ТЕПЛООБМЕННИК Российский патент 2008 года по МПК F28D9/00 C10K3/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к теплообменникам в целом и, более конкретно, к рекуперативным теплообменникам, которые находят много вариантов применения в промышленности, включая системы на топливных элементах.

Предпосылки изобретения

Теплообменники, которые передают тепло от одного потока текучей среды другому потоку текучей среды и в которых удельные массовые расходы каждого из потоков текучей среды, по существу, пропорциональны друг другу, известны. Возможно наиболее распространенным примером таких теплообменников являются рекуперативные теплообменники, которые рекуперируют или извлекают полезное тепло из рабочей жидкости системы, когда рабочая жидкость проходит через систему. Один пример такого рекуперативного теплообменника можно обнаружить в системе переработки топлива систем на топливных элементах с протонообменной мембраной. В типичных системах на топливных элементах топливо, такое как метан или подобный углеводород, используется в качестве источника водорода для топливного элемента. Такой углеводород должен быть преобразован в системе перед достижением топливного элемента для получения газообразного водорода. Преобразование в типичном случае осуществляется системой переработки топлива при помощи серии каталитических химических реакций, каждая из которых должна происходить в разных индивидуальных диапазонах температур. Теплообменники, включая рекуперативные теплообменники, используются для чередующегося нагрева и охлаждения потока газа до необходимых температур каталитических реакций для переработки.

Один пример таких систем на топливных элементах показан на фиг.1. В системе 8 на топливных элементах с протонообменной мембраной используется метан (СН₄) в качестве топлива, и она включает топливный элемент 10 с протонообменной мембраной, окислитель 20 остаточного анодного газа, теплообменник 22, который передает тепло остаточного газа воздуху/метану и воде (Н₂O), поступающим в систему 8, увлажнитель 24, который увлажняет увлажненную смесь воздуха и метана, поступающую из теплообменника 22, автотермическую реформинг-установку 26, высокотемпературный реактор 28 для конверсии водяного газа, который иногда бывает включен в автотермическую реформинг-установку 26, рекуперативный теплообменник 30, который передает тепло от продукта реформинга, произведенного автотермической реформинг-установкой 26, увлажненной смеси из воздуха и метана, поступающей из увлажнителя 24, другой реактор для конверсии водяного газа, который в показанном примере является низкотемпературным реактором 32 для конверсии водяного газа, и избирательный окислитель 34. При необходимости в систему 8 на топливных элементах могут быть добавлены несколько других теплообменников 36, расположенных в разных местах в системе 8 на топливных элементах для передачи тепла между различными элементами системы 8 на топливных элементах. Теплообменник 22, увлажнитель 24, рекуперативный теплообменник 30, автотермическая реформинг-установка 26, высокотемпературный реактор 28 для конверсии водяного газа, низкотемпературный реактор 32 для конверсии водяного газа и избирательный окислитель 34 формируют систему 36 переработки топлива для системы 8 на топливных элементах. Специалистам в данной области техники будет понятно, что такие системы на топливных элементах с протонообменной мембраной также включают поток катодного газа в топливный элемент 10, а также компоненты, связанные с потоком катодного газа, которые не показаны на фиг.1. Специалистам в данной области техники также будет понятно, что некоторые системы на топливных элементах могут включать среднетемпературный реактор для конверсии водяного газа вместо низкотемпературного реактора 32 для конверсии водяного газа или высокотемпературного реактора 28 для конверсии водяного газа или их обоих.

В типичном случае каталитическая реакция в автотермической реформинг-установке требует температуры входящего газа, составляющей от около 500°С до около 750°С, причем предпочтительная температура составляет приблизительно 630°С. Каталитическая реакция в низкотемпературном реакторе 32 для конверсии водяного газа требует температуры входящего потока газа в диапазоне от около 180°С до около 240°С, при этом предпочтительная заданная температура составляет приблизительно 210°С. Из-за того, что каталитические реакции в автотермической реформинг-установке 26 и в низкотемпературном реакторе 32 для конверсии водяного газа требуют температуры входящего потока газа, находящейся в относительно узком диапазоне температур, контроль температур на выходе рекуперативного теплообменника 30 является критическим для работы системы 8 на топливных элементах. Однако, если электрическая нагрузка на систему на топливных элементах изменяется, поток газа через систему, включающую теплообменник 30, также изменяется иногда в диапазоне от 10 до 1. В типичном случае эффективность теплопередачи теплообменника 30 не будет постоянной для широко изменяющегося удельного массового расхода, проходящего через него потока газа, и температуры газа, выходящего из теплообменников, таким образом, не будут удерживаться в пределах необходимого диапазона температур при всех расходах, если в теплообменник 30 не включена система управления. Типичным решением этой проблемы является активное регулирование потока, который проходит через теплообменник 30, при помощи обводной системы регулирования, такой как обводная система 38 регулирования с обратной связью, показанная на фиг.1. Система 38 регулирования в типичном случае включает датчик 40 температуры, который отслеживает температуру потока газообразного продукта реформинга, выходящего из теплообменника 30, и передает значение отслеживаемой температуры в изодромный регулятор 42 по производной, который сравнивает отслеживаемое значение температуры с заданным значением температуры и непрерывно регулирует положение электромагнитного клапана 44 для отвода части увлажненной смеси из воздуха и метана в обход теплообменника 30 по обводному каналу 46. Это ограничивает количество тепла, которое может быть передано между потоками в теплообменнике 30, и предотвращает переохлаждение продукта реформинга, подаваемого в низкотемпературный реактор 32 для конверсии водяного газа.

Хотя системы, типизированные описанной выше, могут удовлетворительно выполнять их функции, всегда существует возможность усовершенствования. Например, использование активной системы управления может увеличивать стоимость и сложность этих систем с одновременным снижением надежности таких систем.

Раскрытие изобретения

Основной задачей изобретения является получение нового и усовершенствованного теплообменника.

Другой задачей изобретения является получение рекуперативного теплообменника, который пригоден для использования в системе на топливных элементах.

