組合式熱交換和流體混合設備的制作方法
【專利摘要】一種組合式熱交換和流體混合設備，包括用于引導冷流體從其通過的第一管道和用于引導熱氣體從其通過的第二管道。在第一管道和第二管道之間布置導熱元件以將熱量從熱氣體引導到冷流體。導熱元件具有限定用于設備中的熱交換過程的最大縱向延伸部的長度。該設備還包括用于引導排出流體的第三管道。該第三管道包括排出流體入口，排出流體入口用于將排出流體引入設備中，以使排出流體與熱氣體混合并且使如此形成的排出流體/熱氣體的混合物在第二管道中發生化學反應。第三管道設置有用于使排出流體進入第二管道中的一個以上的開口。該一個以上的開口布置在用于設備中的熱交換過程的最大縱向延伸部內，并且相對于第二管道布置在基本上相同的縱向位置處。
【專利說明】組合式熱交換和流體混合設備
【技術領域】
[0001]本發明涉及組合式熱交換和流體混合設備的領域。
【背景技術】
[0002]例如在機動車輛的排氣系統的領域中流體混合器是眾所周知的。為了使排氣能夠在催化轉化器中進行催化反應，典型地為氨或尿素的還原劑與排氣混合。例如在US2002116916中，在催化轉化器的上游，柵格緊接于用于注入還原劑的注入裝置布置。柵格提供排氣/還原劑的混合物的均勻分布。雖然排氣系統中的流體混合器和催化轉化器主要用來從排氣中去除諸如氧化氮的有害成分，但排氣的催化反應也可以用來耗盡留在排氣中的剩余燃料。如果在該過程中產生的反應熱被使用，則可以提高系統的能量效率。
[0003]燃料電池被認為是具有高效率的能量轉換器。在燃料電池中，例如碳氫燃料直接轉變為電能和熱量。為了提高能量系統的總效率，在燃料電池中產生的熱量可以進一步用于加熱。尤其是在高溫下操作的燃料電池，諸如固體氧化燃料電池(SOFC)是用于在組合式發電和熱回收裝置中應用的合適的備選物。通常，熱交換器被布置在加熱冷流體以進一步應用的燃料電池的下游。為了操作，SOFC需要預熱氧化氣體，尤其是空氣。該氣體可以在其被引入SOFC之前在熱交換器中被預熱。此外，如果引入燃料電池中的燃料未被完全耗盡，則離開燃料電池的這樣的貧化燃料仍包含燃料。該貧化燃料現在可以在流體混合器中與離開SOFC的熱空氣混合以用于氧化貧化燃料/熱空氣的混合物。然后該混合物被引導到熱交換器中。來自熱空氣的熱量以及來自氧化反應的反應熱在熱交換器中被使用。遺憾的是，這樣的系統包括幾個單獨的部件，這些部件需要空間并且具有高生產成本，例如單獨的流體混合器和單獨的熱交換器。另一示例包括單獨的燃燒器和單獨的熱交換器，然而貧化燃料在所述單獨的燃燒器中被混合和氧化，該單獨的燃燒器放置在單獨的熱交換器的上游。

【發明內容】

[0004]因此，提供了一種考慮了現有技術的缺點的熱交換和流體混合設備。尤其是，提供了一種重量減輕且節省空間并且允許降低生產成本的組合式熱交換和流體混合設備。
[0005]根據本發明的組合式熱交換和流體混合設備包括:
[0006]-用于引導冷流體從其通過的第一管道，所述第一管道包括冷流體入口和冷流體出口 ；
[0007]-用于引導熱氣體從其通過的第二管道，所述第二管道包括熱氣體入口和熱氣體出口 ；
[0008]-導熱元件，所述導熱元件布置在所述第一管道和所述第二管道之間，以將熱量從所述熱氣體傳遞到所述冷流體，所述導熱元件具有限定用于所述組合式熱交換和流體混合設備中的熱交換過程的最大縱向延伸部的長度；所述組合式熱交換和流體混合設備還包括:[0009]-用于引導排出流體的第三管道，所述第三管道包括用于將所述排出流體引入所述設備中的排出流體入口，以使所述排出流體與所述熱氣體混合并且使如此形成的排出流體/熱氣體的混合物在所述第二管道中發生化學反應，其中，所述第三管道設置有用于將所述排出流體從所述第三管道引入所述第二管道的一個以上的開口，其中用于將所述排出流體引入所述第二管道的所述一個以上的開口布置在用于所述組合式熱交換和流體混合設備中的熱交換過程的所述最大縱向延伸部內，并且所述一個以上的開口相對于所述第二管道布置在基本上相同的縱向位置處。
[0010]由導熱元件分開的用于引導冷流體的第一管道和用于引導熱氣體的第二管道布置成用于從熱氣體到冷流體的熱交換過程。因此，導熱元件的長度限定了最大縱向延伸部，在所述最大縱向延伸部中，可以發生所述設備中的熱交換過程。如果第一管道和第二管道沿導熱元件的整個長度布置，則這樣的最大縱向延伸部可以有效地用于從熱氣體到冷流體的熱交換。
[0011]通過使第三管道在其一端處設置有用于將排出流體引入設備中并且引入第二管道中的排出流體入口，流體混合被結合到熱交換器中。通過在第三管道中在用于設備中的熱交換過程的最大縱向延伸部內布置用于將排出流體從第三管道引入第二管道中的一個以上的開口，排出流體最先在設備內的可能發生熱交換的區域中被引入第二管道中。與從熱氣體到冷流體的熱交換過程開始相比，排出流體和熱氣體的混合同時或稍后分別在更下游(相對于熱氣體入口和熱氣體在第二管道中的流動的下游)開始。為了開始混合，例如當一些熱量已經從熱氣體被傳遞到冷流體時，如果熱氣體的溫度在熱氣體入口處非常高則可以是有利的，并且應該防止或減少快速化學反應，例如排出流體的氧化，并且尤其是由放熱化學反應(諸如氧化過程)產生的過多熱量。通過相對于第二管道基本上在相同的縱向位置處附加地布置一個以上的開口，可以在根據本發明的設備中執行進一步受控的化學反應和進一步受控的熱交換。如果一個以上的開口被布置在第二管道的基本上相同的縱向位置處，則注入第二管道中的每種流體最初均遭遇相同的熱氣體環境。另外，如果這些開口布置在基本上相同的縱向位置處，則對于所注入的流體也可以統一進一步反應的條件。例如，所注入的流體到達第二管道中的催化活性部分的時間或者與熱氣體混合的所注入的流體遭遇由第一管道的冷流體造成的冷卻影響的時間對于穿過不同開口注入的流體可以是基本上相同的。借助催化活性元件，可以觸發在第二管道中的特定縱向位置或區域處發生或開始化學反應。通過這些措施，可以設置含有冷流體的第一管道并且冷流體的溫度可以適合于使得第二管道中的化學反應和放熱保持在最大水平或期望水平。開口的相對于第二通道的基本上相同的縱向位置大致對應于從第二通道的入口測量的基本上相同的長度或距離。然而，在具有一個或多個彎曲的第二管道中，相同的縱向位置基本上對應于與橫向管道壁或第二管道中的流動方向垂直的線。
