蒸发器及相关方法

专利名称：蒸发器及相关方法
技术领域：
本发明涉及用于在高温下将液体转化为气体的蒸发器、蒸煮器和 热交换设备领域。特别地，本发明的设备和方法可以用于产生高质量 的高温蒸汽，以用于不同的应用中，包括但是不限于燃料加工应用。
背景技术：
蒸发液体尤其是水的蒸发是非常普通的技术。蒸发水的传统方法 涉及将一滩水加热到其沸点温度并获得从液体散发出来的蒸汽。普通 的蒸发技术使用壳和管式蒸发器设计。在更小的壳和管式蒸发器的例 子中，将要蒸发的水存在围绕热交换管的空间中。在更大的壳和管式
蒸发器的例子中，水在内部流过热交换管，该管被其外部的热加热。
不能响应于需求快速产生蒸汽，这对于大多数传统的蒸发技术来 说是共同的特点。为了快速启动应用，传统的蒸发器必须维持在热准 备模式。传统的蒸发器的其他缺点可以包括导致瞬间慢响应的液态水 大的热质量、蒸发器与多热流或热源热集成的有限能力和使用蒸发器 加热不同于需要汽化的液体的材料的有限能力。
此外，关于传统蒸发器的另外一个熟知的缺点是液体遗留或重击 的发生，其中非汽化的液体夹带在已蒸发液体中。在要求的汽化产品 是高质量的蒸汽时，必须采取措施以从蒸汽中分离和移除未蒸发液体。 普遍用于从蒸汽中移除这种夹带的方法包括分离或蒸汽鼓。然而，对 于使用分离鼓的系统，开始产生蒸汽产品所需的启动时间极大地依赖 于分离鼓的大小，并且这样的时间可能延及几个小时。而且，用于从 已蒸发液体中分离和移除液体组分的方法将增加蒸发设备的大小、成 本和复杂性。

发明内容
本发明的一个方面，提供一种用于蒸发液体和将已蒸发液体加热 到高温的设备。该设备包括至少一个具有内表面和外表面的热传递壁， 该外表面能够接收热并将热传递到内表面。包括虹吸材料，该虹吸材 料用于接收可蒸发液体并将液体导入热传递壁的内表面。至少部分虹 吸材料与热传递壁的内表面接触，优选与内表面的上游部接触。该虹 吸材料可以包括编织或非编织结构的纤维，例如氧化铝纤维，使得能 够引导液体到内表面。包括虹吸支撑，其与对着内表面的虹吸材料接 触，并为来自虹吸材料的已蒸发液体提供路径。该虹吸支撑可以包括 延伸的表面区域，例如波紋金属肋片。过热器布置在虹吸支撑下游， 其与虹吸支撑流体连通，以接收已蒸发液体并将已蒸发液体加热到高 温。该过热器可以包括热传导器，例如波紋金属肋片，用于将来自热 传递壁内表面的热传导到已蒸发液体。在一些实施例中，至少一个热 传递壁可以包括两块互相间隔开的平坦的热传递壁，在这两个平坦壁 之间放置有虹吸支撑、虹吸材料和过热器。
设备可以选择性地包括热源，用于提供到至少 一个热传递壁的外 表面的热。可选的热源可以包括辐射热源和/或一个或多个燃烧器或重 整反应器，以提供到热传递壁的外表面的热流体流。可以提供热传导 器，其与对着虹吸材料的热传递壁的至少部分外表面接触，用于将热
传导到外表面。这样的热传导器可以包括波紋金属肋片。可以包括与 热传递壁外表面间隔开的外壁，用于在它们之间提供路径，使热流体 的流动能够将热传递到所述外表面。每个热传递壁和外表面可以包括 圆柱形壁或平坦壁。可选地，可以包括液体传送装置，用于将液体传 送到虹吸材料。该液体传送装置可以包括液体源和泵。可以提供与过 热器流体连接的蒸汽出口 ，用于从设备中移除高温下的已蒸发液体。
本发明的另外一个方面提供用于蒸发液体的设备。该设备包括多 个蒸发单元。每个蒸发单元包括液体入口和虹吸材料，用于从液体入 口接收可蒸发液体并将液体引导到热传递壁。该热传递壁具有内表面 和外表面，该外表面能够接收热并将热传递到内表面。热传递壁的至