Согласно одному варианту осуществления изобретения предложен теплообменник для передачи тепла между первой и второй текучими средами, причем как первая, так и вторая текучие среды проходят через теплообменник с максимальным рабочим удельным массовым расходом, и первая и вторая текучие среды проходят с удельными массовыми расходами, которые, по существу, пропорциональны друг другу.

Согласно одному варианту осуществления изобретения теплообменник включает первый многопроходный канал для потока первой текучей среды, причем каждый проход первого канала для потока имеет первый вход и первый выход, и второй многопроходный канал для потока второй текучей среды, причем каждый проход второго канала для потока имеет второй вход и второй выход. Проходы первого и второго каналов для потока расположены смежными парами, причем каждый проход первого канала для потока спарен с соседним проходом второго канала для потока. Проходы расположены так, что первая текучая среда подходит к каждой смежной паре в порядке, противоположном порядку, в котором вторая текучая среда подходит к каждой смежной паре. Первый и второй входы и выходы для каждой смежной пары расположены относительно друг друга таким образом, чтобы создавать сопутствующие потоки первой и второй текучих сред, проходящих через смежную пару. Каждая смежная пара выполнена так, чтобы обеспечивать эффективность теплопередачи, достаточную для того, чтобы температуры первой и второй текучих сред сближались или достигали общего значения температуры на первом и втором выходах смежной пары при максимальном рабочем удельном массовом расходе потока.

В одном варианте выполнения теплообменник включает пакет теплообменных элементов, образующих первый и второй многопроходные каналы для потока.

Согласно одному варианту каждый проход второго канала для потока, в котором проходит вторая текучая среда в целом, сопутствующим потоком относительно первой текучей среды, проходящей в смежном проходе смежной пары, подразделен на, по меньшей мере, два поперечных прохода, в которых вторая текучая среда образует локальный поперечный поток относительно первой текучей среды в смежном проходе.

Согласно одному варианту выполнения теплообменник также включает множество труб, причем внутренние пространства труб образуют первый многопроходный канал и, по меньшей мере, одну перегородку, расположенную относительно внешних поверхностей труб для образования второго многопроходного канала для потока по внешним поверхностям труб. В другом варианте выполнения теплообменник также включает, по меньшей мере, одну перегородку, расположенную в каждом проходе второго многопроходного канала для потока для направления второй текучей среды локальным поперечным потоком относительно первой текучей среды в смежном проходе. В одном варианте выполнения теплообменник также включает множество ребер на внешней поверхности труб, проходящих во второй многопроходный канал для потока.

Согласно одному варианту выполнения пакет включает множество пар пластин, причем каждая пара образует, по меньшей мере, один проход первого канала для потока между пластинами пары пластин и, по меньшей мере, один проход второго канала для потока между одной из пластин пары пластин и пластиной смежной пары.

В одном варианте выполнения пакет включает множество пар из перегородок и пластин, причем каждая пара из перегородки и пластины образует два прохода первого канала для потока, смежных с двумя проходами второго канала для потока.

Согласно другому варианту осуществления изобретения предложен способ работы рекуперативного теплообменника, который обеспечивает передачу тепла между первой текучей средой и второй текучей средой, проходящими с максимальным удельным массовым расходом через теплообменник, причем первая и вторая текучие среды проходят с удельными массовыми расходами, которые, по существу, пропорциональны друг другу. Способ включает следующие операции:

a) прохождение первой текучей среды в первом проходе первого канала для потока рекуперативного теплообменника;

b) прохождение второй текучей среды во втором проходе второго канала для потока рекуперативного теплообменника, причем второй проход второго канала для потока расположен смежно с первым проходом первого канала для потока, и температуры первой и второй текучих сред сближаются или достигают общего значения температуры на выходе соответствующих проходов при максимальном рабочем удельном массовом расходе;

c) прохождение первой текучей среды во втором проходе первого канала для потока рекуперативного теплообменника после прохождения первой текучей среды в первом проходе первого канала для потока; и

d) прохождение второй текучей среды в первом проходе второго канала для потока рекуперативного теплообменника раньше прохождения второй текучей среды во втором проходе второго канала для потока, причем первый проход второго канала для потока расположен смежно со вторым проходом первого канала для потока, и температуры первой и второй текучих сред сближаются или достигают общего значения температуры на выходе соответствующих проходов при максимальном рабочем удельном массовом расходе.

В одном варианте осуществления данного изобретения оно может дополнительно включать следующую операцию:

е) прохождение первой и второй текучих сред в дополнительных проходах соответствующих первого и второго каналов для потока.

Согласно другому варианту осуществления изобретения предложена система переработки топлива для системы на топливных элементах с протонообменной мембраной. Система переработки топлива включает автотермическую реформинг-установку, имеющую вход, соединенный с системой, для приема из нее увлажненной смеси из воздуха и топлива и выход, соединенный с системой, для подачи в нее потока продукта реформинга, реактор для конверсии водяного газа, имеющий вход, соединенный с системой после автотермической реформинг-установки, для приема из нее потока продукта реформинга и выход, соединенный с системой, для подачи в нее продукта реформинга с пониженным содержанием угарного газа, и рекуперативный теплообменник, включающий первый и второй каналы для потока, причем первый канал для потока соединен с системой перед автотермической реформинг-установкой для предварительного нагрева увлажненной смеси из воздуха и топлива до температуры, находящейся в необходимом диапазоне температур на входе для автотермической реформинг-установки, и второй канал для потока соединен с системой после автотермической реформинг-установки и перед реактором для конверсии водяного газа для охлаждения потока продукта реформинга до температуры, находящейся в необходимом диапазоне температур на входе для реактора для конверсии водяного газа. Первый и второй каналы для потока расположены относительно друг друга таким образом, чтобы достигать необходимых диапазонов температур на входе для автотермической реформинг-установки и реактора для конверсии водяного газа при всех расходах в пределах ожидаемого рабочего диапазона системы на топливных элементах без использования активной системы управления.

В одном варианте осуществления изобретения рекуперативный теплообменник и автотермическая реформинг-установка представляют собой объединенный узел.