[0012]如果開口布置在第二管道中的不同縱向位置處，則可能發生的是，在更上游的位置處注入的流體或混合物在該流體或混合物穿過更下游的孔之前并且在該流體或混合物到達第二管道中的催化活性部分之前已經起反應。還可能發生的是，該流體或混合物在其遭遇由第一管道的冷流體造成的冷卻影響之前起反應。如果反應是放熱的，則產生過多的熱量并且這樣的過熱的注入的流體或混合物與在更下游位置處注入的流體起反應。這可能導致例如所注入的排出流體的燃燒，這可能損傷設備直到其被毀壞。通過如所述的開口的布置，可以實現的是，所注入的排出流體/熱氣體的混合物的燃燒僅發生在設備的已被冷卻的區域中。
[0013]通過結合流體混合和熱交換，不需要布置在熱交換器的上游的諸如單獨的流體混合器的分離的部件。這降低了生產和制造成本，這是因為不必制造和組裝分離的裝置。另夕卜，熱交換和流體混合這兩個過程被結合在一個設備中。因此，還僅需要一個殼體，該殼體例如可以是鋼外殼。這進一步降低了材料成本和重量，并且另外可以節省空間，尤其是還因為在根據本發明的設備中的結合的單獨的部件之間不需要連接管。
[0014]術語“熱氣體”和“冷流體”在本文用來描述氣體和流體，該流體可以是氣體、液體或其混合物，這允許在熱交換器中發生從熱氣體到冷流體的傳熱。冷流體的溫度低于熱氣體的溫度。雖然對于熱氣體和冷流體之間的溫差或它們的溫度范圍基本上沒有限制，但是在一些優選實施方式中，“熱氣體”在熱氣體入口處的溫度位于500至1000攝氏度之間的范圍內，例如大約為800攝氏度。在一些優選實施方式中，冷流體在冷流體入口處的溫度是環境溫度并且在冷流體出口處的溫度是幾百攝氏度，例如為700攝氏度。
[0015]排出流體可以是氣體、液體或氣體-液體的混合物。混合可以由排出流體入口或一個以上的開口的設計來支持。例如開口可以用作噴嘴，或者可以在第二管道中設置混合元件，例如柵格，偏轉元件或者其它導致排出流體和熱氣體的流中的紊流的障礙物。排出流體例如是來自燃料電池的貧化燃料或者機動車輛的發動機的排氣。
[0016]在優選實施方式中，化學反應是排出流體的氧化，例如燃料的氧化。它例如可以是排出流體的催化部分氧化過程(CPOX)。CPOX還是放熱化學反應。其中，燃料-空氣的混合物被部分燃燒，使得形成富氫氣體。在根據本發明的設備中可能發生的化學反應的該示例能例如用來產生在單個裝置的燃料電池中起作用的氫。化學反應的其它示例是燃料(優選地為碳氫化合物)的重整過程。這些化學反應僅通過示例來提及。更多的化學反應可以取決于排出流體的含量以及熱氣體的組分的含量。
[0017]開始和維持化學反應(尤其是熱氣體中的排出流體的氧化反應)所需的能量可以僅由熱氣體來傳送。由氧化過程或由另一放熱過程獲得的熱量進一步支持在第二管道中發生的氧化過程或其它化學反應。反應熱也可以加熱熱氣體，然后該熱氣體與用于熱交換過程的熱氣體一起加熱第一管道中的冷流體。
[0018]術語“布置在用于設備中的熱交換過程的最大縱向延伸部內”不限于這樣的特征，例如不限于一個以上的開口布置在導熱元件本身中。該術語還描述了設備中的這樣的區域，該區域在由導熱元件的長度限制的一個尺寸(或長度)中。“布置在最大縱向延伸部內”的特征的位置因此不是布置在導熱元件的兩個縱向端部之外(僅相對于縱向方向)的區域中而是布置在例如平行于導熱元件的這樣的區域內。
[0019]一個以上的開口可以布置在導熱元件中，例如構造為導熱板中的孔，或者平行于導熱元件布置，例如布置在單獨的管道的引導排出流體的壁中，該壁不(必要)是導熱元件的一部分。優選地，一個以上的開口布置在熱氣體入口的下游。在根據本發明的設備的優選實施方式中，多個開口沿著第三管道的長度布置。例如，這多個開口可以橫跨設備的寬度或寬度的一部分布置，諸如橫跨導熱板的寬度或寬度的一部分布置。
[0020]第三管道中的一個以上開口或多個開口的設置支持穿過所述多個開口的排出流體的混合:排氣流體在幾個位置處被引導到熱氣體中。通過沿著第三管道的長度附加地布置多個開口，排出流體在沿著第三管道的長度布置的位置處被引導到熱氣體中，這些位置可以是設備的寬度或寬度的一部分，例如為導熱元件或導熱板的寬度或寬度的一部分，或者為第二管道的整個寬度。例如，一排大約Imm尺寸的孔可以優選地在第二管道的整個寬度范圍內均勻地布置。例如，一排十個或二十個孔可以相對于第二管道布置在相同的縱向位置處。
[0021]依照根據本發明的設備的一方面，排出流體入口布置在用于設備中的熱交換過程的最大縱向延伸部內。由此，不僅一個以上的開口而且排出流體入口也布置在最大縱向延伸部內。排出流體入口有利地平行于導熱元件例如布置在最大縱向延伸部的靠近熱氣體入口的一端，或者與最大縱向延伸部的中心相對地布置，或者布置在該一端和該中心之間。因此，排出流體可以在從熱氣體的傳熱可能已經開始的位置處被引入設備中。這可以有利地在于:排出流體可能已借助導熱元件被加熱；至冷流體的傳熱已經將熱氣體冷卻下來并且防止或最小化排氣的快速氧化或其它放熱反應；設備可以以緊湊的方式或者通過前述優點的組合來構造。
