)一步包括一對(duì)集管，即接近于管16的第一端18定位的第一(上游)集管40和接近于管16的第二端20定位的第二(下游)集管42。集管40、42各設(shè)置有多個(gè)穿孔44(如圖3中所示出)，管16的第一端18和第二端20分別收納在所述穿孔中。如圖1中所示出，管16的端18、20可完全穿過集管40、42的穿孔44延伸，并且通過任何適宜的手段與集管40、42密封并剛性地固定到集管40、42。舉例來說，在管16和集管40、42由金屬制成的情況下，所述管和集管可通過釬焊或焊接固定在一起。

每一個(gè)集管40、42具有外周邊邊緣46，所述集管在所述外周邊邊緣處密封并固定到第一殼體壁30。因此，集管40、42具有用于附接到第一殼體壁30的圓形形狀。從圖式可見，第一殼體壁30及第一集管40和第二集管42一起限定第二流體流道50的第二部分。在本實(shí)施例中包括蒸汽及/或液體水的第二流體流動(dòng)穿過接觸第一多個(gè)管16的外表面的流道50。因此，第二流體流道50的第二部分有時(shí)在本文中被稱作“下游蒸汽通道22”。下游蒸汽通道可設(shè)置有至少一個(gè)擋板(描述如下)以產(chǎn)生用于流動(dòng)穿過通道22的蒸汽的迂曲路徑，從而延長(zhǎng)流動(dòng)路徑并促進(jìn)從尾氣到蒸汽的熱傳遞。

在所圖示的實(shí)施例中，第一殼體28的三個(gè)區(qū)段32、36、38通過集管40、42接合在一起。在此方面，每一個(gè)集管具有外周邊邊緣46，所述外周邊邊緣設(shè)置有軸向延伸周邊壁48，其中，壁48收納并搭疊于構(gòu)成第一殼體28的區(qū)段中的兩個(gè)。更具體來說，第一集管40連接端蓋區(qū)段32和中間區(qū)段36的一端，而第二集管42連接中間區(qū)段36的相對(duì)另一端與末端區(qū)段38。集管40、42的周邊壁48通過搭接接頭接合到殼體區(qū)段32、36和38，所述搭接接頭可通過釬焊或焊接形成。如上文已闡釋，殼體28的所述多區(qū)段構(gòu)造為任選的，如同用以連接區(qū)段32、36、38的集管40、42的使用一樣。應(yīng)了解，存在構(gòu)造蒸汽發(fā)生器10的眾多其它方式。舉例來說，第一殼體28可為集管40、42的周邊邊緣46附接并密封到第一殼體壁30的內(nèi)表面的整體構(gòu)造。然而，在這個(gè)特定實(shí)施例中，圖式中示出的分段構(gòu)造提供裝配簡(jiǎn)易性并且確保集管40、42的恰當(dāng)對(duì)齊和密封。

殼管式熱交換器12還設(shè)置有入口和出口開口以允許第二流體(即蒸汽)進(jìn)入和離開第二流體流道50。在此方面，第二流體入口52(在本文中也被稱作“蒸汽入口52”)和第二流體出口(在本文中也被稱作“過熱蒸汽出口54”)提供在第一殼體壁30中，與下游蒸汽通道50的內(nèi)部流體連通。因?yàn)槲矚夂驼羝舜四媪?，所以蒸汽入?2(以下進(jìn)一步描述)接近于第二集管42定位，而過熱蒸汽出口54接近于第一集管40定位。過熱蒸汽出口54不僅充當(dāng)允許蒸汽從下游蒸汽通道50排放的出口，并且充當(dāng)蒸汽以過熱形式離開蒸汽發(fā)生器10以供在外部系統(tǒng)構(gòu)件(未示出)中使用的出口。因此，過熱蒸汽出口54設(shè)置有蒸汽出口配件56，過熱蒸汽通過蒸汽出口配件排放到外部系統(tǒng)構(gòu)件。

如上所提及，蒸汽入口52提供在第一殼體壁30中，并且在圖1至圖9中示出的實(shí)施例中，所述蒸汽入口包括在第一殼體壁30整個(gè)外周或基本上整個(gè)外周周圍延伸并且將殼體壁30分隔成第一部分60和第二部分62的狹槽或間隙58。在圖1中示出的實(shí)施例中，第一殼體壁30的第一部分60包含間隙58下方(相對(duì)于尾氣流動(dòng)方向的下游)的殼體壁30的部分，而第二部分包括間隙58上方(相對(duì)于尾氣流動(dòng)方向的上游)的殼體壁30的部分。因此，殼體壁30的第一部分60與殼體壁30的第二部分62軸向隔開。因此間隙58有時(shí)在本文中被稱作“第一軸向空間”。在圖1至圖9中示出的實(shí)施例中，間隙58充當(dāng)進(jìn)入到下游蒸汽通道50中的蒸汽入口52，但應(yīng)了解，間隙58可改為充當(dāng)出口，其中蒸汽的流動(dòng)方向與圖1中示出的相反。

圖5a示出在裝置10的裝配之前獨(dú)立的第一殼體壁30的中間區(qū)段36。中間區(qū)段36包括末端開放的圓柱形管，所述管具有用于過熱蒸汽出口54的開口并且還具有構(gòu)成蒸汽入口52及間隙58的沿圓周延伸的狹槽。如所示出，間隙58及過熱蒸汽出口54靠近中間殼體區(qū)段36的相對(duì)的兩端定位，由此在第二流體流道50的入口52與出口54之間提供所需間距。因此，在裝配的蒸汽發(fā)生器10中，間隙58接近于第二集管42定位，而過熱蒸汽出口54接近于第一集管40提供。

如圖5a中所示出，第一殼體壁30的中間區(qū)段36設(shè)置有跨間隙58軸向延伸的多個(gè)腹板64以便為第一殼體壁30的中間區(qū)段36提供整體結(jié)構(gòu)。并且，在圖1中所示出的裝配的蒸汽發(fā)生器10中，腹板64提供第一殼體壁30的第一部分60與第二部分62之間的連接。腹板64具有充足厚度和硬度，使得所述腹板將第一部分60和第二部分62保持在一起以在制造過程期間有助于裝配蒸汽發(fā)生器10。然而，腹板64薄得足以使所述腹板不會(huì)顯著減損到第一殼體28中或出自第一殼體28的第二流體的流量，并且此類間隙58為基本上連續(xù)的。