Согласно другому варианту осуществления изобретения предложен способ работы системы переработки топлива для системы на топливных элементах с протонообменной мембраной. Способ включает следующие операции:

a) прохождение смеси из воздуха и топлива в первом канале для потока рекуперативного теплообменника в автотермическую реформинг-установку, расположенную после первого канала для потока;

b) прохождение продукта реформинга из автотермической реформинг-установки во втором канале для потока рекуперативного теплообменника, расположенного после автотермической реформинг-установки и перед реактором для конверсии водяного газа;

c) подачу смеси из воздуха и топлива из первого канала для потока в автотермическую реформинг-установку с температурой, находящейся в необходимом диапазоне для каталитической реакции для всех расходов в рабочем диапазоне топливного элемента;

d) подачу продукта реформинга из второго канала для потока в реактор для конверсии водяного газа с температурой, находящейся в необходимом диапазоне для каталитической реакции для всех расходов в рабочем диапазоне топливного элемента; и

е) выполнение операций с) и d) без активного управления рекуперативным теплообменником.

Согласно еще одному варианту изобретения предложен объединенный узел для системы переработки топлива системы на топливных элементах. Объединенный узел включает рекуперативный теплообменник, включающий первый канал для потока смеси из воздуха и топлива и второй канал для потока продукта реформинга, причем каждый канал для потока имеет вход и выход. Объединенный узел также включает автотермическую реформинг-установку, причем, предпочтительно, по меньшей мере, часть автотермической реформинг-установки окружена частью рекуперативного теплообменника. Автотермическая реформинг-установка включает вход, соединенный с выходом первого канала для потока, для приема из него смеси из воздуха и топлива и выход, соединенный со входом второго канала для потока, для подачи в него продукта реформинга.

В одном варианте осуществления изобретения каждый из первого и второго каналов для потока является многопроходным каналом для потока, и, по меньшей мере, часть автотермической реформинг-установки окружена конечным проходом первого канала для потока и начальным проходом второго канала для потока.

Согласно еще одному варианту изобретения предложен способ работы рекуперативного теплообменника, передающего тепло между первой текучей средой и второй текучей средой, проходящими с максимальным удельным массовым расходом через теплообменник, причем первая и вторая текучие среды имеют такие удельные массовые расходы, которые, по существу, пропорциональны друг другу, включающий следующие операции:

а) прохождение первой текучей среды в N проходах первого канала для потока рекуперативного теплообменника,

b) прохождение второй текучей среды в N проходах второго канала для потока рекуперативного теплообменника, причем первый и второй проходы расположены N смежными парами, при этом первая и вторая текучие среды проходят сопутствующими потоками в N смежных парах, и температуры первой и второй текучих сред сближаются или достигают общего значения температуры на выходах соответствующих проходов в каждой из N смежных пар при максимальном рабочем удельном массовом расходе, и первая текучая среда сначала подходит к первой паре из N смежных пар и проходит последовательно в смежных парах до N-й смежной пары, а вторая текучая среда сначала подходит к N-й смежной паре и затем проходит последовательно в смежных парах до первой смежной пары в порядке, противоположном первой текучей среде.

В одном варианте осуществления изобретения способ дополнительно включает операцию выбора количества N смежных пар, как функции необходимых диапазонов температур между соответствующими температурами на входе и выходе первой и второй текучих сред, когда они входят в рекуперативный теплообменник и выходят из него.

Другие задачи и преимущества будут понятны при ознакомлении с описанием, включающим прилагаемую формулу изобретения и чертежи.

Краткое описание чертежей

Фиг.1 - схематический вид рекуперативного теплообменника известного уровня техники, используемого в системе на топливных элементах;

фиг.2 - схематический вид, подобный показанному на фиг.1, но показывающий рекуперативный теплообменник, представляющий вариант осуществления настоящего изобретения, которым заменен рекуперативный теплообменник, показанный на фиг.1;

фиг.3 - схематический вид теплообменника, представляющего теплообменник, соответствующий настоящему изобретению;

фиг.4 - график, показывающий температуру относительно длины канала для двух текучих сред в теплообменнике, показанном на фиг.3 и 6;

фиг.5 - вид в перспективе с пространственным разделением деталей одного варианта выполнения теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;

фиг.6 - вид в перспективе с пространственным разделением деталей другого варианта выполнения теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;

фиг.7 - вид в перспективе с пространственным разделением деталей другого варианта выполнения теплообменника, соответствующего настоящему изобретению, с использованием множества элементов, показанных на фиг.6;

фиг.8 - вид в перспективе теплообменника, показанного на фиг.7;

фиг.9 - график, показывающий температуру относительно длины канала для двух текучих сред в теплообменнике, показанном на фиг.7 и 8;

фиг.10 - схематический вид другого теплообменника, соответствующего настоящему изобретению;

фиг.11 - вид в перспективе с разрезом, показывающий конструкцию теплообменника, соответствующего фиг.9; и

фиг.12 - график, показывающий температуру относительно длины канала для двух текучих сред в теплообменнике, показанном на фиг.10 и 11.

Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

На фиг.2 показан теплообменник 50, являющийся вариантом осуществления настоящего изобретения и заменяющий рекуперативный теплообменник 30 и его систему 38 управления, показанные на фиг.1, в системе 51 на топливных элементах с протонообменной мембраной. За исключением замены теплообменником 50 теплообменника 30 и его системы 38 управления, системы 8 и 51 на топливных элементах, показанные на фиг.1 и 2, соответственно идентичны, и подобные элементы обозначены одинаковыми ссылочными позициями. Хотя теплообменник 50, выполненный согласно изобретению, показан на фиг.2 в составе системы 36 переработки топлива системы 51 на топливных элементах с протонообменной мембраной, следует понимать, что теплообменники, соответствующие изобретению, могут и будут находить применение в других вариантах использования. Соответственно не предусматривается ограничение использования теплообменников, соответствующих изобретению, только применением в системах на топливных элементах или в конкретных системах на топливных элементах, если это не указано определенно в формуле изобретения. Например, хотя в системах на топливных элементах, изображенных на фиг.1 и фиг.2, показаны высокотемпературный реактор 28 для конверсии водяного газа и низкотемпературный реактор 32 для конверсии водяного газа, теплообменник 50 может использоваться в системе на топливных элементах, в которой используется среднетемпературный реактор для конверсии водяного газа совместно с высокотемпературным реактором 28 для конверсии водяного газа и низкотемпературным реактором 32 для конверсии водяного газа или вместо них.