少部分内表面与虹吸材料接触。每个蒸发单元包括对着热传递壁内表 面与虹吸材料接触的虹吸支撑，为流自虹吸材料的已蒸发液体提供通 道。布置在虹吸支撑下游的过热器，其与虹吸支撑流体连通，用于接 收已蒸发液体并将已蒸发液体加热到高温。每个蒸发单元包括与过热 器流体连通的蒸汽出口。该设备包括能够提供到一个或多个蒸发单元 的热传递壁的外表面的热流体流的热源入口支管，和能够将热流体流 引导出一个或多个蒸发单元的出口支管。可选地，该设备可以包括能 够提供到一个或多个蒸发单元的第二热流体流的第二热源入口支管， 和能够将第二热流体流引导出所述一个或多个蒸发单元的第二出口支 管。该设备可以包括用于传送液体到液体入口的液体传送装置，该液 体传送装置包括液体源、泵和用于传送均匀液体流到液体入口的计量 装置。
在本发明的生产过程方面，提供了制造用于蒸发液体的设备的方
法。该方法包括这样的步骤使虹吸材料覆盖具有延伸表面区域的虹 吸支撑的至少上游部；邻接虹吸支撑下游部放置热传导器；并用至少 一个热传递壁包围虹吸支撑、虹吸材料和热传导器。热传递壁具有内 表面和外表面，当虹吸支撑、虹吸材料和热传导器被包围时，部分虹 吸材料与内表面的上游部接触，热传导器邻接内表面的下游部。可选 地，该方法可以进一步包括在虹吸材料上提供用于引导气体进入虹吸 支撑的开口。第二热传导器可选地邻接热传递壁外表面布置。该方法 可以进一步包括一个或多个如下可选步骤选择虹吸材料接收可蒸发 液体的预期的流量；提供虹吸材料，该虹吸材料能够在远离至少一个 热传递壁处接收预期的可蒸发液体流，并将该可蒸发液体引导到虹吸 材料的与至少一个热传递壁接触的部分；和/或为所述至少一个热传递 壁、虹吸材料和/或虹吸支撑选择材料，该材料将提供这样的热传递系 数，使其能够从外表面传递充足的热到内表面以用于蒸发预期的可蒸 发流体流，从而防止未蒸发液体与热传导器接触；和在虹吸材料和热 传递壁的内表面之间提供充足的接触面积，用于蒸发预期的可蒸发液 体流，从而防止未蒸发液体与热传导器接触。
本发明的另外一个生产过程方面提供汽化液体的方法。该方法包
括有步骤提供到热传递壁的外表面的热，该热传递壁能够将热从外 表面传递到内表面，用于蒸发可蒸发液体并将已蒸发液体加热到高温； 将可蒸发液体传送到虹吸材料远离热传递壁的部分，该虹吸材料将可 蒸发液体引导到虹吸材料与热传递壁内表面接触的部分，在那里将可 蒸发液体加热而产生已蒸发液体；在已蒸发液体和与热传递壁内表面 热连通的热传导器之间提供接触，以将已蒸发液体加热到高温。可以 提供充足量的热到热传递壁外表面，用于蒸发可蒸发液体并防止未蒸 发液体与热传导器接触。可以通过一个或多个部位与热流体流的接触
和/或从辐射热源接收热为热传递壁的外表面提供热。该热流体流可以 包括一种或多种燃烧器排气和/或热重整油，并且沿着热传递壁的热流 体流是能够与已蒸发液体流相反方向的。该方法还可以包括将燃料与 已蒸发液体混合以提供热燃料和已蒸发液体的混合物。燃料可以通过 将其引导进入虹吸支撑而与已蒸发液体混合。在优选实施例中，该可 蒸发液体包括水。


本发明可以通过参考下面结合相应附图的说明得以理解。 图1示意性地说明燃料处理系统，其中使用了本发明的能够产生 高温流/燃料混合物以提供给重整反应器的设备。 图2是本发明的设备的截面图。
图3a是本发明的设备的虹吸材料和过热器的详细图。
图3b是本发明的设备的热传导器的详细图。
图3c是本发明的虹吸材料覆盖虹吸支撑的透视图。
图3d是本发明的虹吸支撑的端部视图。
图3e是本发明的虹吸支撑的正视图。
图4是本发明的能够产生高温流/燃料混合物供料的设备的透视图。
图5是图4的设备的顶视图。