在圖5b中所示出的實(shí)施例中，腹板64薄得足以使所述腹板在蒸汽發(fā)生器10的使用期間通過多個(gè)管16的軸向熱膨脹力而被打破。在圖5b中所示出的替代實(shí)施例中，第一殼體壁30的中間區(qū)段36設(shè)置有腹板64，所述腹板具有肋狀物或波紋65，所述肋狀物或波紋為腹板64提供響應(yīng)于第一殼體壁30的中間區(qū)段36的軸向熱膨脹而在軸向方向上擴(kuò)展和收縮的能力。因此，不論腹板64是可打破的還是可擴(kuò)展的，所述腹板都可為殼體壁30提供順應(yīng)性，從而準(zhǔn)許集管“浮動(dòng)”并且由此避免由不同熱膨脹的軸向力引起的對(duì)熱交換器的損害。

如上所提及，可提供一或多個(gè)擋板來產(chǎn)生用于蒸汽流動(dòng)穿過通道22的迂曲路徑。在圖1、圖3a和圖3b中圖示并且現(xiàn)在下文描述擋扳配置的實(shí)例。擋扳配置包含第一擋板94，所述第一擋板如圖1所示出包括跨穿過通道22的蒸汽流動(dòng)的方向橫向延伸的平板并且位于蒸汽入口52(即狹槽58)與蒸汽出口54之間。第一擋板94具有外周邊邊緣，所述外周邊邊緣靠近或接觸第一殼體28的內(nèi)表面定位，以阻止圍繞擋板94的大體旁路流量。第一擋板的外周邊邊緣可密封地固定到內(nèi)殼體壁。第一擋板94的外環(huán)形部分設(shè)置有孔洞112，所述孔洞的尺寸為可緊密容納管16。第一擋板94的外部分包圍開口113，所述開口可居中位于擋板94中，并且基本上所有蒸汽穿過所述開口在蒸汽入口52與蒸汽出口54之間流動(dòng)。

擋扳配置還包含第二擋板95(僅在圖3a和圖3b中示出)，其從第一擋板94直立并且從第一擋板94沿朝向第一集管40的蒸汽流動(dòng)方向(即朝上)延伸。第二擋板95包括軸向延伸管狀側(cè)壁，所述軸向延伸管狀側(cè)壁在兩端都為開放的并且具有中空內(nèi)部。第二擋板95的一端緊靠第一擋板并且定位在第一擋板94的中心開口113上方，其中管狀側(cè)壁包圍中心開口113。因此，第一擋板94的中心開口113與管狀側(cè)壁的中空內(nèi)部連通，使得第二擋板95接納流動(dòng)穿過開口113的蒸汽。

第二擋板95在管狀側(cè)壁中具有至少一個(gè)孔口97，所述孔口提供第二擋板95的中空內(nèi)部與蒸汽出口54之間的連通。在此方面，孔口97可背向蒸汽出口54，使得離開孔口97的蒸汽必須圍繞第二擋板95的管狀側(cè)壁流動(dòng)而到達(dá)蒸汽出口54。如所示出，孔口97可與蒸汽出口54成角度地隔開約180度，使得孔口97完全背向蒸汽出口。在圖式中所示出的實(shí)施例中，孔口97包括軸向延伸狹槽，所述軸向延伸狹槽可貫穿第二擋板95的高度從一端延伸到另一端。然而，應(yīng)了解管狀側(cè)壁可設(shè)置有一個(gè)或多個(gè)所述孔口97，并且所述孔口可包括離散開口或孔洞而不是細(xì)長(zhǎng)狹槽。此外，孔洞不需要彼此軸向?qū)R，但可圍繞擋扳95的管狀側(cè)壁的外周隔開。

可見，包含擋扳94和擋板95的擋扳配置產(chǎn)生用于流動(dòng)穿過通道22的蒸汽的迂曲路徑，從而延長(zhǎng)流動(dòng)路徑并促進(jìn)從尾氣到蒸汽的熱傳遞。在圖式中所示出的實(shí)施例中，擋板94的中心開口113為圓形，并且第二擋板95具有基本上圓柱形的“c”形狀。應(yīng)了解，其它形狀可用于開口113和擋板95。

蒸汽發(fā)生器10還包含第二殼體66(有時(shí)在本文中被稱作“外殼體”)，所述第二殼體具有軸向延伸第二殼體壁68(有時(shí)在本文中被稱作“外殼體壁68”)，所述第二殼體壁沿第一殼體28的長(zhǎng)度的至少一部分延伸。第二殼體66包圍第一殼體28的一部分，間隙58位于所述部分中，并且所述第二殼體具有大于第一殼體28的直徑，使得第二殼體壁68與第一殼體壁30徑向朝外隔開。這個(gè)徑向間距提供通過間隙58與下游蒸汽通道50流體連通的環(huán)形歧管空間70(在本文中也被稱作“外部流道”)。

因?yàn)榈诙んw66提供覆蓋間隙58的歧管空間70，所以第二殼體在其末端72處密封到第一殼體壁30的外表面。在此方面，第二殼體壁66在其末端72處直徑減小，從而在軸向延伸套管74中收端，所述套管通過釬焊或焊接密封到第一殼體壁30。如圖1中所示出，套管74中的一個(gè)連接至第一殼體28的第一部分60，而相對(duì)端72處的套管74連接至第一殼體的第二部分62并且定位在第一殼體壁30上間隙58與過熱蒸汽出口54之間。蒸汽發(fā)生器10的第二殼體壁66具有朝向軸向套管74朝內(nèi)傾斜的端部。響應(yīng)于管16和第一殼體壁30的熱膨脹和收縮，朝內(nèi)傾斜端是在某種程度上順應(yīng)的并且適應(yīng)第二殼體壁66的軸向膨脹和收縮。第二殼體壁66可改為設(shè)置有沿圓周波紋或“伸縮紋(bellow)”而不是傾斜端部分來適應(yīng)熱膨脹。這些波紋的形式可類似于圖10中所示出的實(shí)施例中的波紋肋狀物204。