Теплообменник 50, показанный на фиг.2, является заменой теплообменнику 30 и связанной с ним активной системой 38 управления, поскольку теплообменник 50 способен поддерживать, по существу, постоянную температуру на выходах к автотермической реформинг-установке 26 и к низкотемпературному реактору 32 для конверсии водяного газа, таким образом обеспечивая получение необходимых температур каталитической реакции для увлажненной смеси из воздуха и топлива (в форме увлажненной смеси из воздуха и метана), поступающей в автотермическую реформинг-установку 26, и для продукта реформинга, поступающего в низкотемпературный реактор 32 для конверсии водяного газа. Более конкретно, теплообменник 50 способен обеспечивать подачу увлажненной смеси из воздуха и метана с температурой, находящейся в пределах требуемого диапазона температур газа на входе, составляющего от около 500°С до около 750°С для автотермической реформинг-установки 26, и подачу продукта реформинга с температурой, находящейся в пределах требуемого диапазона температур газа на входе, составляющего от около 180°С до около 240°С для низкотемпературного реактора 32 для конверсии водяного газа при всех расходах смеси из воздуха и метана и продукта реформинга в пределах рабочего диапазона системы 10 на топливных элементах. В этом отношении следует отметить, что удельные массовые расходы увлажненной смеси из воздуха и метана и продукта реформинга, поступающих в теплообменник 50, по существу, пропорциональны друг другу во всем рабочем диапазоне системы 51. В наиболее предпочтительном варианте осуществления изобретения теплообменник 50 способен поддерживать температуру увлажненной смеси из воздуха и метана на выходе, направляемой в автотермическую реформинг-установку 26, в диапазоне 50°С с центром, соответствующим заданной температуре, которая в предпочтительном варианте осуществления изобретения составляет 630°С, и поддерживать температуру продукта реформинга на выходе, направляемого в низкотемпературный реактор 32 для конверсии водяного газа, в диапазоне 40°С с центром, соответствующим заданной температуре, которая в предпочтительном варианте осуществления изобретения составляет приблизительно 210°С, для всех удельных массовых расходов увлажненной смеси из воздуха и метана и продукта реформинга в рабочем диапазоне системы 51 на топливных элементах. В этом отношении максимальный рабочий удельный массовый расход может быть в семь раз больше минимального рабочего расхода, и в некоторых предпочтительных вариантах осуществления изобретения максимальный рабочий удельный массовый расход может быть в десять раз больше минимального расхода. Посредством пассивного обеспечения, по существу, постоянных температур на выходе во всем рабочем диапазоне системы 51 на топливных элементах для увлажненной смеси из воздуха и метана и для продукта реформинга, теплообменник 50 способен устранить необходимость в системе активного управления, такой как система 38 управления, в результате чего система 51 на топливных элементах упрощается по сравнению с типичной системой на топливных элементах, такой как система 8.

На фиг.3 схематически показан рекуперативный теплообменник 50 для передачи тепла между первой и второй текучими средами 52 и 54, которые для системы 51 на топливных элементах, показанной на фиг.2, являются увлажненной смесью из воздуха и метана и продуктом реформинга соответственно. Теплообменник 50 включает многопроходный канал 56 для потока (показан прерывистой линией на фиг.3) для первой текучей среды 52 и второй многопроходный канал 58 для потока (показан сплошной линией на фиг.3) для второй текучей среды 54. Каждый проход 60 первого канала 56 для потока имеет вход 62 и выход 64, и каждый проход 66 второго канала 58 для потока имеет вход 68 и выход 70. Проходы 60 и 66 первого и второго каналов 56 и 58 для потока расположены смежными парами 72, причем каждый проход 60 первого канала 56 для потока спарен со смежным проходом 66 второго канала 58 для потока. Проходы 60 и 66 расположены таким образом, что первая текучая среда 52 подходит к каждой смежной паре 72 в порядке, противоположном порядку, в котором вторая текучая среда 54 подходит к каждой смежной паре 72. Входы 62 и 68 и выходы 64 и 70 каждой смежной пары 72 расположены относительно друг друга таким образом, чтобы создавать сопутствующие потоки между первой и второй текучими средами 52 и 54, когда они проходят в смежной паре 72. Каждая смежная пара 72 выполнена так, чтобы обеспечивать эффективность теплопередачи, достаточную для того, чтобы температуры первой и второй текучих сред 52 и 54 сближались или чтобы получать общую температуру на выходах 64 и 70 смежной пары 72 при максимальном рабочем удельном массовом расходе. Анализ показал, что температура первой и второй текучих сред 52 и 54 на выходе может поддерживаться в пределах допустимого диапазона температур при рабочих удельных массовых расходах, изменяющихся в соотношении 10 к 1. Следует отметить, что на фиг.3 предусмотрено до n смежных пар 72 проходов 60 и 66.