[0022]排出流體在排出流體入口處被引入設備中并且在第三管道中被引導到該第三管道的一個以上的開口。這一個以上的開口可以布置在熱氣體入口的下游，使得排出流體直接被引入熱氣體中并且排出流體和熱氣體的混合在將排出流體引入第二管道中之后立即發生。熱氣體的流沿著該熱氣體在第二管道中的流動方向攜帶排出流體。
[0023]在根據本發明的設備的一方面，第三管道在與第一管道或第二管道的方向垂直的方向上布置。通過第三管道垂直于第一管道或第二管道或者垂直于兩者的布置，可以獲得第三管道在第一管道或第二管道中或者緊接于該第一管道或第二管道的節省空間的布置。第三管道可以被布置在設備中，而沒有或沒有顯著地分別縮短第一管道或第二管道的長度。另外，垂直布置允許設置多個橫跨設備的寬度或寬度的一部分延伸的開口并且允許沿著第二管道的寬度或寬度的一部分將排出流體引入熱氣體中，從而支持排出流體和熱氣體的混合。如果第三管道和第二管道垂直于彼此布置，則沿著第三管道的長度布置的一行開口同時布置在第二管道的相同的縱向位置處。通過這樣的布置，便于根據本發明的設備的單獨的元件的制造。
[0024]依照根據本發明的設備的一方面，第一管道和第三管道布置在導熱元件的同一偵U，并且用于使排出流體從第三管道進入第二管道中的一個以上的開口布置在導熱元件中。通過該布置，冷流體和排出流體在導熱元件的同一側在相應的第一管道和第三管道中被引導。用于冷流體和排出流體的分隔的管道能通過簡單構造的裝置來實現。另外，排出流體可以在熱交換器的“冷”側被引入設備中，從而防止或限制化學反應，尤其是在排出流體與熱氣體混合之前的放熱化學反應，例如氧化。通過使排出流體穿過導熱元件中的一個以上的開口，第二管道可以無任何障礙物。由于熱氣體的低密度，第二管道中的這樣的障礙物可能導致第二管道范圍內的壓降。
[0025]第一管道和第三管道之間可以布置有流密性分隔元件，以將第一管道和第三管道流密地分隔。第一管道和第三管道優選地彼此相鄰地布置并且僅由流密性分隔元件分隔，使得沒有流體從第一管道交換到第三管道或者反之亦然。分隔元件可以是例如呈桿形式的間隔件。這樣的間隔件也可以限定管道的尺寸，例如限定管道的高度或厚度。
[0026]依照根據本發明的設備的另一方面，第二管道和第三管道布置在導熱元件的同一偵U。這樣的布置提供了一個以上的開口的位置的靈活性，在所述一個以上的開口處，排出流體進入第二管道并且實際上與熱氣體混合。例如，通過將第三管道布置在熱氣體入口的大約下游，例如與熱氣體入口相鄰或者接近第二管道的長度的一半，可以優化傳熱和反應過程。如果第三管道布置在熱氣體入口的更下游，則熱氣體的溫度已經被冷卻下來。因此，用于放熱化學反應的溫度可以被保持在期望的范圍內。而且，熱氣體入口處的熱氣體的溫度可以更高而不會已經在排出流體入口處或在一個以上的開口處引起過量化學反應。
[0027]另外，通過將第三管道和第二管道布置在導熱元件的同一側，可以延長用于引導冷流體的第一管道。該第一管道可以尤其是延長到設備的基本上整個長度，使得例如導熱元件的整個長度可以用于熱交換過程。
[0028]依照根據本發明的設備的另一方面，導熱元件是布置在第一側板和第二側板之間的導熱板。導熱板以及第一側板和第二側板布置成彼此隔開一定距離，從而在第一側板和導熱板之間形成第一間隙并且在導熱板和第二側板之間形成第二間隙。
[0029]板式熱交換器由于它們的可用于傳熱的大的表面積而非常有效。板裝置的制造是便利的并且可以容易地延伸成多重疊堆。另外，通過在熱交換板的一側設置兩個管道并且在熱交換板的相反一側設置一個管道，不需要用于附加的或單獨的冷卻/加熱或者用于分隔的排氣流的管道用的另外的板。這簡化了制造并且使根據本發明的設備非常緊湊。
[0030]在根據該方面的一個實施方式中,第一間隙由流密性分隔兀件分成第一管道和第二管道。第二管道由第二間隙形成并且一個以上的開口布置在導熱板中。在由流密性分隔元件分隔的第一間隙中，該間隙的一部分形成第一管道并且該間隙的另一部分形成第三管道。為了使排出流體從導熱板的一側到導熱板的另一側而進入第二管道的熱氣體中，一個以上的開口布置在導熱板中。在該布置中，第二間隙形成第二管道。其中，熱氣體可以從熱氣體入口基本上不受到干擾地流到熱氣體出口。
[0031]也可以在第一管道中結合第三管道。由此，第一管道可以在導熱元件的長度或長度的一部分范圍內延伸。
[0032]在根據該方面的另一實施方式中，第一管道由第一間隙形成并且第二管道由第二間隙形成，而第三管道布置在第二管道中。將第三管道結合到第二管道中允許與在第二管道中不存在第三管道的情況相比提供了具有相同長度的第二管道，其長度有利地對應于導熱板的長度。然后熱氣體流過第三管道，這可以引起紊流并且支持從第三管道釋放的排出流體與第二管道中的熱氣體混合。
[0033]依照根據本發明的設備的另一方面，第二管道包括用于另外的化學反應的催化活性元件，所述另外的化學反應諸如為排出流體/熱氣體的混合物的氧化。
[0034]為了進一步支持化學反應，諸如排出流體/熱氣體的混合物的氧化過程，或者在熱氣體的溫度不足以發生化學反應或者不足以使排出流體完全起反應的情況下，在第二管道中可以布置催化活性元件。這樣的催化活性元件可以布置在第二管道的限定區域中并且可以布置在排出流體的下游并且尤其是布置在一個以上的開口的下游。催化活性元件優選地例如這樣布置在第二管道的中間部，使得能利用熱交換過程中的反應熱。術語“中間部”優選地限定了第二管道的這樣的區域，該區域在第二管道的總長的大約50%的范圍內延伸并且布置在第二管道的中間長度附近。然而，催化活性元件也可以在上游布置到例如遠至對應于第一管道的位置或者以基本上直接對應于排氣的注入位置。[0035]催化活性元件可以是第二管道的壁的一部分的催化活性涂層。涂層不會增強或者不會顯著地增強第二管道中的流體流動的阻力。另外，涂層可以在組裝設備之前施加至管道壁。