如上所提及，熱交換裝置10進(jìn)一步包括第二熱交換器區(qū)段14，所述第二熱交換器區(qū)段與第一熱交換器區(qū)段12串聯(lián)布置。在本文中也被稱作“鍋爐14”的第二熱交換器區(qū)段14包含第一流體流道76(在本文中也被稱作“下游尾氣通道76”)的第二部分，所述第二部分從上游尾氣通道22接收尾氣。第二熱交換器區(qū)段14還包含第二流體流道78(在本文中也被稱作“上游水/蒸汽通道78”)的第一部分，液體水在所述第一部分中轉(zhuǎn)化成隨后流向下游蒸汽通道50的蒸汽。

蒸汽發(fā)生器10的第二熱交換器區(qū)段14呈同心管式熱交換器的形式，其中第一殼體壁30的第一部分60形成最外管層。同心管式熱交換器14進(jìn)一步包括軸向延伸中間管80，所述軸向延伸中間管至少部分地收納在第一殼體壁30的第一部分60內(nèi)。

在圖式中所示出的實(shí)施例中，中間管80具有：第一端82，所述第一端收納在第一殼體壁30內(nèi)部緊挨著第一熱交換器區(qū)段12；及第二端84，所述第二端伸出超過第一殼體28的末端并以端壁86收端，在所述端壁中提供第一流體出口85(在本文中也被稱作“尾氣出口”)。尾氣出口85不僅充當(dāng)允許從下游尾氣通道76排放尾氣的出口，并且充當(dāng)尾氣相對(duì)于入口24處的溫度以冷卻形式離開蒸汽發(fā)生器10用于排氣或供用于外部系統(tǒng)構(gòu)件(未示出)所穿過的出口。因此，尾氣出口85設(shè)置有尾氣出口配件88，通過所述尾氣出口配件從蒸汽發(fā)生器10排放冷卻尾氣。

應(yīng)了解，在中間管80的伸出超過第一殼體28的末端的部分中基本上不存在熱交換。實(shí)際上，這個(gè)伸出部分起到提供出口歧管空間90以用于通過出口85從蒸汽發(fā)生器10排放的尾氣的功能。

可見，上游水/蒸汽通道78限定在第一殼體壁30與中間管80之間的外環(huán)形空間91內(nèi)，并且在其末端處(例如)通過環(huán)形密封環(huán)92封閉，所述環(huán)形密封環(huán)填充環(huán)形空間91并提供用于第一殼體28與中間管80之間的連接的手段。盡管第一殼體28與中間管80之間的空間的末端由環(huán)形環(huán)92密封，但應(yīng)了解，這并不是必需的。實(shí)際上，第一殼體28的直徑可減小，且/或中間管80的直徑可增大以提供連接第一殼體28與中間管80的點(diǎn)。

同心管式熱交換器14進(jìn)一步包括軸向延伸內(nèi)管96，所述軸向延伸內(nèi)管為在一個(gè)或兩個(gè)端處封閉的“盲管”并且收納在中間管80內(nèi)，其中下游尾氣通道76限定在內(nèi)管96與中間管80之間的內(nèi)環(huán)形空間98內(nèi)。內(nèi)環(huán)形空間98在其末端處開放以準(zhǔn)許尾氣穿過所述內(nèi)環(huán)形空間從內(nèi)環(huán)形空間98到歧管空間90中和朝向出口85的流動(dòng)。

同心管式熱交換器14還包括第一流體入口100(在本文中也被稱作“尾氣入口100”)，從殼管式熱交換器12排放的尾氣穿過所述第一流體入口進(jìn)入熱交換器14。尾氣入口100包括在管16的第二端20與內(nèi)環(huán)形空間98的一端之間的歧管空間。在這個(gè)尾氣入口/歧管空間100內(nèi)，第一殼體28可設(shè)置有一或多個(gè)沿圓周延伸波紋108，下文將描述所述沿圓周延伸波紋的用途和功能。

第二流體入口102(在本文中也被稱作“水入口102”)提供在第一殼體壁30中并且與外環(huán)形空間91流體連通。水入口102不僅充當(dāng)允許液體水進(jìn)入上游水/蒸汽通道78中的入口，并且充當(dāng)液體水從外部來源(未示出)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器10的所穿過的入口。因此，水入口102設(shè)置有水入口配件104，通過所述水入口配件從外部來源接收液體水。

第二流體出口106(在本文中也被稱作“蒸汽出口106”)提供在第一殼體壁30中，并且與外環(huán)形空間91流體連通。在圖式中所示出的蒸汽發(fā)生器10中，蒸汽出口106包括一或多個(gè)孔口，所述孔口形成在第一殼體28中緊挨著外環(huán)形空間91的封閉端中的一個(gè)。這些孔口提供蒸汽從外環(huán)形空間91朝向下游蒸汽通道50流出的手段。

水入口102從外部來源(未示出)接收液體水并且供應(yīng)液體水到上游水/蒸汽通道78。通道78充當(dāng)液體水在其內(nèi)由流動(dòng)穿過下游尾氣通道76的尾氣加熱的空間。在通道78內(nèi)將液體水加熱至沸騰并且轉(zhuǎn)化成蒸汽。因此，通道78的下部充當(dāng)具有相對(duì)較小體積的儲(chǔ)水槽，圖1中示出大致水位101。因此，在使用時(shí)，裝置10定向?yàn)槭顾肟?02在蒸汽出口106下方。舉例來說，如圖1中所示出，裝置10可具有基本上垂直的定向。在環(huán)形通道78中的液體水的體積較小并且為裝置10提供高響應(yīng)度，意味著響應(yīng)于穿過下游尾氣通道76的熱尾氣的流動(dòng)極快地產(chǎn)生蒸汽。

在裝置10的操作期間，上游水/蒸汽通道78中的水位101可存在一定波動(dòng)。為了優(yōu)化鍋爐14的快速響應(yīng)，需要將水流維持在靠近水位101并且低于蒸汽出口106。裝置10可設(shè)置有控制鍋爐14中的水位101的構(gòu)件。舉例來說，裝置10可設(shè)置有示意性地在圖1中示出的控制系統(tǒng)，所述控制系統(tǒng)包含用以監(jiān)測(cè)離開鍋爐14的蒸汽的溫度的熱電偶107、用以控制從水源114流動(dòng)到鍋爐14的水入口102的水流的閥門109和從熱電偶107接收溫度信息并控制閥門109的操作的電子控制器111。熱電偶107可位于由第二殼體66圍封的歧管空間70中。在由熱電偶107感測(cè)的蒸汽溫度過低的情況下，控制器111將部分或完全封閉閥門來減少到鍋爐14中的水流并阻止水位101的過度上升。另一方面，在由熱電偶107感測(cè)的蒸汽溫度過高的情況下，控制器111將部分或完全地打開閥門109以增加到鍋爐14中的水流并阻止水位101的過度下降。