Описанный выше профиль температур текучей среды будет лучше понятен со ссылками на график, показанный на фиг.4, в сочетании с фиг.3. Для иллюстрации первой текучей средой будет текучая среда с более низкой температурой, когда она поступает в теплообменник 50, и соответственно тепло будет передаваться от второй текучей среды 54 первой текучей среде 52 для повышения температуры первой текучей среды 52, когда она проходит через теплообменник 50, и снижения температуры второй текучей среды 54, когда она проходит через теплообменник 50. На фиг.4 показаны температуры первой текучей среды 52 и второй текучей среды 54, когда они проходят через смежные пары 72' и 72'', показанные на фиг.3, причем контрольное расстояние от входа 62' показано горизонтальной осью графика. Следует понимать, что хотя они даны в конкретных числах, отражающих градусы Цельсия и миллиметры, температуры и расстояния, показанные на фиг.4, даны только для иллюстрации, показывающей один рабочий пример, и что температуры и расстояния для каждой смежной пары 72 конкретного теплообменника 50 будут в значительной степени зависеть от конкретных параметров каждого варианта применения. Как можно видеть на фиг.4, когда первая текучая среда 52 проходит от входа 62' к выходу 64', и вторая текучая среда 54 проходит от входа 68'' к выходу 70'', температуры двух текучих сред 52 и 54 сближаются или достигают общего значения температуры на выходах 64' и 70'' смежной пары 72'. Подобно этому, можно видеть, что когда первая текучая среда 52 и вторая текучая среда 54 проходят от соответствующих входов 62'' и 68' к соответствующим выходам 64'' и 70', температуры первой и второй текучих сред 52 и 54 вновь сближаются или достигают общего значения температуры на выходах 64'' и 70' второй смежной пары 72''. Таким образом, можно видеть, что каждая пара 72', 72'' "стягивает" температуры первой и второй текучих сред 52 и 54 друг к другу на соответствующих выходах 64', 70'', 64'' и 70'. Предпочтительно, этот профиль температур достигается посредством конструирования каждой пары 72 таким образом, чтобы достигать максимальной эффективности теплопередачи сопутствующих потоков при максимальных рабочих удельных массовых расходах для первой и второй текучих сред 52 и 54, которая должна обеспечивать необходимые характеристики при всех более низких удельных массовых расходах для первой и второй текучих сред 52 и 54.

На фиг.5 показана одна возможная конструкция теплообменника 50, включающая пакет теплообменных элементов 80, который может быть отформованным, составленным из пластин или иметь конструкцию из перегородок и пластин, как хорошо известно в области теплообменной техники, в частности, в области маслоохладителей. Можно видеть, что теплообменник 50 включает три смежные пары 72 проходов 60 и 66 первого и второго каналов 56 и 58 для потока, причем проходы 60 и 66 расположены так, что они создают сопутствующие друг другу потоки в каждой смежной паре 72, и текучая среда 52 подходит к каждой смежной паре 72 в порядке, противоположном порядку, в котором текучая среда 54 подходит к каждой из смежных пар 72. В показанном варианте осуществления изобретения каждая из смежных пар 72 выполнена из множества теплообменных элементов 80 в форме составленных друг на друга пакетом штампованных чашеобразных пластин 80, каждая из которых имеет четыре отверстия 82 в ее углах, которые совмещены с отверстиями в примыкающих пластинах 80 и уплотнены относительно них для формирования коллекторов для соответствующих входов 62 и 68 и выходов 64 и 70 каждого из проходов 60 и 66. Между пластинами 80 образованы перемежающиеся камеры 84 для потока для каждого из проходов 60 и 66. Соответственно следует понимать, что существует множество параллельных камер 84 для потока для каждого из проходов 60 и 66 в каждой смежной паре 72. Если необходимо, в каждой из камер 84 для потока может находиться теплопередающий элемент, такой как ребро или турбулизатор 86. Между соседними парами 72 - и на верхней поверхности, и на нижней поверхности самой верхней и самой нижней пар 72 соответственно расположены разделительные пластины 88.

На фиг.6 показана другая возможная конструкция для теплообменника 50, включающая конструкцию из перегородок и пластин. Более конкретно, каждый из теплообменных элементов 80 выполнен в виде комбинации 80 из перегородок и пластин, одна из которых показана на фиг.6. Вариант, показанный на фиг.6, несколько сложнее, чем показанный на фиг.5, поскольку в каждой комбинации 80 из перегородок и пластин находятся две смежные пары 72. В этом варианте каждая перегородка 90 представляет собой цельную перегородку, которая включает два отверстия 82, расположенных рядом друг с другом на одном конце и отделенных от U-образной камеры 84 для потока, ограниченной перегородкой 90. Между перегородками 90 расположены разделительная пластина или лист 91 и несколько листов медной фольги 92 для формирования одного слоя теплообменника 50. Отверстия 82 в каждой перегородке 90 скомбинированы с отверстиями 82 в каждой другой перегородке 90 для образования коллектора для текучей среды 52 или 54, которая не проходит через камеру 84 для потока в перегородке 90. Вновь для иллюстрации режим потока, соответствующий фиг.6, показан на фиг.4 и будет понятен при ознакомлении с ней и относящимся к ней приведенным выше описанием. Следует понимать, что детали каждой конструкции будут в высшей степени зависеть от конкретных параметров каждого варианта осуществления изобретения, таких как расходы, конкретные текучие среды, используемые в качестве первой и второй текучих сред 52 и 54, температуры на входе для первой и второй текучих сред 52 и 54 и требуемые температуры на выходе для первой и второй текучих сред 52 и 54.

На фиг.7 и 8 показано, как конструкция, показанная на фиг.6, может быть скомпонована для получения шести проходов в одном варианте выполнения теплообменника 50. Как можно видеть, теплообменник 50, показанный на фиг.7, имеет шесть смежных пар 72, составленных шестью проходами 60 для первого канала 56 для потока и шестью проходами 66 для второго канала 58 для потока. Для облегчения понимания каждая из ссылочных позиций для проходов 60 и 66, входов 62 и 68 и выходов 64 и 70 снабжена верхним индексом, имеющим римские цифры, показывающие порядок прохождения для каждой из соответствующих текучих сред 52 и 54. Как и вариант выполнения теплообменника, показанный на фиг.5, вариант выполнения теплообменника, показанный на фиг.7, снабжен множеством камер 84 для потока для каждого из проходов 60 и 66 в составленных друг на друга слоях комбинаций 80 из перегородок и пластин и снабжен разделительными пластинами 88 для отделения друг от друга камер 84 для потока смежных составленных друг на друга слоев комбинаций 80 из перегородок и пластин и для закрывания самой верхней и самой нижней камер 84 для потока. Как лучше видно на фиг.8, теплообменник 50 может быть снабжен впускным и выпускным патрубками 94 для первой и второй текучих сред 52 и 54. На фиг.9 показан другой график температуры относительно расстояния, пройденного потоком, показывающий режим потока для варианта выполнения теплообменника, показанного на фиг.7 и 8. На фиг.9 можно видеть, что эффективность теплопередачи каждой из пар 72 достаточна для того, чтобы температуры первой и второй текучих сред сблизились или достигли общего значения температуры на выходах 64 и 70 каждой пары 72 при максимальном удельном массовом расходе. Таким образом, можно видеть, что каждая из пар 72 "стягивает" друг к другу значения температур первой и второй текучих сред 52 и 54 на соответствующих выходах 64 и 70 каждой пары 72. Можно также видеть, что первая текучая среда 52 подходит к каждой из смежных пар 72 в порядке, противоположном второй текучей среде 54.

