CN1751217A - 三流体蒸发式热交换器 - Google Patents

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迈克尔·J·莱因克
杰罗恩·瓦伦萨
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Abstract

一种蒸发式热交换器(10)用于将热从第二流体(28)和第三流体(22)传递至第一流体(30)以汽化第一流体(30)，该热交换器(10)包括芯部(40)、芯部中用于第一流体(30)的第一流动路径(60)、芯部(40)中用于第二流体(28)的第二流动路径(66)和芯部(40)中用于第三流体(22)的第三流动路径(68)。芯部(40)包括第一段(42)、第二段(44)和第三段(46)，第二段(44)连接第一和第三段(42，46)。第一流动路径(60)延伸穿过所有的段(42，44，46)，第二流动路径(66)延伸穿过第一段(42)；和第三流动路径(68)延伸穿过第三段(46)。

Description

三流体蒸发式热交换器
技术领域
本发明总的来说涉及热交换器，并且更具体地涉及蒸发式热交换器和利用三种不同工作流体的交换器，并且在更具体的应用中涉及用于燃料电池***中的这种热交换器。
背景技术
将热从一种流体传递至汽化流体流以使该汽化流体流汽化的蒸发性或汽化性热交换器是已知的。这种热交换器的一个例子出现在用于质子交换膜(PEM)型燃料电池***的燃料处理***，其中水蒸气和碳氢化合物的气态混合物在高温下发生化学的变化从而产生通称为重整产品的富氢气流。通常，为了产生水蒸气和碳氢化合物的气态混合物，这些***将使用蒸发式热交换器来使液态水和液态碳氢化合物混合物汽化，或者由液态水产生随后将用于给气态碳氢化合物燃料(比如甲烷)增湿的气流。在一些燃料处理***中，来自重整气流的热用来提供对汽化流体的液流进行汽化所需的至少部分相当数量的潜热，这是有利的，因为其降低了来自***的废热并且将重整产品冷却到随后催化反应所需的预期温度。在这一点上，在一些***中，用于重整气流的优选氧化反应的最佳温度大致和汽化流体的液流的沸腾温度相等，这使得有利地是利用紧邻地在优选氧化器上游的重整气流作为使汽化流体流汽化的热源，从而将重整气流冷却到优选氧化反应的合适温度。然而，通常重整气流给出的显热并不足以使液流完全汽化。燃料电池***中额外热量的另一个普通来源是由催化反应器中阳极尾气的燃烧所产生的阳极废气。已知的是在两阶段汽化过程中使用阳极废气流，其中在该两阶段汽化过程中汽化流体流首先被进入优选氧化器的重整气流所部分地汽化，并且随后进一步被阳极废气流所汽化。
虽然对于其预计目的来说，上述***工作得很好，但是还是有改进的空间。例如，因为由液体所吸收的热几乎都是潜热，两相流体会占据每个蒸发器的大部分长度。因为不同的流动条件会产生同样的压力下降(例如具有低质量变化的大量流动或过热的少量流动)并且因此能在平行的通道中共存，这种蒸发器中的流动分布就不能自校正。不同的流动分布会导致不同通道之间变化显著的热流，这样会导致不好的性能和稳定性。此外，当对于汽化使用多阶段时，很难在两个汽化阶段之间重新分布两相混合物。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种蒸发式热交换器用于将热从第二流体和第三流体传递至第一流体以汽化第一流体。该热交换器包括芯部、芯部中用于第一流体的第一流动路径、芯部中用于第二流体的第二流动路径和芯部中用于第三流体的第三流动路径。芯部包括第一段、第二段和第三段，第二段连接第一段和第三段。第一段和第三段在远离第二段的位置处彼此分开以允许第一段和第三段之间的热膨胀差。第一流动路径包括芯部第一段中的第一通道和芯部第三段中的第二通道，第一流动路径延伸穿过第二段并且在第一通道和第二通道之间连续。第二流动路径与芯部第一段中的第一通道并列以将热从第二流体传递至第一通道中的第一流体。第三流动路径与芯部第三段中的第二通道并列以将热从第三流体传递至第二通道中的第一流体。