如圖1中所示出，第二殼體66還包圍第一殼體28的一部分，蒸汽出口106形成在所述部分中以提供外環(huán)形空間91與環(huán)形歧管空間70之間的流體連通。一旦蒸汽進(jìn)入歧管空間70，蒸汽就能夠穿過間隙58流入下游蒸汽通道50中。為阻止水在第二殼體66的底部中匯集，第二殼體66的下端緊挨在構(gòu)成蒸汽出口106的孔口下方定位。

為優(yōu)化鍋爐14中熱尾氣與水/蒸汽之間的熱傳遞，下游尾氣通道76和上游水/蒸汽通道78中的一者或兩者可設(shè)置有呈波紋翅片形式的湍流促進(jìn)插入物或湍流增強(qiáng)器以在環(huán)形通道76、78中產(chǎn)生湍流并且由此改進(jìn)熱傳遞。下游尾氣通道76中的湍流促進(jìn)插入物在圖1中用參考數(shù)字103標(biāo)識(shí)，并且上游水/蒸汽通道78中的湍流促進(jìn)插入物用參考數(shù)字105標(biāo)識(shí)。湍流促進(jìn)插入物103呈薄片形式，所述薄片圍繞內(nèi)管96纏繞，其中構(gòu)成插入物103的波紋的頂部和底部與內(nèi)管96和中間管80接觸。類似地，湍流促進(jìn)插入物105成薄片形式，所述薄片圍繞中間管80纏繞并且與中間管80和第一殼體壁30接觸。

湍流促進(jìn)插入物103、105可包括簡(jiǎn)單波紋翅片，或可包括第re.35,890號(hào)美國專利(so)和第6，273，183號(hào)美國專利(so等人)中所描述類型的偏移或矛狀(lanced)條形翅片。授予so以及so等人的專利全文以引用的方式并入本文中。插入物103、105收納在相應(yīng)通道76、78內(nèi)，使得插入物103、105的低壓降方向(即流體碰撞波紋的前邊緣)平行于通道76和通道78中的氣流方向定向。通過該定向的插入物103、105，存在沿流動(dòng)方向的相對(duì)低的壓降。在圖14中示出且下文進(jìn)一步論述低壓降定向。應(yīng)了解，在一些實(shí)施例中，高壓降定向可為優(yōu)選的。在高壓降定向中，流體碰撞波紋的側(cè)部。

在湍流促進(jìn)插入物103、105存在于通道76、78中的情況下，可貫穿通道76、78的整個(gè)長(zhǎng)度提供所述插入物，或可僅在通道76、78的插入物在其中將具有最有益效果的那些部分中提供所述插入物。在此方面，下游尾氣通道76中的湍流促進(jìn)插入物103將至少提供在通道76的下部中低于水位101處，以在熱從尾氣傳遞到通道78中的液體水的通道76的區(qū)域中在尾氣中產(chǎn)生湍流。上游水/蒸汽通道78中的湍流促進(jìn)插入物105將至少提供在通道78的上部中高于水位101處，以在熱從尾氣傳遞到蒸汽的通道78的區(qū)域中在蒸汽中產(chǎn)生湍流。應(yīng)了解，湍流促進(jìn)插入物103、105的結(jié)構(gòu)、定向和位置由多個(gè)因素指示，所述因素包含所需熱傳遞量和鍋爐14內(nèi)的可接受壓降量。

為適應(yīng)管96、80和30的不同熱膨脹并由此將鍋爐14內(nèi)的熱應(yīng)力降至最低，插入物103、105的波紋的頂部及/或底部可保持不與其所接觸的管的表面結(jié)合。

管96、80和30中的一個(gè)或多個(gè)可設(shè)置有徑向伸出肋狀物及/或凹陷(未示出)而不是具有插入到通道76、78中的呈薄片形式的湍流促進(jìn)插入物103、105，所述肋狀物及/或凹陷伸出到通道76及/或通道78中并且經(jīng)布置以在所述通道76及/或通道78中產(chǎn)生迂曲流動(dòng)路徑。

現(xiàn)在將參考圖式描述蒸汽發(fā)生器10的操作。如圖1中所示出，液體水穿過水入口102進(jìn)入蒸汽發(fā)生器10并且收集在上游水/蒸汽通道78的下部(即位于水位101以下的通道78的所述部分)中的儲(chǔ)水槽中。通道78中的液體水由朝下流動(dòng)穿過下游尾氣通道76的尾氣加熱，熱通過中間管80傳遞。液體水的加熱引起液體水至少部分轉(zhuǎn)化成蒸汽。蒸汽朝上流動(dòng)穿過通道78，流動(dòng)穿過蒸汽出口106并進(jìn)入第一殼體28與第二殼體66之間的歧管空間70。蒸汽隨后流動(dòng)穿過間隙58并到下游蒸汽通道50中，蒸汽在所述下游蒸汽通道中通過與流動(dòng)穿過管16的中空內(nèi)部的尾氣進(jìn)行熱交換而進(jìn)一步加熱。在通道50內(nèi)，熱從熱尾氣傳遞到穿過管壁的蒸汽，由此使蒸汽過熱。一旦蒸汽朝上經(jīng)過第一擋板94中的中心開口113并穿過第二擋板95中的孔口97離開擋扳結(jié)構(gòu)，那么蒸汽就會(huì)穿過過熱蒸汽出口54離開蒸汽發(fā)生器。

尾氣在相反方向(即圖1中從頂部到底部)上流動(dòng)，穿過尾氣入口24進(jìn)入蒸汽發(fā)生器10并穿過尾氣出口85離開蒸汽發(fā)生器10。流動(dòng)穿過入口24的尾氣進(jìn)入歧管空間26并且隨后進(jìn)入由管16的中空內(nèi)部限定的上游尾氣通道22。隨著尾氣朝下流動(dòng)穿過管16，熱從尾氣通過管壁傳遞到流動(dòng)穿過下游蒸汽通道50的蒸汽。尾氣隨后流出管16的第二端20并持續(xù)朝下流動(dòng)到歧管空間100中，并且尾氣自此進(jìn)入下游尾氣通道76，尾氣在所述下游尾氣通道中將額外熱傳遞到上游水/蒸汽通道78中的水及蒸汽。最后，冷卻尾氣離開通道76并流動(dòng)到歧管空間90中，隨后通過尾氣出口85從蒸汽發(fā)生器10排放。