На фиг.10 и 11 показана другая возможная конструкция теплообменника 50, которая включает множество теплообменных элементов, выполненных в форме теплообменных труб 100, расположенных в кольцевой конфигурации и имеющих внутренние пространства 102 для приема первой текучей среды 52 и внешние поверхности 104, поверх которых направляется вторая текучая среда 54 дискообразной перегородкой 105, серию кольцевых перегородок 106 и соосный комплект цилиндрических стенок 108. В показанном варианте осуществления изобретения самая левая и самая правая кольцевые перегородки служат в качестве распределительных пластин 107, в которые с уплотнением проходят концы труб 100. Предпочтительно, внешние поверхности 104 труб 100 снабжены ребрами 110 (не показаны на фиг.11) в форме кольцеобразных пластинчатых ребер. Следует понимать, что хотя показаны пластинчатые ребра, в некоторых вариантах применения могут требоваться ребра других типов. Можно видеть, что теплообменник 50, показанный на фиг.10 и 11, включает две смежные пары 72 проходов 60 и 66 первого и второго каналов 56 и 58 для потока, причем проходы 60 и 66 расположены с сопутствующей ориентацией потоков в каждой смежной паре 72, и текучая среда 52 подходит к каждой смежной паре 72 в порядке, противоположном порядку, в котором к каждой смежной паре 72 подходит текучая среда 54. Первый проход 60 включает вход 62 в форме отверстий в правых концах труб 100 и выход 64 в середине труб 100, и второй проход 60' включает вход 62' в середине труб 100 и выход 64' в форме отверстий в левых концах труб 100. Первый проход 66 включает кольцевой вход 68, ограниченный между левой стороной перегородки 105 и правой стороной одной из перегородок 106, и кольцевой выход 70, ограниченный между правой стороной самой левой перегородки 106 и левой стороной другой из перегородок 106. Второй проход 66' включает кольцевой вход, ограниченный между левой стороной самой правой перегородки 106 и правой стороной другой из перегородок 106, и кольцевой выход 70', ограниченный между правой стороной перегородки 105 и левой стороной другой из перегородок 106. Две самые внешние цилиндрические стенки 108 направляют вторую текучую среду 54 от выхода 70 первого прохода 66 к входу 68' второго прохода 66'. Таким образом, в показанном варианте осуществления изобретения каждая из смежных пар 72 ограничена половиной длины каждой из труб 100, диском 105 и тремя перегородками 106. Можно также видеть, что в каждом из проходов 66 перегородки 106 направляют вторую текучую среду 54 в три подпрохода, причем вторая текучая среда 54 локально проходит в виде поперечного потока относительно первой текучей среды в каждом из подпроходов 112. Таким образом, в дополнение к общему сопутствующему потоку текучих сред 52 и 54 в каждой из смежных пар 72 теплообменник 50, показанный на фиг.10 и 11, также создает локальные поперечные потоки текучих сред 52 и 54. Следует понимать, что хотя теплообменник 50, показанный на фиг.10 и 11, имеет три подпрохода 112, в некоторых вариантах применения может требоваться применение теплообменников подобных конструкций без каких-либо подпроходов или с более, чем тремя подпроходами благодаря применению большего количества перегородок 106 в каждом из проходов 66.

Как и в описанных выше вариантах выполнения теплообменника 50, каждая смежная пара 72 теплообменника 50, показанного на фиг.10 и 11, выполнена для обеспечения эффективности теплопередачи, достаточной для того, чтобы температуры первой и второй текучих сред 52 и 54 сблизились или достигли общего значения температуры на выходах 64 и 70 смежных пар 72 при максимальном рабочем удельном массовом расходе потока. Вновь анализ показал, что температура первой и второй текучих сред 52 и 54 на выходе может поддерживаться в пределах допустимого диапазона температур для рабочих удельных массовых расходов, которые изменяются с соотношением 10 к 1.

Описанный выше профиль температур текучей среды наверно будет лучше понятен при ознакомлении с графиком, показанным на фиг.12, который иллюстрирует температуры первой текучей среды 52 и второй текучей среды 54, когда они проходят через смежные пары 72 и 72', показанные на фиг.10, причем контрольное расстояние от входа 62 показано горизонтальной осью графика. Как показано на фиг.12, когда первая текучая среда 52 проходит от входа 62 до выхода 64, и вторая текучая среда 54 проходит от входа 68' до выхода 70', температуры двух текучих сред 52 и 54 сближаются или достигают общего значения температуры на выходах 64 и 70' смежной пары 72. Подобным образом можно видеть, что когда первая текучая среда 52 и вторая текучая среда 54 проходят от соответствующих входов 62' и 68 до соответствующих выходов 64' и 70, температуры первой и второй текучих сред 52 и 54 вновь сближаются или достигают общего значения температуры на выходах 64' и 70 второй смежной пары 72'. Предпочтительно, этот профиль температур текучей среды достигается посредством выполнения каждой пары 72, 72' таким образом, чтобы достигать максимальной эффективности теплопередачи при максимальных рабочих удельных массовых расходах потока для первой и второй текучих сред 52 и 54, которая могла бы обеспечивать необходимые характеристики при всех сниженных удельных массовых расходах первой и второй текучих сред 52 и 54. Следует отметить, что точки А, А', В и В' на графике на фиг.12 представляют температуры текучих сред в переходах между подпроходами 112, показанными на фиг.10.