[0036]依照根據本發明的設備的一方面，冷流體入口和熱氣體出口布置在設備的一個端部處，并且冷流體出口、熱氣體入口、排出流體入口以及一個以上的開口布置在設備的相反端部處。設備的端部可以尤其是設備的頂部，并且設備的相反端部可以是設備的底部。
[0037]通過將用于冷流體和熱氣體的入口和出口布置在設備的兩個相反端部上，熱交換過程的兩種流體被沿逆向流方向弓I導通過該設備。這是熱交換器中的用于從熱氣體到冷流體的最大傳熱的有利的流動方向。另外，通過將管道的入口和出口布置在兩個相反端部上，設備的最大延伸部(最大程度在導熱元件的整個長度上)可以用于熱交換過程。通過將排出流體入口以及一個以上的開口與熱氣體入口相比布置在設備的同一端部上，第二管道的長度的大部分可以用于混合排出流體和熱氣體，用于混合物的氧化并且用于至冷流體的傳熱。
[0038]通過將入口和出口布置在頂部和底部中，冷流體和熱氣體或者混合物分別基本上具有自頂向下和自底向上的流動方向。然而，水平的或任何其它傾斜的流動方向對于根據本發明的設備也是可行的。
[0039]入口和出口在端部處的布置不僅對于如上所述的逆向流應用是有利的。而且同向流或交叉流布置根據應用也是優選的。例如在同向流布置中，熱氣體和冷流體基本上平行流動。因此，在同向流布置中，熱氣體和冷流體之間的導熱元件的溫度相當均勻。這可以有利地使得化學反應能夠在大約恒溫下在大的表面上進行。
[0040]術語“端部”和“相反端部”以及“頂部”和“底部”限定了根據本發明的設備的這樣的區域，這些區域在設備的一半(上半部、下半部)范圍內延伸并且優選地限定了在設備的起始于該設備的一端或相反端(底部、頂部)的三分之一(最上三分之一、最下三分之一)范圍內延伸并且沿設備的中間的方向延伸。其中，設備限定了縱向軸線，該縱向軸線在頂-底布置中豎直地布置。
[0041]依照根據本發明的設備的另一方面，第二管道的壁包括用于支持排出流體與熱氣體的混合的輪廓結構。這些輪廓結構可以用來引起第二管道中的旋渦效應，該效應支持排出流體與熱氣體的混合并且因此可以有利地影響排出流體的氧化過程。
[0042]輪廓結構可以是第二管道的壁或壁的多個部分的表面結構。輪廓結構也可以是異型壁。輪廓結構的示例是粗糙表面、表面上的下沉部、凹陷、翼片或凹槽或者壓印的波狀或“人字形”圖案。輪廓結構也可以擴大例如導熱元件的表面從而增強熱交換。
[0043]依照根據本發明的設備的一方面，該設備還包括至少一個另外的導熱板、至少一個另外的側板以及至少一個另外的排出流體入口。至少一個另外的導熱板以及至少一個另外的側板以交替方式布置并且在這些側板和至少一個另外的導熱板之間形成至少一個另外的第一間隙以及至少一個另外的第二間隙。至少一個另外的第二管道由至少一個另外的第二間隙形成。用于將排出流體引入至少一個另外的第二管道的一個以上的另外的開口布置在用于熱交換的最大縱向延伸部內并且相對于第二管道處于基本上相同的縱向位置處。因此該布置形成熱交換和流體混合設備的多重疊堆。
[0044]根據本發明的設備的板布置允許設備容易延伸以形成平行布置的熱交換和流體混合設備的多重疊堆。因此，相同的元件彼此緊鄰地堆疊使得熱交換板和側板以交替順序布置。而且，包括相應的管道的間隙以交替順序布置。由此，可以制造多個組合的混合器和熱交換器的非常緊湊的布置。在多疊堆設備中，對應的入口和出口優選地在相應的收集器或歧管中接合。例如，在具有多個(N個)熱氣體出口的多重疊堆中，N個熱氣體出口僅在一個收集器中接合。這簡化了根據本發明的設備至其它裝置的連接。
[0045]雖然根據本發明的設備可以以成本有效的方式制造，但是該成本有效在制造根據本發明的設備的多重疊堆的情況下甚至更能感覺到。僅必須制造兩種板，這兩種板可以通過擠壓或切割而形成。而且可以使用相同的另外的分隔元件。對于結合了熱交換和流體混合的一個設備或多疊堆設備僅需要一個外殼，這是因為流體混合被結合到熱交換中。不需要用于將分離的流體混合器連接至熱交換器的組裝成本，這是因為設備被制造為單個部件。
[0046]根據本發明的設備有利地用于結合并且與一個燃料電池或多個燃料電池結合。用于這樣的燃料電池的示例是固體氧化燃料電池(S0FC)、堿燃料電池(AFC)、熔融碳燃料電池(MCFC)以及磷酸燃料電池(PAFC)。該結合由作為一種示例性燃料電池的固體氧化燃料電池(SOFC)來描述。SOFC因它們的高效率而有利地用于催化能量轉換。這是因為它們在高溫(500至1000攝氏度)下操作，在燃料氣體可以用于燃燒電池中之前，提前將包含碳的燃料氣體重整以獲得氫不是必需的。然而，氧化劑(通常為空氣或氧氣)在被供給至SOFC之前需要被預熱。來自離開SOFC的熱損耗空氣的熱量可以利用根據本發明的設備的熱交換功能而進一步用于該設備中，并且在根據本發明的設備中被加熱的冷流體可以直接用作用于SOFC的預熱空氣。另外，留在離開SOFC的貧化燃料中的燃料也可以通過將SOFC的貧化燃料出口連接至排出流體入口而被使用。
[0047]因此，SOFC的相應的入口和出口可以連接至根據本發明的設備的相應的入口和出口。其中，第一管道的冷流體出口連接至固體氧化燃料電池的空氣入口，并且固體氧化燃料電池的空氣出口連接至第二管道的熱氣體入口。固體氧化燃料電池的貧化燃料出口連接至排出流體入口。根據本發明的設備的冷流體入口和熱氣體出口可以不連接至另一裝置或設備，而是使其通向環境。