如將了解的那樣，尾氣遠(yuǎn)比蒸汽/水更熱，并且因此直接接觸尾氣的蒸汽發(fā)生器10的那些部分一般將處于比直接接觸水/蒸汽的蒸汽發(fā)生器10的那些部分高得多的溫度下。確切地說，管16直接接觸熱尾氣，而限定下游蒸汽通道50的第一殼體28的部分直接接觸蒸汽。因此，管16可傾向于在軸向方向上擴(kuò)展比第一殼體28更大的量。如圖6中所示出，這種差異化的熱膨脹由間隙58吸收，其中間隙58隨著管在加熱時(shí)擴(kuò)展而變大(在軸向方向上)，如圖6中所示出。相反，間隙58隨著管在冷卻時(shí)收縮而變小，如圖7中所示出。間隙58的這種膨脹和收縮具有在反復(fù)加熱/冷卻循環(huán)期間降低潛在損害性熱應(yīng)力的效果。因?yàn)楣?6的第二端18通過集管42剛性地固定到殼體28的第一部分60，所以設(shè)置波紋108可準(zhǔn)許管16的膨脹/收縮由第一殼體28吸收，同樣不引起對(duì)蒸汽發(fā)生器10的構(gòu)件的過度應(yīng)力。

如將了解的那樣，進(jìn)入蒸汽發(fā)生器10的尾氣的溫度與將產(chǎn)生的蒸汽的量和溫度相關(guān)。在(例如)尾氣為來自燃料電池的陰極或陽極的廢氣的情況下，尾氣必須經(jīng)歷放熱反應(yīng)，隨后可將尾氣用于蒸汽產(chǎn)生。所述放熱反應(yīng)可為催化反應(yīng)，例如用于將尾氣中的一氧化碳轉(zhuǎn)化成二氧化碳的優(yōu)選氧化，或放熱反應(yīng)可包括尾氣中分子氫的燃燒。

放熱反應(yīng)可發(fā)生在蒸汽發(fā)生器10的上游，或放熱反應(yīng)可發(fā)生在第一熱交換器區(qū)段12內(nèi)。本文所描述的特定蒸汽發(fā)生器10被配置成通過入口24接收預(yù)熱尾氣，即已經(jīng)歷蒸汽發(fā)生器10上游的放熱反應(yīng)的尾氣。然而，可對(duì)蒸汽發(fā)生器10進(jìn)行簡(jiǎn)單修改以準(zhǔn)許放熱反應(yīng)在第一熱交換器區(qū)段12內(nèi)發(fā)生。舉例來說，在放熱反應(yīng)為例如部分氧化等催化反應(yīng)的情況下，整體催化劑可鄰近尾氣入口24放置在入口歧管空間26中，或例如翅片等催化劑涂布結(jié)構(gòu)可插入到管16中。在催化反應(yīng)需要氧氣或空氣的情況下，尾氣可在蒸汽發(fā)生器10的上游與氧氣或空氣結(jié)合，或可在第一熱交換器區(qū)段12中接近于尾氣入口24提供氧氣或空氣入口。

盡管上文描述的蒸汽發(fā)生器10使用熱尾氣來產(chǎn)生蒸汽，但情況不一定是這樣。實(shí)際上，能夠產(chǎn)生蒸汽的任何熱氣流都可在蒸汽發(fā)生器10中使用。

現(xiàn)在參考圖10描述根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的熱交換器200。

根據(jù)第二實(shí)施例的熱交換器200包括水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，在所述反應(yīng)器中同時(shí)冷卻熱合成氣體(下文為“合成氣體”)并且降低所述熱合成氣體的一氧化碳含量。水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器200可并入到燃料電池系統(tǒng)中并且可位于合成氣體發(fā)生器(例如燃料重組器)的下游，其中合成氣體由烴類燃料產(chǎn)生。合成氣體通常包括氫氣、水、一氧化碳、二氧化碳及甲烷。在用于燃料電池中之前，必須冷卻合成氣體，并且必須降低一氧化碳含量。因此合成氣體在水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器200中經(jīng)歷稍微放熱的催化反應(yīng)，從而將一氧化碳和水轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫氣。可能需要一個(gè)或多個(gè)水氣反應(yīng)器200來將一氧化碳含量及/或合成氣體的溫度降低到可接受水平。

水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器200一般包括兩個(gè)熱交換器區(qū)段：包括殼管式熱交換器的第一熱交換器區(qū)段212和包括殼管式熱交換器區(qū)段的第二熱交換器區(qū)段214。兩個(gè)熱交換器區(qū)段212和214由水氣轉(zhuǎn)換催化劑床202間隔開，催化水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)在所述水氣轉(zhuǎn)換催化劑床中發(fā)生。在反應(yīng)器200中，熱合成氣體穿過合成氣體入口24和合成氣體入口配件25在右端進(jìn)入反應(yīng)器200并且穿過合成氣體出口85和合成氣體出口配件88在左端離開反應(yīng)器200。

冷卻劑(例如空氣)相對(duì)于合成氣體的流動(dòng)方向呈逆流流動(dòng)。因此，冷卻劑在圖10中從左到右流動(dòng)，從而穿過冷卻劑入口102和冷卻劑入口配件104靠近左端進(jìn)入反應(yīng)器200并且穿過冷卻劑出口54和對(duì)應(yīng)冷卻劑出口配件(在圖10中不可見)靠近右端離開反應(yīng)器200?？諝庥珊铣蓺怏w加熱并且可用于燃料電池系統(tǒng)中的其它地方，例如合成氣體發(fā)生器中的燃燒器中或高溫燃料電池的陰極中。