Одна возможная и предпочтительная особенность конструкции теплообменника, показанного на фиг.10 и 11, состоит в том, что конструкция 50 может быть выполнена как часть объединенного узла 120, включающего также автотермическую реформинг-установку 26, когда они используются в системе переработки топлива системы на топливных элементах. Как показано на фиг.10 и 11, по меньшей мере, часть автотермической реформинг-установки 26 предпочтительно расположена внутри относительно самых внутренних цилиндрических стенок 108, будучи окруженной, по меньшей мере, частью теплообменника 50. В показанных вариантах осуществления изобретения автотермическая реформинг-установка 26 окружена конечным проходом 60' канала 56 для потока и начальным проходом 66 канала 58 для потока, причем вход 122 автотермической реформинг-установки соединен с выходом 64' для приема из него смеси 52 из воздуха и топлива, и выход 124 соединен со входом 68 для направления в него продукта 54 реформинга, как лучше видно на фиг.10. Хотя предпочтительно, чтобы, по меньшей мере, часть автотермической реформинг-установки 26 была окружена, по меньшей мере, частью теплообменника 50, в некоторых вариантах осуществления может быть предпочтительно располагать автотермическую реформинг-установку 26 относительно теплообменника 50 таким образом, чтобы теплообменник 50 не окружал любую часть автотермической реформинг-установки 26. В показанном варианте осуществления изобретения объединенный узел 120 принимает смесь 52 из воздуха и топлива через впускное соединение 130 и направляет продукт 54 реформинга из выпускного соединения 132 в среднетемпературный реактор для конверсии водяного газа (не показан). По сравнению с системой 36 переработки топлива, показанной на фиг.2, система переработки топлива с объединенным компонентом 120 устраняет необходимость в высокотемпературном реакторе 28 для конверсии водяного газа и в низкотемпературном реакторе 32 для конверсии водяного газа благодаря использованию среднетемпературного реактора для конверсии водяного газа. В этом отношении в качестве дополнительной возможности объединенный узел 120 может быть снабжен средствами для впрыска воды на его выходе для обеспечения дополнительного охлаждения продукта реформинга и дополнительного увлажнения продукта 54 реформинга для осуществления последующих реакций. Объединенный узел окружен, в основном, цилиндрическим кожухом 134, который включает кольцевую камеру 136 для направления смеси 52 из воздуха и топлива из впускного соединения 130 в теплообменник 50.

Следует подчеркнуть, что объединение теплообменника 50 с автотермической реформинг-установкой 26, как показано на фиг.10 и 11, является необязательным, и что теплообменник 50 может быть выполнен без автотермической реформинг-установки 26. Кроме того, следует понимать, что хотя предпочтительны кольцевое расположение труб 100 и кольцевые перегородки 106, в некоторых вариантах осуществления может требоваться расположение труб не в кольцевой конфигурации с использованием перегородок пригодной конфигурации для направления текучей среды 54 через проходы 66.

Следует понимать, что, хотя были показаны несколько вариантов выполнения теплообменника 50, существует много возможных конструкций таких теплообменников. Например, хотя были показаны теплообменники 50, имеющие две, три и шесть смежных пар 72, теплообменник может иметь такое количество пар, которое требуется для достижения, по существу, постоянных температур на выходе, требуемых конкретными параметрами каждого варианта осуществления. В этом отношении для заданного набора входных условий (температура, массовый расход) количество N смежных пар 72 задает температуры на выходе для каждой из текучих сред 52, 54, учитывая, что каждая пара 72 "стягивает" друг к другу значения температур, как было описано выше. При сравнении фиг.4 и 9 можно видеть, что повышение количества N пар 72 повышает общую эффективность теплообменника и смещает температуру холодной текучей среды 52 на выходе вверх и температуру горячей текучей среды 54 на выходе вниз, благодаря чему можно конструировать теплообменник 50 для получения необходимого диапазона температур между температурами холодной и горячей текучих сред 52 и 54 на входе и на выходе посредством применения надлежащего количества N смежных пар 72.

Следует также понимать, что хотя в качестве теплообменных элементов 80 были показаны примеры формованных, составленных стопой из пластин, выполненных из перегородок и пластин и из труб и ребер, можно использовать любой теплообменный элемент, если требуется достигать требуемых характеристик для конкретного варианта применения.

Следует понимать, что благодаря получению, по существу, постоянной температуры на выходе, то есть температуры на выходе, которая изменяется в допустимо малом диапазоне для конкретного варианта применения для всех расходов в пределах рабочего диапазона в конкретном варианте применения, рекуперативный теплообменник может устранять необходимость в активном регулировании температур на выходе, благодаря чему потенциально упрощается конкретный вариант применения, снижаются затраты и сложность и повышается надежность.

Другое потенциальное преимущество теплообменника 50 состоит в том, что он может быть относительно стойким к загрязнению. Более конкретно, поскольку текучие среды 52 и 54 достигают общего значения температур на выходах 64 и 70 каждой пары 72, теплообменник 50 может иметь увеличенные размеры без негативного влияния на температуры на выходе. Такое увеличение размеров может допускать существенное снижение характеристик теплопередачи, например, из-за загрязнения сердцевины, без какого-либо изменения температур текучих сред 52 и 54 на выходе.

После изложения нескольких потенциальных преимуществ теплообменника 50 следует понимать, что каждый вариант выполнения теплообменника 50 может не обеспечивать получения всех или любых из этих указанных потенциальных преимуществ.