[0048]尤其是在其中根據本發明的設備與必須達到環境溫度以上的某一操作溫度的裝置相連的應用中，所述裝置是例如在高溫下操作的燃料電池，排出流體也可以是未被耗盡的燃料。通過例如氧化燃料產生的反應熱與冷流體交換，該冷流體由于與貧化燃料相比具有更高的燃料的能量密度而被快速加熱。在常規的應用中，特定的啟動燃燒器(例如氣體燃燒器或電燃燒器)用來將熱氣體從20攝氏度預熱到大約800攝氏度，然后熱氣體可以被引入熱交換器中。與根據本發明的設備結合，在操作開始時可以使用少量的(非貧化)燃料，使得啟動燃燒器可以被省除，可以具有較簡單的構造(所需的較少動力)或者常規的啟動燃燒器可以用于減少的服務時間，例如僅用幾分鐘就能將熱氣體預熱到大約200攝氏度的溫度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]在下文中借助附圖來示出根據本發明的設備的實施方式，附圖中:
[0050]圖1示出了設備的實施方式的分解圖；[0051]圖2、圖3和圖4示出了在入口和出口處具有收集器的圖1的實施方式的另外的視圖，其中圖2是穿過如圖1中的板疊堆的前視圖，圖3是沿著線A-A剖取的縱向剖切側視圖，以及圖4是圖3的細節B的放大圖；
[0052]圖5是設備的另一實施方式的略圖；
[0053]圖6是圖5的實施方式的剖視圖；
[0054]圖7示出了通過熱交換板中的一排開口被引入到熱氣體中的流體的模擬。
【具體實施方式】
[0055]在圖1中，示出了板式熱交換器和流體混合器的實施方式。三個板1、2、3以面對面的方式彼此緊鄰地布置。板1、2、3由在這些板之間形成間隙4、5的間隔件41、42、43、51隔開。在第一板I和第二(中間)板2之間形成第一間隙4，并且在第二板2和第三板之間形成第二間隙5。第二間隙5形成第二管道55,該第二管道55設置為用于將熱氣體(熱氣體的流動方向由深箭頭56表示)，例如熱空氣引導通過該第二管道55。第一間隙4由間隔件43分成上部分和下部分。第一間隙4的上部分形成第一管道44，該第一管道44設置為用于將例如冷空氣的冷流體(冷流體的流動方向由長的淺箭頭49表示)引導通過該第一間隙4。第二板2是包括導熱材料或由導熱材料制成的導熱板，其用于將熱量從在第二管道55中被引導的熱氣體傳遞到在第一管道44中被引導的冷流體。導熱板2的長度L限定了用于設備中的熱交換過程的最大縱向延伸部22。該裝置作為熱交換器工作。
[0056]第一間隙4的下部分形成第三管道45。分隔該第三管道的間隔件43優選地水平布置并且在導熱板2的整個寬度W范圍內延伸。該間隔件43布置成優選地形成第一管道44和第二管道45之間的氣密性和流密性間隔。第三管道45設置為用于引導例如排氣或貧化燃料的排出流體(排出流體的流動方向由小箭頭42表示)。
[0057]導熱板2設置有多個開口 21，例如一行穿孔。該行穿孔優選地沿著對應于導熱板2的寬度W的第三管道45的長度延伸。開口 21成一排布置在圖1的實施方式的相同的縱向位置處。該位置對應于第二管道55的相同縱向位置，以使得排氣42在相同的縱向位置處被引入第二管道55中，或者由于第二管道是直管道，因此第二管道55的長度從熱氣體入口 52開始測量。所注入的排氣42到達這樣的區域，該區域在注入之后基本上同時由冷流體和催化活性部分54冷卻，而與排氣42所注入的開口 21無關。由此，可以提供排氣到第二管道55的熱氣體中的受控的注入。開口 21優選地橫跨寬度W均勻地分布，支持排出流體與熱氣體均勻和充分的混合，這進一步支持根據本發明的設備中的受控的化學反應和熱交換。
[0058]排出流體借助布置在設備的底部中并且在第一間隙4的前側(相對于圖1)的排出流體入口 46進入第三管道45。排出流體通過導熱板2中的多個開口 21離開第三管道45并且進入第二管道55。排出流體與在第二管道中流動的熱氣體混合(該混合由轉向淺箭頭的深箭頭56指示)。熱氣體借助熱氣體入口 52進入第二管道55并且流向設備的頂側而到達熱氣體出口 53。現在被冷卻的熱氣體以及如可以存在的任何反應產物(諸如水、二氧化碳等)借助熱氣體出口 53離開第二管道55。
[0059]熱氣體入口 52布置在設備的底側并且基本上在底側的整個寬度范圍內延伸。熱氣體出口 53布置在設備的頂側并且基本上在頂側的整個寬度范圍內延伸。[0060]排出流體入口 46以及多個開口 21布置在設備的底部中。由此，排出流體與熱氣體的混合在設備的一個端部處開始并且排出流體/熱氣體的混合物沿著第二管道55的大部分長度被引導。其中，熱交換板2的大部分表面可以用于從熱氣體經由熱交換板到冷流體的熱交換并且混合物在第二管道5中花費的大部分時間可以用于化學反應，該化學反應優選地為放熱化學反應，諸如氧化過程。
[0061]為了確保排出流體被氧化，例如如果熱氣體的溫度不足以開始或維持氧化反應，則第二管道55設置有催化活性部分54，例如位于第三板3的表面上的催化活性涂層。該催化活性部分54布置在多個開口 21的下游(相對于熱氣體的流動方向)。優選地，催化活性部分54在第二管道55的中間部范圍內延伸，以允許充分混合并且仍利用在熱交換過程中由排出流體的氧化反應產生的反應熱。
[0062]冷流體借助布置在設備的頂部中并且位于第一間隙4的后側(相對于圖1)的冷卻流體入口 47進入第一管道44。冷流體在其流過第一管道44期間被由導熱板2提供的熱量加熱，導熱板2由在該導熱板2的另一側的第二管道55中被引導的熱氣體加熱。在進入熱交換和流體混合設備之前和離開該設備之后為了簡便原因而被稱為冷流體的冷流體被加熱到例如幾百攝氏度。冷流體借助布置在設備的底部中并且位于設備的前側(相對于圖1)的冷流體出口 48離開第一管道44。該被加熱的冷流體可以進一步例如用作空調中的熱源，或者如在優選實施方式中用作燃料電池用的預熱空氣源。