反應(yīng)器200的第一熱交換器區(qū)段212和第二熱交換器區(qū)段214彼此具有許多相似性并且與上文描述的蒸汽發(fā)生器10的殼管式熱交換器區(qū)段12具有許多相似性。因此，使用相同的參考數(shù)字描述熱交換器區(qū)段12、212、214的相同構(gòu)件，并且對(duì)熱交換器區(qū)段12的相同構(gòu)件的以上描述同樣適用于熱交換器區(qū)段212、214。

殼管式熱交換器212、214各包含多個(gè)軸向延伸的間隔開的管16，所述管與在上文描述的蒸汽發(fā)生器10中一樣布置在管束中。管16彼此呈平行隔開關(guān)系并且所述管的末端對(duì)齊。每一個(gè)管16均為圓柱形并且具有第一端18、第二端20和中空內(nèi)部。管16的第一端18和第二端20為開放的，其中管16的中空內(nèi)部一起限定第一流體流道22(有時(shí)在本文中被稱作“合成氣體通道22”)，第一熱交換器區(qū)段212的管16限定所述管的第一(上游)部分22a，并且第二熱交換器區(qū)段214的管16限定所述管的第二(下游)部分22b。合成氣體穿過入口24進(jìn)入反應(yīng)器200，從而首先流動(dòng)穿過合成氣體通道22的上游部分22a、隨后進(jìn)入催化劑床202以經(jīng)歷水氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)并且隨后進(jìn)入合成氣體通道22的下游部分22b，最后通過出口85和配件88從反應(yīng)器200排放。

反應(yīng)器200進(jìn)一步包括第一殼體28，所述第一殼體具有軸向延伸第一殼體壁30，所述第一殼體壁貫穿反應(yīng)器200的長(zhǎng)度從合成氣體入口24延伸到合成氣體出口85，包圍兩個(gè)熱交換器區(qū)段212、214的管16并且還包圍催化劑床202。

每一個(gè)熱交換器區(qū)段212、214進(jìn)一步包括一對(duì)集管，即接近于管16的第一端18定位的第一集管40和接近于管16的第二端20定位的第二集管42。集管40、42各設(shè)置有多個(gè)穿孔44(未示出)，管16的第一端18和第二端20分別收納在所述穿孔中。如圖10中所示出，管16的端18、20可完全穿過集管40、42的穿孔44延伸，并且通過任何便利的手段與集管40、42密封并剛性地固定到集管40、42。舉例來說，在管16和集管40、42由金屬制成的情況下，所述管和集管可通過釬焊或焊接固定在一起。

每一個(gè)集管40、42具有外周邊邊緣46，所述集管在所述外周邊邊緣處密封并且固定到第一殼體壁30。從圖式可見，第一殼體壁30及第一集管40和第二集管42一起限定第二流體流道50(有時(shí)在本文中被稱作“冷卻劑通道50”)，其中所述第二流體流道的第一(上游)部分50a限定在第二熱交換器區(qū)段214中并且所述第二流體流道的第二(下游)部分50b限定在第一熱交換器區(qū)段212中。在本實(shí)施例中可包括空氣的冷卻劑穿過冷卻劑入口102進(jìn)入反應(yīng)器200，相繼與管16的外表面接觸而流動(dòng)穿過上游通道50a和下游通道50b并且穿過冷卻劑出口54離開反應(yīng)器200。盡管在圖10中未示出，但通道50a和通道50b可各設(shè)置有如上文所描述的擋扳配置(包括第一擋扳94和第二擋扳95)以產(chǎn)生用于冷卻劑的迂曲路徑，從而延長(zhǎng)流動(dòng)路徑并促進(jìn)與合成氣體的熱傳遞。

在冷卻劑從上游通道50a傳送到下游通道50b時(shí)，冷卻劑必須流經(jīng)第一殼體28的外表面。因此，反應(yīng)器200進(jìn)一步包括第二殼體66(有時(shí)在本文中被稱作“外殼體66”)，所述第二殼體具有軸向延伸第二殼體壁68(有時(shí)在本文中被稱作“外殼體壁68”)，所述第二殼體壁沿第一殼體28的長(zhǎng)度的至少一部分延伸。外殼體66與第一殼體壁30徑向朝外隔開以提供連接冷卻劑流道50的第一部分50a和第二部分50b的環(huán)形冷卻劑流道70。

外殼體66在外殼體的末端72處密封到第一殼體壁30的外表面。在此方面，外殼體壁66的直徑在每一端72處減小，從而具有朝內(nèi)傾斜的末端，每一端收端在軸向延伸套管74中，所述軸向延伸套管通過釬焊或焊接密封到第一殼體壁30。如上文所闡釋，響應(yīng)于管16和第一殼體壁30的熱膨脹和收縮，朝內(nèi)傾斜端為在某種程度上順應(yīng)的并且適應(yīng)第二殼體壁66的軸向膨脹和收縮。另外，如圖10中所示出，外殼體66可設(shè)置有一或多個(gè)波紋肋狀物204以適應(yīng)反應(yīng)器200的不同熱膨脹并且避免由熱應(yīng)力引起的損害。除在外殼體66中的波紋肋狀物204之外或代替所述波紋肋狀物，也可能在包圍水氣轉(zhuǎn)換催化劑床202并且由外殼體66圍封的第一殼體壁30的區(qū)段中提供波紋肋狀物。在第一殼體壁中的波紋肋狀物外形將類似在外殼體中的波紋肋狀物，但將僅存在于位于催化劑床202與兩個(gè)熱交換區(qū)段212、214中的管16的末端20之間的區(qū)域中。

為了提供環(huán)形冷卻劑流道70與冷卻劑通道50的上游部分50a和下游部分50b的內(nèi)部之間的流體連通，每一個(gè)熱交換器區(qū)段212、214進(jìn)一步包括狹槽或間隙58，所述狹槽或間隙在第一殼體壁30的整個(gè)外周周圍延伸并且將殼體壁30分隔成第一部分60、第二部分62和第三部分62'。在反應(yīng)器200中，第一殼體壁30的第一部分60包括在熱交換器區(qū)段212的間隙58與熱交換器區(qū)段214的間隙58之間的殼體壁30的部分，擋板42固定到所述部分。第二部分62包括延伸到第一部分60的右邊并且形成第一熱交換器區(qū)段212的一部分的殼體壁30的部分，而第三部分62'包括延伸到第一部分60的左邊并且形成第二熱交換器區(qū)段214的一部分的殼體壁30的部分。