在一种形式中，第一流动路径包括多个将第一流体导向通过该热交换器的第一平行流动通路，第二流动路径包括多个在第一段中将第二流体导向通过第一段的第二平行流动通路，第三流动路径包括多个在第三段中将第三流体导向通过第三段的第三平行流动通路。一半第一通路在第一段中与第二通路交叉，并且另一半第一通路在第三段中与第三通路交叉。
在一种形式中，第二流体在第一通道中与第一流体同流。在又一种形式中，第三流体在第二通道中与第一流体同流。在一种可选形式中，第三流体在第二通道中与第一流体反向流动。
在一种形式中，第一流动路径在第一通道和第二通道中具有蛇形构造。
在一种形式中，第一流动路径具有在第一流体的向下流动方向上增大的流动区域。
根据本发明的一种形式，一种蒸发式热交换器用于将热从第二流体和第三流体传递至第一流体以汽化第一流体。该热交换器包括多个将第一流体导向通过该热交换器的第一平行流动通路、多个将第二流体导向通过该热交换器的第二平行流动通路和多个将第三流体导向通过该热交换器的第三平行流动通路。每个第一平行流动通路具有连接至第二通道的第一通道。第二流动通路与第一通道交叉以将热从第二流体传递至流动穿过第一通道的第一流体。第三流动通路与第二通道交叉以将热从第三流体传递至流动穿过第二通道的第一流体。
在一种形式中，每个第一流动通路具有在第二通道中比第一通道中大的流动区域。
根据本发明的一种形式，一种蒸发式热交换器用于将热从第二流体和第三流体传递至第一流体以汽化第一流体。该热交换器包括多个平行流动板和多个平行板副。每个流动板包括第一段、第二段、通过第二段连接至第一段的第三段、以及槽，该槽连续地延伸穿过第一段、第二段和第三段以限定第一流体穿过该热交换器的流动路径。每个板副包括第一段和第二段，该第一段与流动板的第一段相交叉并且封闭将第二流体导向通过该热交换器的流动槽，该第二段与流动板的第三段相交叉并且封闭将第三流体导向通过该热交换器的流动槽。
在一种形式中，每个板副的第一副段和第二副段在远离流动板第二段的位置处彼此分开以允许板副的第一段和第二段之间的热膨胀差。在又一种形式中，每个流动板的第一段和第三段在远离流动板第二段的位置处彼此分开以允许流动板的第一段和第三段之间的热膨胀差。
在一种形式中，每个槽在流动板的第一段和第三段中具有蛇形构造。
根据一种形式，每个槽的宽度在流动板的第三段大于第一段。
根据本发明的一种形式，一种蒸发式热交换器用于燃料处理***中的燃料电池***，其中燃料处理***通过首先使包含水的汽化流体流汽化而产生重整气流并且燃料电池***产生阳极废气流。该蒸发式热交换器包括芯部、芯部中用于汽化流体流的第一流动路径、芯部中用于重整气流的第二流动路径、和芯部中用于阳极废气流的第三流动路径。芯部包括第一段、第二段和第三段，第二段连接第一段和第三段。第一流动路径包括芯部第一段中的第一通道和芯部第三段中的第二通道，第一流动路径延伸穿过第二段并且在第一通道和第二通道之间连续。第二流动路径与芯部第一段中的第一通道并列以将热从重整气流传递至第一通道中的汽化流体。第三流动路径与芯部第三段中的第二通道并列以将热从阳极废气流传递至第二通道中的汽化流体。
在一种形式中，第一流动路径包括多个延伸穿过第一、第二和第三段以将汽化流体导向通过该热交换器的第一平行流动通路，第二流动路径包括多个在第一段中将重整气流导向通过第一段的第二平行流动通路，并且第三流动路径包括多个在第三段中将阳极废气流导向通过第三段的第三平行流动通路。第二通路在第一段中与第一通路交叉，并且第三通路在第三段中与第一通路交叉。
基于包括所附权利要求以及附图的整个说明书，本发明的其它目标、优点和方面将会很明显。
附图说明
图1是与燃料电池***的燃料处理***相结合的体现本发明的热交换器的示意图；
图2是图1中热交换器的局部分解透视图；