[0063]催化活性元件54的上游端可以直接對應于第一管道44的最下游縱向位置。由此，第二管道55中的反應受其在設備中的特定縱向位置處的初始條件或另外的支持控制。另夕卜，反應熱由第一管道中的冷流體直接帶走。也就是說，在第二管道中不產生過多的熱量，該過多的熱量不會被直接并且還以受控的方式帶走。
[0064]在圖2至圖4中，示出了處于安裝狀態的圖1的設備，該設備包括位于入口和出口處的收集器47至61。與圖1相同的附圖標記用于相同的或相似的特征。
[0065]在圖1和圖2中，所有入口和出口都布置在用于熱交換的最大縱向延伸部22內(熱氣體入口和出口布置在延伸部22的最外端處)。在圖2和圖3中，熱氣體入口收集器58和熱氣體出口收集器57相對于設備的縱向與最大縱向延伸部22相鄰地布置，例如布置在延伸部22的相對于熱氣體流的上游或下游。這樣的收集器有利地用于作為多疊堆建造的設備。例如根據本發明的具有多個(N個)第二管道55的設備還包括多個(N個)熱氣體出口 53。然而，多個(N個)熱氣體出口 53在一個熱氣體出口收集器57處被放在一起。這可以同樣地適用于熱氣體入口 52、冷流體入口 47和冷流體出口 48以及排出流體入口 46。其中，多個第二管道的數量N、多個第一管道的數量M以及多個第三管道的數量L可以彼此相同或不同。
[0066]圖2中的設備的貫穿視圖示出了單獨流體的流動。由深箭頭56表示的熱氣體在布置于設備的整個底側內并且布置在最大縱向延伸部22的略微外側或上游處的熱氣體入口收集器58處進入設備，所述熱氣體向上流動并且在熱氣體出口收集器57處離開設備，該熱氣體出口收集器57也布置在設備的整個頂側內并且布置在最大縱向延伸部22的略微外側或下游處。由淺箭頭49表示的冷流體在冷流體入口收集器59處進入設備，該冷流體入口收集器在設備的頂部中布置在設備的一側(圖2中的左側)，而恰好位于熱氣體出口收集器57的下方并且位于最大縱向延伸部22內。間隔件41與設備的頂部相對地封閉第一管道44。冷流體向下流動并且在冷流體出口收集器60處離開設備，該冷流體出口收集器在設備的相反側(圖2中的右側)布置在設備的底部中并且位于最大縱向延伸部22內。冷流體出口收集器60布置在排出流體入口收集器61的上方并且與該排出流體入口收集器隔開間隔件43的距離。排出流體入口收集器61布置在設備的與冷流體出口收集器60相同的一偵儀圖2中的右側)并且位于最大縱向延伸部22內，但是也可以在底部中布置在冷流體入口收集器59的一側。
[0067]如圖4所示，該圖4是圖3的細節B的放大圖，該圖3本身是沿著圖2的線A-A的剖視圖，為了清楚起見僅針對單個疊堆示出，排出流體在第一板I和導熱板2以及上間隔件43和下間隔件41之間形成的第三管道45中流動。排出流體穿過多個開口 21，這些開口布置成一行并且位于導熱板中的相同的縱向位置或長度處。排出流體然后進入第二管道55，與熱氣體混合并且穿過催化活性部分54。氧化產物與熱氣體一起分別通過熱氣體出口 53或熱氣體出口收集器57離開設備。
[0068]在冷流體側引導排出流體是有利的，這是因為熱氣體在第二管道中的流動保持不受干擾。由于熱氣體通常具有非常低的密度，因此流路中的障礙可能引起熱氣體管道范圍內的不需要的壓降。
[0069]管道的入口和出口終止于收集器中并且在該實施方式中被實施為形成熱交換器主體的基本上矩形的板1、2、3的向上和向下延伸的接口。這樣的接口簡化了至可供根據本發明的設備連接的例如能量轉換器(諸如燃料電池或其它裝置)的對應的入口和出口的連接。
[0070]在圖5和圖6中，示出了根據本發明的設備的另一實施方式，其中第三管道45’布置在引導熱氣體的第二管道55’中。該設備布置在水平位置，使得用于熱交換過程的冷流體/熱氣體流沿著矩形板的長度在逆向流左-右/右-左方向上發生。再次，相同的附圖標記用于相同或相似特征。寬的深箭頭56表示熱氣體流，窄的深箭頭49表示冷流體流，并且小箭頭42表示排出流體流。
[0071]在該實施方式中，從熱氣體通過與導熱板2’接觸到冷流體的熱交換過程在最大縱向延伸部22范圍內進行。該熱交換過程在導熱板的整個長度L范圍內進行，這是因為具有相應的收集器58、57的熱氣體入口 52和出口 53以及具有相應的收集器60’、59的冷流體入口 47和出口 48布置在最大縱向延伸部22的端部處。
[0072]排出流體入口收集器61’或至少一個排出流體入口 46布置成接近設備的中間長度或者接近導熱板2’的長度的一半。第三管道45’結合到第二管道中(參見圖6)并且在第二管道55’的寬度和導熱板2’的寬度W范圍內延伸。第三管道45’垂直于第二管道55’布置并且在導熱板2’和第二側板3之間的第二間隙5的寬度的大約一半范圍內延伸。在第二間隙的寬度的另一半中，熱氣體流過第三管道45’。第三管道45’沿著該第三管道的長度設置有多個開口 21’，這多個開口相對于第二管道布置在下游側并且布置在相同的縱向位置處。由此，第三管道中的排出流體可以離開第三管道并且橫跨第二管道55’的寬度在幾個位置處進入該第二管道中的熱氣體。第三管道形成熱氣體的路徑中的障礙物并且使得熱氣體和排出流體成漩渦，這附加地支持了這兩種流體的混合。為了最優化第二管道中的壓降，第三管道也可以在長度方面受限，即不在第二管道的整個寬度W范圍內延伸。則第二管道中的熱氣體繞過注入和混合區域。[0073]因為沒有排出流體需要穿過導熱板2’，因此在導熱板2’中沒有設置開口。