因此，殼體壁30的第一部分60與殼體壁30的第二部分62和第三部分62'軸向隔開。熱交換器區(qū)段212的間隙58充當(dāng)冷卻劑入口52，從而允許冷卻劑從環(huán)形冷卻劑流道70流入下游冷卻劑通道50b中。熱交換器區(qū)段214的間隙58充當(dāng)冷卻劑出口，從而允許冷卻劑從上游冷卻劑通道50a流入環(huán)形冷卻劑流道70中。

盡管在圖10中未示出，但反應(yīng)器200的間隙58具有如圖5中所示出的相同配置，其中第一殼體壁30設(shè)置有跨間隙58軸向延伸的多個(gè)腹板64以便為第一殼體壁30提供整體結(jié)構(gòu)。并且，在圖10中所示出的裝配好的反應(yīng)器200中，各腹板64提供第一殼體壁30的第一部分60與第二部分62和第三部分62'之間的連接。應(yīng)了解，腹板64具有充足厚度和硬度，使得所述腹板能將第一部分60、第二部分62和第三部分62'保持在一起以有助于制造過程期間反應(yīng)器200的裝配。然而，腹板64也薄得足以使所述腹板不會(huì)顯著減損第二流體到第一殼體28中或出自第一殼體28的流量，并且使得所述腹板在蒸汽發(fā)生器10的使用期間由多個(gè)管16的軸向熱膨脹力打破。

在使用時(shí)，可能在600攝氏度至1,000攝氏度的溫度下的熱合成氣體通過合成氣體入口24進(jìn)入反應(yīng)器200并且從右到左流動(dòng)穿過由第一熱交換器區(qū)段212的管16限定的合成氣體通道22的上游部分22a。隨著熱合成氣體流動(dòng)穿過合成氣體通道22的上游部分22a，熱合成氣體通過與流動(dòng)穿過冷卻劑通道50的下游部分50b的冷卻劑氣體(例如空氣)熱交換而部分冷卻。

合成氣體流出管16的第二端20并且進(jìn)入水氣轉(zhuǎn)換催化劑床202，所述合成氣體在所述水氣轉(zhuǎn)換催化劑床中經(jīng)歷稍微放熱的氣體轉(zhuǎn)換反應(yīng)以降低一氧化碳含量并提高氫氣含量。合成氣體隨后離開催化劑床202并且進(jìn)入由第二熱交換器區(qū)段214的管16限定的合成氣體通道22的下游部分22b。隨著所述合成氣體流動(dòng)穿過合成氣體通道22的下游部分22b，熱合成氣體通過與流動(dòng)穿過冷卻劑通道50的上游部分50a的冷卻劑氣體熱交換而進(jìn)一步冷卻。最后，冷卻并且純化的合成氣體離開通道22并通過合成氣體出口85從反應(yīng)器200排放。

冷卻劑在相繼流動(dòng)穿過冷卻劑通道50的第一部分50a和第二部分50b時(shí)從合成氣體吸吸熱。冷卻劑流動(dòng)穿過環(huán)形通道70以便圍繞催化劑床202流動(dòng)。

如將了解的那樣，合成氣體遠(yuǎn)比冷卻劑更熱，并且因此反應(yīng)器200的直接接觸合成氣體的那些部分一般將處于比反應(yīng)器200的直接接觸冷卻劑的那些部分高得多的溫度下。具體來說，管16直接接觸熱合成氣體，而包圍并限定冷卻劑通道50的上游部分50a和下游部分50b的第一殼體28的部分直接接觸冷卻劑。因此，管16可傾向于在軸向方向上擴(kuò)展比第一殼體28更大的量。以圖6中所示出的方式，這種差異化的熱膨脹通過間隙58吸收，其中間隙58隨著管在加熱時(shí)擴(kuò)展而變大(在軸向方向上)。相反，間隙58隨著管在冷卻時(shí)收縮而變小，如圖7中所示出。間隙58的這種膨脹和收縮具有在反復(fù)加熱/冷卻循環(huán)期間降低潛在損害性熱應(yīng)力的效果。因?yàn)楣?6的第二端18通過集管42剛性地固定到殼體28的第一部分60，所以在外殼體66中設(shè)置波紋204可準(zhǔn)許管16的膨脹/收縮由外殼體66吸收而不引起對(duì)蒸汽發(fā)生器10的構(gòu)件的過度應(yīng)力。

盡管上文描述的蒸汽發(fā)生器10包括：第一熱交換器區(qū)段12，所述第一熱交換器區(qū)段包括具有細(xì)管束的殼管式熱交換器；和第二熱交換器區(qū)段14，所述第二熱交換器區(qū)段包括同軸同心管式熱交換器；但情況不一定是這樣。現(xiàn)在描述一些替代實(shí)施例，其中第一熱交換器區(qū)段具有替代配置。

圖11、圖12和圖12a圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的蒸汽發(fā)生器310，所述蒸汽發(fā)生器共用許多與上文描述的蒸汽發(fā)生器10相同的元件。相同的元件在圖式中用相同的參考數(shù)字標(biāo)識(shí)，并且對(duì)這些元件的以上描述適用于圖11和圖12的實(shí)施例。以下描述集中于蒸汽發(fā)生器10與蒸汽發(fā)生器310之間的差異。

蒸汽發(fā)生器310包括第一熱交換器區(qū)段12和第二熱交換器區(qū)段14。蒸汽發(fā)生器310的第二熱交換器區(qū)段14為同心管式熱交換器，所述同心管式熱交換器可等同于蒸汽發(fā)生器10的同心管式熱交換器。蒸汽發(fā)生器310的第一熱交換器區(qū)段12具有殼管式構(gòu)造，但與蒸汽發(fā)生器10的第一熱交換器區(qū)段不同的是該第一熱交換器區(qū)段不包含管束。實(shí)際上，蒸汽發(fā)生器310的第一熱交換器區(qū)段12包括單管312，所述單管在第一集管314與第二集管316之間軸向延伸。管312在兩端為開放的并且具有由管壁包圍的中空內(nèi)部，所述管壁由多個(gè)波紋所組成以增加發(fā)生熱傳遞的表面積。管312的波紋數(shù)目相對(duì)較少并且具有相對(duì)較大幅度，使得管312具有帶六個(gè)凸角的星形橫截面，每一個(gè)凸角從靠近管312的中心處延伸到靠近集管314、集管316的周邊邊緣的點(diǎn)。然而，圖11和圖12中所示出的管312的配置僅為例示性的，并且管312可具有可變形狀。盡管在管312的中心示出圓形區(qū)域，但不一定如此。實(shí)際上，波紋或管的內(nèi)端可在管312的中心中會(huì)合。