图3是图1中热交换器的流动板的平面图；
图4是图1中热交换器的一个实施例的工作流体的温度曲线图；
图5是类似于图4的曲线图，只是示出了处于变干条件下的温度曲线。
具体实施方式
如图1所示，体现本发明的蒸发式热交换器或蒸发器10与PEM型燃料电池***14的燃料处理***(在12处示意性地示出)相结合地示出，PEM型燃料电池***14包括燃料电池堆16和阳极尾气燃烧器/氧化器18，阳极尾气燃烧器/氧化器18在催化反应器中燃烧来自燃料电池堆16的阳极尾气流20中的过剩燃料以产生阳极废气流22。燃料处理***12包括重整装置24和优选氧化器26。在运行中，燃料处理***12通过首先对由热交换器10进行汽化之后提供给重整装置24的汽化流体流30进行汽化而产生重整气流28。在这一点上，汽化流体流30能以液态水和液态碳氢化合物的混合物的形式提供给热交换器10，或者只是以随后将被汽化并用来在进入重整装置24之前在增湿器中(可选地在32处示出)给气态碳氢化合物燃料33(比如甲烷)增湿的液态水的形式提供。重整气流28经过热交换器10以在重整产品28进入PROX 26之前将其热量传递给汽化流体流30从而对汽化流体30进行汽化并且将重整气流28的温度降低至PROX 26的理想进口温度。阳极废气流22经过热交换器10以将其热量传递给汽化流体流30从而将汽化流体30完全汽化并且从阳极废气流22回收否则将会浪费的热量。
应当理解的是，虽然这里热交换器10与PEM型燃料电池***14的燃料处理***12相结合进行说明，但是可以证明热交换器10也可用于其它类型的燃料电池***和/或燃料电池***之外的***。因此，本发明并不限于燃料处理***12或者特定类型的燃料电池***或者燃料电池***，除非在权利要求中有特别的说明。热交换器10包括具有第一段42、第二段44和第三段46的芯部40，并且第二段44连接第一段42和第三段46。热交换器10还包括将汽化流体流30导入第一段42的进口48、将汽化流体流30从第三段46中导出的出口50、将重整气流28导入第一段42的进口52、将重整气流28从第一段42中导出的出口54、将阳极废气流22导入第三段46的进口56、和将阳极废气流22从第三段46中导出的出口58。气化流动路径(在60处示意性地示出)设在芯部40中，用于汽化流体流30。汽化流动路径60包括位于芯部40第一段42中的第一通道(在62处示意性地示出)和位于芯部40第三段46中的第二通道(在64处示意性地示出)。汽化流动路径60延伸通过第二段44并且在第一通道62和第二通道64之间连续。第二流动路径(在66处示意性地示出)设在第一段42中用于重整气流28。第二流动路径66与第一段42中的第一通道62并列以将热从重整气流28传递至第一通道62中的汽化流体流30。第三流动路径(在68处示意性地示出)设在第三段46中用于阳极废气流22。第三流动路径68与第三段46中的第二通道64并列以将热从阳极废气流22传递至第二通道64中的汽化流体流30。
更详细地转向热交换器10的优选实施例的构造，如图2中能最佳地看出，芯部40是包括多个平行流动板70的叠层棒板型构造，每个流动板包括相应于芯部40第一段42的第一段72、相应于芯部40第二段44的第二段74、和相应于芯部40第三段46的第三段76。开口渠道或槽78连续地延伸通过每个流动板70的第一、第二和第三段72、74和76以限定汽化流体30的流动路径60。每个槽78具有随着槽78延伸通过段72、74和76而增大的宽度W以适应汽化流体流30在汽化时逐渐降低的密度。槽78在第一和第三段72和76的每个中具有蛇形构造从而为汽化流体流30在第一段42中相对于重整气流28以及在第三段中相对于阳极废气流22提供局部横向流动路径。槽78在第一段72中的蛇形构造相应于第一通道62，槽78在第三段76中的蛇形构造相应于第二通道64。