Изобретения предназначены для теплообмена и могут быть использованы в промышленности, включая системы на топливных элементах. Способ работы рекуперативного теплообменника включает следующие операции: прохождение первой текучей среды в первом проходе первого канала для потока; прохождение второй текучей среды во втором проходе второго канала для потока. Второй проход второго канала для потока расположен смежно с первым проходом первого канала для потока. Температуры первой и второй текучих сред сближаются или достигают общего значения температуры на выходе соответствующих проходов при максимальном рабочем удельном массовом расходе. Прохождение первой текучей среды во втором проходе первого канала для потока рекуперативного теплообменника после прохождения первой текучей среды в первом проходе первого канала для потока и прохождение второй текучей среды в первом проходе второго канала для потока рекуперативного теплообменника раньше прохождения второй текучей среды во втором проходе второго канала для потока. Система переработки топлива с протонообменной мембраной содержит автотермическую реформинг-установку, реактор для конверсии водяного газа, рекуперативный теплообменник, включающий первый и второй каналы для потока, причем первый канал для потока соединен с системой перед автотермической реформинг-установкой, второй канал для потока соединен с системой после автотермической реформинг-установки и перед реактором для конверсии водяного газа. Способ работы системы переработки топлива включает следующие операции: прохождение смеси из воздуха и топлива в первом канале для потока рекуперативного теплообменника в автотермическую реформинг-установку, прохождение продукта реформинга из автотермической реформинг-установки во втором канале для потока рекуперативного теплообменника, подачу смеси из воздуха и топлива из первого канала для потока в автотермическую реформинг-установку, подачу продукта реформинга из второго канала для потока в реактор для конверсии водяного газа. Объединенный узел для системы переработки топлива содержит рекуперативный теплообменник и автотермическую реформинг-установку. Изобретения обеспечивают упрощение конструкции теплообменника, а также снижение затрат и повышение надежности. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Способ работы рекуперативного теплообменника, передающего тепло между первой текучей средой и второй текучей средой, проходящими с максимальным удельным массовым расходом через теплообменник, причем первая и вторая текучие среды имеют такие удельные массовые расходы, которые по существу пропорциональны друг другу, включающий следующие операции:

a) прохождение первой текучей среды в первом проходе первого канала для потока рекуперативного теплообменника,

b) прохождение второй текучей среды во втором проходе второго канала для потока рекуперативного теплообменника, причем второй проход второго канала для потока расположен смежно с первым проходом первого канала для потока и температуры первой и второй текучих сред сближаются или достигают общего значения температуры на выходе соответствующих проходов при максимальном рабочем удельном массовом расходе,

c) прохождение первой текучей среды во втором проходе первого канала для потока рекуперативного теплообменника, после прохождения первой текучей среды в первом проходе первого канала для потока, и

d) прохождение второй текучей среды в первом проходе второго канала для потока рекуперативного теплообменника, раньше прохождения второй текучей среды во втором проходе второго канала для потока, причем первый проход второго канала для потока расположен смежно со вторым проходом первого канала для потока и температуры первой и второй текучих сред сближаются или достигают общего значения температуры на выходе соответствующих проходов при максимальном рабочем удельном массовом расходе.

е) прохождение первой и второй текучих сред в дополнительных проходах соответствующих первого и второго каналов для потока.

автотермическую реформинг-установку, имеющую вход, соединенный с системой, для приема из нее увлажненной смеси из воздуха и топлива, и выход, соединенный с системой, для подачи в нее потока продукта реформинга,

реактор для конверсии водяного газа, имеющий вход, соединенный с системой после автотермической реформинг-установки, для приема из нее потока продукта реформинга, и выход, соединенный с системой, для подачи в нее продукта реформинга с пониженным содержанием угарного газа,

рекуперативный теплообменник, включающий первый и второй каналы для потока,

причем первый канал для потока соединен с системой перед автотермической реформинг-установкой для предварительного нагрева увлажненной смеси из воздуха и топлива до температуры, находящейся в необходимом диапазоне температур на входе для автотермической реформинг-установки,

второй канал для потока соединен с системой после автотермической реформинг-установки и перед реактором для конверсии водяного газа для охлаждения потока продукта реформинга до температуры, находящейся в необходимом диапазоне температур на входе для реактора для конверсии водяного газа,

первый и второй каналы для потока расположены относительно друг друга таким образом, чтобы достигать необходимых диапазонов температур на входе для автотермической реформинг-установки и реактора для конверсии водяного газа при всех расходах в пределах ожидаемого рабочего диапазона системы на топливных элементах, без использования активной системы управления.

a) прохождение смеси из воздуха и топлива в первом канале для потока рекуперативного теплообменника в автотермическую реформинг-установку, расположенную после первого канала для потока,

b) прохождение продукта реформинга из автотермической реформинг-установки во втором канале для потока рекуперативного теплообменника, расположенного после автотермической реформинг-установки и перед реактором для конверсии водяного газа,

c) подачу смеси из воздуха и топлива из первого канала для потока в автотермическую реформинг-установку с температурой, находящейся в необходимом диапазоне для каталитической реакции для всех расходов в рабочем диапазоне топливного элемента,

d) подачу продукта реформинга из второго канала для потока в реактор для конверсии водяного газа с температурой, находящейся в необходимом диапазоне для каталитической реакции для всех расходов в рабочем диапазоне топливного элемента, и

e) выполнение операций с) и d) без активного управления рекуперативным теплообменником.

рекуперативный теплообменник, включающий первый канал для потока смеси из воздуха и топлива и второй канал для потока продукта реформинга, причем каждый канал для потока имеет вход и выход и

автотермическую реформинг-установку, причем автотермическая реформинг-установка включает:

вход, соединенный с выходом первого канала для потока, для приема из него смеси из воздуха и топлива, и

выход, соединенный со входом второго канала для потока, для подачи в него продукта реформинга.

a) прохождение первой текучей среды в N проходах первого канала для потока рекуперативного теплообменника,

b) прохождение второй текучей среды в N проходах второго канала для потока рекуперативного теплообменника, причем первый и второй проходы расположены N смежными парами, при этом первая и вторая текучие среды проходят сопутствующими потоками в N смежных пар и температуры первой и второй текучих сред сближаются или достигают общего значения температуры на выходах соответствующих проходов в каждой из N смежных пар при максимальном рабочем удельном массовом расходе, и первая текучая среда сначала подходит к первой паре из N смежных пар и проходит последовательно в смежных парах до N-й смежной пары, а вторая текучая среда сначала подходит к N-й смежной паре и затем проходит последовательно в смежных парах до первой смежной пары в порядке, противоположном первой текучей среде.