集管314、集管316具有符合管312的形狀的單孔口318?？卓?18可由直立套管320包圍以提供與管312的壁的改進(jìn)連接?？稍趫D11中示出集管314、集管316的外周邊邊緣，將殼體28的分段或周邊邊緣接合在一起可簡(jiǎn)單地(例如)通過焊接或釬焊使向上的套管322接合到殼體28的內(nèi)表面。

以如上文參考蒸汽發(fā)生器10所論述的類似方式，管312的中空內(nèi)部可設(shè)置有經(jīng)催化劑涂布的結(jié)構(gòu)，例如翅片。舉例來說，催化劑涂布翅片可提供在凸角中，并且卷繞成螺旋形物的催化劑涂布翅片可收納在管312的中心。

如圖12a中所示出，蒸汽發(fā)生器310還可包含類似于上文所描述的環(huán)形擋板94的擋板315，所述擋板具有定尺寸并成形為可收納管312的中心開口。在管312具有如圖式中示出的星形或波紋構(gòu)造的情況下，擋板將具有由擋板315的扁平區(qū)域包圍的星形中心開口317。扁平區(qū)域?qū)⒕哂谐瘍?nèi)延伸凸角319以符合管312的形狀。然而，切斷至少一些凸角319的內(nèi)尖端321以在擋板315與管312之間產(chǎn)生間隙323，間隙323盡可能靠近熱交換器區(qū)段12的中心定位，以產(chǎn)生穿過區(qū)段12的迂曲流動(dòng)路徑。還將了解，擋板315的扁平區(qū)域可設(shè)置有孔洞325，將有一些流體流動(dòng)穿過所述孔洞。在圖12a中僅以點(diǎn)虛線示出一個(gè)孔洞325，但應(yīng)了解，這些孔洞325的數(shù)目、大小和位置將取決于區(qū)段12內(nèi)的所需流量特征。

圖13至圖15圖示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的蒸汽發(fā)生器410，所述蒸汽發(fā)生器共用許多與上文描述的蒸汽發(fā)生器10相同的元件。這些相同的元件在圖式中用相同的參考數(shù)字標(biāo)識(shí)，并且對(duì)這些元件的以上描述適用于圖13至圖15的實(shí)施例。以下描述集中于蒸汽發(fā)生器10與蒸汽發(fā)生器410之間的差異。

蒸汽發(fā)生器410包括第一熱交換器區(qū)段12和第二熱交換器區(qū)段14。蒸汽發(fā)生器410的第二熱交換器區(qū)段14為同心管式熱交換器，所述同心管式熱交換器可等同于蒸汽發(fā)生器10的同心管式熱交換器。蒸汽發(fā)生器410的第一熱交換器區(qū)段12與蒸汽發(fā)生器10的第一熱交換器區(qū)段不同之處在于，所述第一熱交換器區(qū)段不具有殼管式構(gòu)造也不包含集管。實(shí)際上，蒸汽發(fā)生器410的第一熱交換器區(qū)段12包括同心管式熱交換器，所述同心管式熱交換器具有中間軸向延伸管412，所述中間軸向延伸管在末端處擴(kuò)張并且設(shè)置有套管414，所述套管固定到內(nèi)殼體28的內(nèi)部，使得下游通道22提供在內(nèi)殼體28與中間管412之間的外環(huán)形空間中，并且下游蒸汽通道50由中間管412的擴(kuò)張端密封。

第一熱交換器區(qū)段進(jìn)一步包括軸向延伸內(nèi)管416，所述軸向延伸內(nèi)管為在其末端的一者或兩者處封閉的“盲管”并且收納在中間管412內(nèi)，其中上游尾氣通道22限定在內(nèi)管416與中間管412之間的內(nèi)環(huán)形空間內(nèi)。內(nèi)環(huán)形空間的末端為開放的以準(zhǔn)許尾氣穿過其中流動(dòng)。

為優(yōu)化熱傳遞，上游尾氣通道22和下游蒸汽通道50中的一者或兩者可設(shè)置有如上文所描述的呈波紋翅片形式的湍流促進(jìn)插入物或湍流增強(qiáng)器。上游尾氣通道22中的湍流促進(jìn)插入物在圖13和圖14中用參考數(shù)字418標(biāo)識(shí)，并且下游蒸汽通道50中的湍流促進(jìn)插入物用參考數(shù)字420標(biāo)識(shí)。圖14中所示出的湍流促進(jìn)插入物418、湍流促進(jìn)插入物420呈低壓降定向，然而應(yīng)了解，通道22和通道50可改為設(shè)置有具有高壓降定向的湍流促進(jìn)插入物。

為了支撐內(nèi)管416并促進(jìn)蒸汽與尾氣之間的熱傳遞，上游尾氣通道22中的翅片418可(例如)通過釬焊結(jié)合到內(nèi)管416和中間管412兩者。同樣出于促進(jìn)熱傳遞的目的，下游蒸汽通道50中的翅片420可(例如)通過釬焊結(jié)合到中間管412。然而，出于適應(yīng)殼體28和中間管412的不同熱膨脹的目的并且為降低穿過殼體28的不必要的熱損耗，翅片420可不與殼體28結(jié)合。

在需要額外適應(yīng)不同熱膨脹的情況下，中間管412可設(shè)置有沿圓周延伸波紋422。因?yàn)椴y422伸出到上游尾氣通道22中，所以翅片420可拆分成由波紋422間隔開的分段420a、分段420b、分段420c和分段420d。波紋422為中間管412提供順應(yīng)性并且使得中間管在某種程度上比其結(jié)合的翅片418更順應(yīng)。因此，波紋422準(zhǔn)許中間管412吸收軸向指向的熱膨脹力，以避免對(duì)熱交換器的周圍構(gòu)件的應(yīng)力和損害。

雖然已經(jīng)參考某些實(shí)施例描述本發(fā)明，但是本發(fā)明并不限于此。實(shí)際上，本發(fā)明包含可能落在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。