芯部40还包括多个与流动板70交叉的隔板副80，每副80包括一对隔板81。每个板81包括相应于第一段42和72的第一段82、相应于第二段44和74的第二段84、和相应于第三段46和76的第三段86。每个板副80包括夹在板副80的板81之间的框架90，并且框架90包括相应于第一段42、72和82的第一段92、相应于第二段44、74和84的第二段94、和相应于第三段46、76和86的第三段96。每个框架的第一段92具有包围重整气流28的流动腔100的连续周边边缘98，并且每个第三段96具有包围阳极废气流22的流动腔104的周边边缘102。优选地，框架90在叠层方向上的厚度对于所有段92、94和96来说都相同。优选地，适合的涡轮机或翅片，比如翅片106、108分别设在每个腔100和104中，并且在它们的每个侧面上结合至板副80的板81以改进相应气流28和22与板副80的板81之间的热传递。板副80的每个板81在覆盖流动渠道78的区域是实心的从而在板副80与流动板70交叉时封闭流动渠道78。板110和111设在芯部40的顶部和底部上以分别用作最上和最下板副80的一个板81，并且安装热交换器的端口48、50、52、54、56和58。
第一和第三段42和46以及相应的第一和第三段72、82、92和76、86和96在远离第二段44、74、84和94之处分开，以使得热交换器10能适应芯部40的段42和46彼此间相对不受限制的差热膨胀，从而最小化由于热增长带来的机械应力。
键片状延伸部112、114和116分别设在流动板70、板81和框架90上以限定位于进口48下面用于将汽化流体30从进口48导向入流动路径60的槽78中的进口歧管118。键片状延伸部120、122和124分别设在流动板70、板81和框架90上以限定位于出口50下面用于将汽化流体流30从流动路径60的槽78导向至出口50的出口歧管126。周边边缘延伸部128和130分别设在流动板70和板81上以和边缘92一起限定位于进口52下面用于将重整气流28从进口52导向入第二流动路径66的流动渠道100中的进口歧管132。周边边缘延伸部134和136分别设在流动板70和板81上以和边缘98一起限定位于出口54下面用于将重整气流28从第二流动路径66的流动渠道100导向入出口54的出口歧管138。周边边缘延伸部140和142分别设在流动板70和板81上以和边缘102一起限定位于进口56上面用于将阳极废气流22从端口54导向入第三流动路径68的流动渠道104中的进口歧管144。周边边缘延伸部146和148分别设在流动板70和板81上以和边缘102一起限定位于出口58上面用于将阳极废气流22从流动渠道104导向入出口58中的出口歧管150。
优选地，热交换器10的每个上述部件由适合的金属材料(比如铝、钢或铜)制成，板70和81由薄金属板制成并且所有部件通过比如钎焊、铜焊或焊接等结合技术结合起来。
作为选择，紧邻地位于进口歧管118下游的每个槽78部分可以被设计为，比如通过局部地变窄每个部分，具有由汽化流体流30的泵可获得的大压降，以迫使每个槽78具有汽化流体流30的均匀分布。这种设计的优点之一是这样能固有地使得非均匀分布的可能性很小。因为第一通道62优选地具有长的“压紧”区域，液体在层与层上的任何潜在非均匀分布将对压降有着强烈的影响。蒸汽质量在第一通道62里几乎是固定的，因为气流28中可用的热完全被消耗(温度降低至流体流30的沸点)。这就有效地减弱了背景技术部分所述的不均匀分布的可能性。
应当理解的是，对于芯部40，虽然示出的是棒板型设计，但是也能应用其它类型的构造，比如举例来说，对于每个板副80为拉伸杯(drawn cup)类型构造。还应当理解的是，虽然优选地在每个板副80的板81之间提供涡轮机或翅片，但是在一些应用中也可以放弃涡轮机或叶片106和/或108，或者在板81中提供与板副80的相对板81中的凹痕毗邻的凹痕。还应当理解的是，每个流动腔100和104的宽度能在其中流动的两个不同类型气体之间变化，如所示，并且也能根据应用不同而改变，其中使用的涡轮机或翅片的具体类型和构造也如此。