[0074]冷流體出口 48和冷流體出口收集器59布置在設備的一端處(圖5中的右側)。因此，冷流體在其中被引導的第一管道44’的長度被擴大到導熱板2’的整個長度，從而提高熱交換過程的效率。
[0075]將第三管道布置在第二管道中從而在該第二管道的更中心位置中引導熱氣體允許在設備的具有比熱氣體入口處更低的溫度的位置中布置排出流體的注入和混合。如果熱氣體入口處的溫度非常高，則可能已經在第二管道的熱壁處發生了排出流體的快速氧化，由此進一步升高溫度。通過將第三管道布置在熱氣體入口的更下游，氧化溫度可以被選擇并且適于根據本發明的設備的相應的應用。尤其是，根據本發明的設備可以用于更極限的條件下，諸如熱氣體的較高初始溫度。
[0076]可以看出的是，與位于導熱板2’的一端處，即，位于最大縱向延伸部22的一端處的熱氣體入口相比，也可以在第二管道中在相同的縱向位置處布置排出流體入口。在這樣的布置中，用于將排出流體引入第二管道中的一個以上的開口可以與排出流體入口相同。
[0077]在圖6中，該設備被示出為多重疊堆。另外的導熱板200和另外的側板300例如如圖1所示堆疊在基礎疊堆的板2’、3 (最下側板I未被示出)的疊堆的頂部上。形成對應的另外的第一間隙和第二間隙。設置有開口 21’的另外的第三管道450布置在第三管道45’中。
[0078]而且如圖1至圖3所示的設備可以延伸為熱交換和流體混合設備的多重疊堆。其中，設置有具有開口的另外的熱交換板，并且在相應的位置中布置有另外的間隔件。
[0079]圖7中，示出了通過熱交換元件(優選地為板)中的開口 21被引入熱氣體中的流體的模擬。該模擬示出了包含氫以及其它組分(諸如CO、CO2和水)的陽極氣體的示例。陽極氣體被引入處于700攝氏度的溫度的陰極氣體中。陰極氣體包含氧氣、N2和水。水以蒸汽或水蒸氣的形式被提供。在這些溫度下并且在用于模擬的給定的氫和氧的濃度下，氣體混合物的點燃在將陽極氣體引入陰極氣體之后的5ms之后開始。在該圖中，表示氣體流動的流線66以灰色陰影描繪，該陰影隨著時間從注入點21開始改變(在注入點21處是深的；在5ms后是深的)。流線66在注入之后的5ms后終止。基于在氣體流注入和紊流之后的散布類型，氣體流如由流線66的不同長度表示的那樣進一步向下游前進到設備中。流動方向由箭頭69表示。
[0080]線64表示冷流體在開口 21的下游的位置處并且在熱交換元件的與陰極氣體相反的一側的布置。也就是說，線64表示設備的其中現在與陽極氣體混合的熱陰極氣體開始借助熱交換元件得到冷卻的部分。因此，冷管道的位置可以選擇為使得待在設備中執行的反應的溫度和其它參數被最優化。在本示例中，冷管道布置成對應于所引入的流在注入陽極氣體時或者優選地在注入陽極氣體之后的5ms后到達的距離。由此，在沒有冷卻的情況下也不發生燃燒。優選地線64還表示熱管道中的催化活性涂層的上游端。催化活性涂層優選地布置成使得點燃只在催化活性熱交換器區域處開始。
[0081]在圖7中能看見的是，大部分流線66在當注入時間之后已經過去5ms時或過去5ms之前不久到達線64。此刻氣體到達其中氣體由冷流體冷卻的部分。同時氣體將開始燃燒，該燃燒反應由在該區域開始的催化活性涂層附加地支持或引起。然而，由于冷卻作用，化學過程成為完全的氧化反應而不是燃燒。由此，由氧化反應引起的過多熱量被使用并且在熱交換器中被帶走。不會發生可能損壞設備的不受控制的反應。涂層附加地支持氣體混合物的受控燃燒。
[0082]已經參照圖中所示的實施方式描述了本發明。然而，對于本領域技術人員來說明顯的是，在不脫離本發明的范圍的情況下可以進行多種變化、修改或改變。僅通過示例而言，入口和出口的布置可以是不同的。例如入口、出口和收集器可以不同地布置，例如也垂直于側板布置。而且，管道被實施的方式可以不同于附圖中實際上所示的管道。所有這樣的變化、修改或改變旨在處于由所附的權利要求限定的本發明的范圍內。
【權利要求】
1.一種組合式熱交換和流體混合設備，所述組合式熱交換和流體混合設備包括: -用于引導冷流體從其通過的第一管道(44，44’)，所述第一管道包括冷流體入口(47)和冷流體出口(48，48，)； -用于引導熱氣體從其通過的第二管道(55，55’)，所述第二管道包括熱氣體入口(52)和熱氣體出口(53)； -導熱元件(2，2’)，所述導熱元件布置在所述第一管道(44，44’)和所述第二管道(55，55’ )之間，以將熱量從所述熱氣體引導到所述冷流體，所述導熱元件具有限定用于所述組合式熱交換和流體混合設備中的熱交換過程的最大縱向延伸部(22)的長度(L)，所述組合式熱交換和流體混合設備還包括: -用于引導排出流體的第三管道(45，45’)，所述第三管道(45，45’)包括排出流體入口(46)，所述排出流體入口布置在所述第三管道(45，45’)的一端處，以將所述排出流體引入所述組合式熱交換和流體混合設備中，以使所述排出流體與所述熱氣體混合并且使如此形成的排出流體/熱氣體的混合物在所述第二管道(55，55’)中發生化學反應，其中，所述第三管道(45，45 ’)設置有用于使所述排出流體從所述 第三管道(45，45 ’)進入所述第二管道(55，55’)中的一個以上的開口(21，21’)， 其中，用于將所述排出流體引入所述第二管道中的所述一個以上的開口(21，21’)布置在用于所述組合式熱交換和流體混合設備中的熱交換過程的所述最大縱向延伸部(22)內，并且所述一個以上的開口(21，21’)相對于所述第二管道(55，55’)布置在基本上相同的縱向位置處。
2.根據權利要求1所述的組合式熱交換和流體混合設備,其中，所述排出流體入口(46)布置在用于所述組合式熱交換和流體混合設備中的熱交換過程的所述最大縱向延伸部(22)內。