从图3中能最佳地看出，在操作中，汽化流体流30从歧管118导向入每个流动板70的槽78中并且通过第一段72横贯第一通道62的蛇形构造并在到达第一通道62的末端之前开始汽化以使得离开芯部40的第一通道62和第一段42的是两相的汽化流体30。汽化流体流30连续地在每个槽78中从第一段72经过第二段74流到第三段76，从而消除了对于再分配两相流体的需要并且防止了两相中液体部分的脱落。然后汽化流体流30通过第三段76横贯第二通道64的蛇形构造到达出口歧管126并且优选地在到达槽78的末端之前完全被汽化以使得在芯部40的第三段46中对于汽化流体流30为过热区域。因而，汽化流体流30(在所示实施例中为水)被加热至将用来对用于燃料电池16的燃料进行增湿的高质量水/蒸汽混合物。
在所示实施例中，每个气流28和22在芯部40的各个段42和46具有与汽化流体流30同流的流动关系。图4示出了热交换器的流体22、28和30的典型温度曲线。从图4中能看出，芯部第一段42的效果是使得重整气流28钉在汽化流体流30(在所示实施例中为水)的沸点，从而使得重整气流28从热交换器离开的温度非常恒定。这是有利的，因为其能为PROX 26提供处于最佳温度的重整气流28而无需重整气流28的主动控制规划。从图4中还能看出，第三段46中阳极废气流22的同流具有限制热交换器材料的温度漂移的优点，如果一个或多个槽78完全变干和过热就可能会发生温度漂移。这结合图5最佳地看出，图5描绘了通过第三段46四分之三时出现的模拟变干并且示出了气化流体流30的温度升高受到限制，因为阳极废气流22的温度由于汽化流体流30吸收的潜热而在第三段46中相对迅速地降低。
优选地，热气流28和22在热交换器的相应段42和46中与汽化流体流30同流，因为这种流动布置能有助于保证离开热交换器时流体温度的稳定性并且最大化热交换器的结构完整性。然而，在一些应用中，可能期望热气流28和22中的一个或全部在它们相应的段42和46中与汽化流体流30反向流动。例如，在一些应用中，可能需要在所有情况下保证汽化流体流30的完全汽化和过热，这可能要求阳极废气流22在第三段46中的反向流动以提供在第三段46的过热区域中热传递的充分温差。然而，这种类型的反向流动布置会在板81中的变干位置处导致高的热诱导应力。于是，必须小心地解决与这种类型的反向流动设计相关的热应力问题。

Claims (25)

1.一种将热从第二流体和第三流体传递至第一流体以汽化第一流体的蒸发式热交换器，该热交换器包括：
包括第一段、第二段和第三段的芯部，第二段连接第一段和第三段，第一段和第三段在远离第二段的位置处彼此分开以允许第一段和第三段之间的热膨胀差；
芯部中用于第一流体的第一流动路径，第一流动路径包括芯部第一段中的第一通道和芯部第三段中的第二通道，第一流动路径延伸穿过第二段并且在第一通道和第二通道之间连续；
芯部中用于第二流体的第二流动路径，第二流动路径与芯部第一段中的第一通道并列以将热从第二流体传递至第一通道中的第一流体；和
芯部中用于第三流体的第三流动路径，第三流动路径与芯部第三段中的第二通道并列以将热从第三流体传递至第二通道中的第一流体。
2.如权利要求1的热交换器，其中第一流动路径包括多个将第一流体导向通过该热交换器的第一平行流动通路，第二流动路径包括多个在第一段中将第二流体导向通过第一段的第二平行流动通路，第三流动路径包括多个在第三段中将第三流体导向通过第二段的第三平行流动通路，第二通路在第一段中与第一通路交叉，并且第三通路在第三段中与第一通路交叉。
3.如权利要求1的热交换器，其中第二流体在第一通道中与第一流体同流。
4.如权利要求3的热交换器，其中第三流体在第二通道中与第一流体同流。
5.如权利要求3的热交换器，其中第三流体在第二通道中与第一流体反向流动。
6.如权利要求3的热交换器，其中第一流动路径在第一通道和第二通道中具有蛇形构造。
7.如权利要求3的热交换器，其中第一流动路径具有在第一流体的向下流动方向上增大的流动区域。
8.一种将热从第二流体和第三流体传递至第一流体以汽化第一流体的蒸发式热交换器，该热交换器包括：
多个将第一流体导向通过该热交换器的第一平行流动通路，该流动通路中的每个具有连接至第二通道的第一通道，
多个将第二流体导向通过该热交换器的第二平行流动通路，第二流动通路与第一通道交叉以将热从第二流体传递至流动穿过第一通道的第一流体；和
多个将第三流体导向通过该热交换器的第三平行流动通路，第三流动通路与第二通道交叉以将热从第三流体传递至流动穿过第二通道的第一流体。
9.如权利要求8的热交换器，其中第二流体在第一通道中与第一流体同流。
10.如权利要求9的热交换器，其中第三流体在第二通道中与第一流体同流。
11.如权利要求9的热交换器，其中第三流体在第二通道中与第一流体反向流动。
12.如权利要求9的热交换器，其中每个第一流动通路在第一通道和第二通道中具有蛇形构造。
13.如权利要求9的热交换器，其中每个第一流动通路具有在第二通道中比第一通道中大的流动区域。
14.一种将热从第二流体和第三流体传递至第一流体以汽化第一流体的蒸发式热交换器，该热交换器包括：
多个平行流动板，每个流动板包括第一段、第二段、通过第二段连接至第一段的第三段、以及槽，该槽连续地延伸穿过第一段、第二段和第三段以限定第一流体穿过该热交换器的流动路径；
多个平行板副，每个板副包括第一段和第二段，该第一段与流动板的第一段相交叉并且封闭将第二流体导向通过该热交换器的流动槽，该第二段与流动板的第三段相交叉并且封闭将第三流体导向通过该热交换器的流动槽。
15.如权利要求14的热交换器，其中每个板副的第一段和第二段在远离流动板第二段的位置处彼此分开以允许板副的第一段和第二段之间的热膨胀差。
16.如权利要求15的热交换器，其中每个流动板的第一段和第三段在远离流动板第二段的位置处彼此分开以允许流动板的第一段和第三段之间的热膨胀差。
17.如权利要求14的热交换器，其中每个连续槽在第一段和第三段中具有蛇形构造。
18.如权利要求14的热交换器，其中每个槽的宽度在流动板的第三段大于第一段。
19.一种用于燃料电池***的燃料处理***中的蒸发式热交换器，其中燃料处理***通过首先使包含水的汽化流体流汽化而产生重整气流并且燃料电池***产生阳极废气流，该蒸发式热交换器包括：
包括第一段、第二段和第三段的芯部，第二段连接第一段和第三段；
芯部中用于汽化流体流的第一流动路径，第一流动路径包括芯部第一段中的第一通道和芯部第三段中的第二通道，第一流动路径延伸穿过第二段并且在第一通道和第二通道之间连续；
用于重整气流的第二流动路径，第二流动路径与芯部第一段中的第一通道并列以将热从重整气流传递至第一通道中的汽化流体；和
用于阳极废气流的第三流动路径，第三流动路径与芯部第三段中的第二通道并列以将热从阳极废气流传递至第二通道中的汽化流体。
20.如权利要求19的热交换器，其中第一流动路径包括多个将汽化流体导向通过该热交换器的第一平行流动通路，第二流动路径包括多个在第一段中将重整气流导向通过第一段的第二平行流动通路，并且第三流动路径包括多个在第三段中将阳极废气流导向通过第三段的第三平行流动通路，第二通路在第一段中与第一通路交叉，并且第三通路在第三段中与第一通路交叉。
21.如权利要求19的热交换器，其中重整气流在第一通道中与汽化流体同流。
22.如权利要求21的热交换器，其中阳极废气流在第二通道中与汽化流体同流。
23.如权利要求21的热交换器，其中阳极废气流在第二通道中与汽化流体反向流动。
24.如权利要求19的热交换器，其中第一流动路径在第一通道和第二通道中具有蛇形构造。
25.如权利要求19的热交换器，其中第一流动路径具有在第一流体的下游方向上增大的流动区域。
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