3.根據權利要求1或2所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述一個以上的開口(21，21’)布置在所述熱氣體入口(52)的下游。
4.根據前述權利要求中的任一項所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述第三管道(45，45’)在與所述第一管道(44，44’)或所述第二管道(55，55’)的方向垂直的方向上布置。
5.根據前述權利要求中的任一項所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述第一管道(44，44 ’)和所述第三管道(45，45 ’)布置在所述導熱元件(2 )的同一側，并且所述一個以上的開口(21，21’)布置在所述導熱元件(2)中。
6.根據權利要求5所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，在所述第一管道(44)和所述第三管道(45)之間布置有流密性分隔元件(43)，以將所述第一管道(44)和所述第三管道(45)流密地分隔。
7.根據權利要求1至4中的任一項所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述第二管道(55 ’)和所述第三管道(45 ’)布置在所述導熱元件(2，2 ’)的同一側。
8.根據權利要求5或6所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述導熱元件(2)是布置在第一側板(I)和第二側板(3)之間的導熱板，所述導熱板(2)以及所述第一側板(1)和所述第二側板(3)布置成彼此隔開一定距離，從而在所述第一側板(I)和所述導熱板(2)之間形成第一間隙(4)并且在所述導熱板(2)和所述第二側板(3)之間形成第二間隙(5)，其中所述第一間隙(4)被分隔成所述第一管道(44)和所述第三管道(45)，所述第二管道(55)由所述第二間隙(5)形成，并且所述一個以上的開口(21)布置在所述導熱板(2)中。
9.根據權利要求1至4中的任一項或權利要求7所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述導熱元件(2，2’)是布置在第一側板(I)和第二側板(3)之間的導熱板，所述導熱板(2，2’)以及所述第一側板(I)和所述第二側板(3)布置成彼此隔開一定距離，從而在所述第一側板(I)和所述導熱板(2，2’)之間形成第一間隙(4)并且在所述導熱板(2，2’)和所述第二側板(3)之間形成第二間隙(5)，其中所述第一管道(44’)由所述第一間隙(4)形成并且所述第二管道(55 ’)由所述第二間隙(5 )形成，而所述第三管道(45 ’)布置在所述第二管道(55’)中。
10.根據前述權利要求中的任一項所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述一個以上的開口(21、21’)沿著所述第三管道(45、45’)的長度布置。
11.根據前述權利要求中的任一項所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述第二管道(55，55’)包括用于進一步的化學反應的催化活性元件(54)，所述另外的化學反應例如是所述排出流體/熱氣體的混合物的氧化。
12.根據權利要求11所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述催化活性元件(54)的上游端布置在這樣的位置 處，所述位置基本上對應于所述第一管道(44，44’)的最下游位置。
13.根據前述權利要求中的任一項所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中 -所述冷流體入口(47)和所述熱氣體出口(53)布置在所述組合式熱交換和流體混合設備的一個端部處；并且 -所述冷流體出口(48)、所述熱氣體入口(52)、所述排出流體入口(46)以及所述一個以上的開口(21，21’)布置在所述組合式熱交換和流體混合設備的相反端部處。
14.根據前述權利要求中的任一項所述的組合式熱交換和流體混合設備，其中，所述第二管道(55，55’)的壁包括用于支持所述排出流體與所述熱氣體的混合的輪廓結構。
15.根據權利要求8或9所述的組合式熱交換和流體混合設備，該設備還包括: -至少一個另外的導熱板(200)； -至少一個另外的側板(300)； 所述至少一個另外的導熱板(200)和所述至少一個另外的側板(300)以交替的方式布置并且在這些側板和所述至少一個另外的導熱板之間形成至少一個另外的第一間隙和至少一個另外的第二間隙，由所述至少一個另外的第二間隙形成至少一個另外的第二管道； -至少一個另外的排出流體入口 ；以及 -用于將所述排出流體引入所述至少一個另外的第二管道中的一個以上的另外的開口，所述一個以上的另外的開口布置在用于熱交換過程的所述最大縱向延伸部(22)內并且相對于所述第二管道位于基本上相同的縱向位置處； 從而形成熱交換和流體混合設備的多重疊堆。
【文檔編號】F01N3/28GK103727822SQ201310470679
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年10月10日 優先權日:2012年10月11日
【發明者】Y·德沃斯, F·沃蘭特斯, J-P·H·漢森斯 申請人:斯坎比亞控股塞浦路斯有限公司