图6是图4所示设备的分解视图。
尽管本发明可以允许不同变形和可选形式，这里通过附图的例子 表示了具体实施例并在此具体说明。然而需要知道的是，这里具体实 施例的说明不旨在将本发明限定到公开的特殊形式中，而是相反，本 发明覆盖所有落入如后面权利要求书所限定的本发明的精神和范围的 所有变形、等价物和可选物。
具体实施例方式
本发明示例性的实施例说明如下。为了说明清楚，实际的实施例 的所有特征不都在本说明书中描述。当然应认识到在任何这样的实际
实施例的开发中，必须作出多个具体实施决定以实现开发者的具体目 标，例如遵守系统相关和商业相关的限制，这种限制在各种实施中是 不同的。而且应认识到这样的开发努力将是复杂和耗时的，但是不管 怎样，对于受益于本公开的本领域技术人员来说都只会是常规的工作。
本发明的设备是用于蒸发液体并将已蒸发液体加热到高温的。如 同在本公开中所使用的，"高温，，用于指那些高于可蒸发液体的汽化温 度或沸点的温度。此外，下面的说明中通常用水作为可以在本发明的 设备中蒸发的可蒸发液体的例子。而蒸汽产生是本发明的技术的应用， 本领域技术人员将会认识到该要求的发明范围不限于此。
本发明的蒸发设备是紧凑的和热有效的。该设备可以容易地集成 到系统中，从而提供所需的已蒸发液体，但是也可以使用来自多个热 源的热，以提高系统整体的热效率。此外，本发明的蒸发设备能够预 热气体并将它们与已蒸发液体混合，以用于那些需要热气体混合物的 应用。而且，本发明的蒸发设备具有短的启动时间，使得该设备能够 根据需要快速产生高质量的已蒸发液体。
本发明的设备包括至少一个具有内表面和外表面的热传递壁。该 热传递壁的外表面从诸如辐射热源的热源或与外表面接触的热流体流 接收热。在外表面接收的热传送到内表面，在那里热用于蒸发可蒸发 液体或使已蒸发液体过热。该热传递壁优选延长为具有上游部和下游
部。这里，相关术语"上游"和"下游"是参照已蒸发液体流通过虹吸支 撑和过热器的通常的方向。在一些实施例中，至少一个热传递壁是圆 柱形状的，而在其他实施例中，该壁是平坦形式的。而且，本发明的 设备将包括至少一个热传递壁，但是在一些实施例中，其将包括两个 或多个热传递壁。例如，在热传递壁本质上是平坦时，该虹吸支撑和 过热器优选置于两个平坦的热传递壁之间。
该热传递壁可以由任何能够经受这里描述的运行条件和化学环境 的材料或材料组合制成。例如，该热传递壁的外表面可以选择用于传
递温度达到或高于约IOOO"C的来自燃烧器排气流的热。而且，该热传
递壁需要由能使预定的可蒸发液体流蒸发并使蒸发流体过热到所需高 温的材料或材料组合制成。能够传递适当量的热的热传导材料是已知 的并在热交换应用中普遍使用。更特别地，适用于制造热传递壁的材 料可以包括例如铝、不锈钢、铜、镍、铬、铁、这些材料的合金等。 此外，该热传递壁优选由气密性材料制成，从而防止已蒸发液体和/ 或气体穿过该壁逸出。
热传递壁的尺寸将依赖于热传递壁内表面的表面面积，该面积为 蒸发虹吸材料中所需数量的可蒸发液体和使已蒸发液体在过热器中过 热到想要的温度所需。除了其他因素，这些表面面积可以由可蒸发液 体的蒸发温度、虹吸和过热部的热传递系数及供应到热传递壁的外表 面的热的温度和量决定。
本发明的设备包括能够接收和传导可蒸发液体到热传递壁内表面 的虹吸材料。可蒸发液体通过虹吸材料从一个区域或部位移动到另外
一个可以通过虹吸作用和/或虹吸效应驱动。至少部分虹吸材料与热传
递壁的内表面接触，从而引导到虹吸材料那个部位的可蒸发液体加热
到其蒸发温度，以在那个热传递表面产生已蒸发液体。优选地，虹吸 材料与热传递壁内表面接触的那部分与内表面的上游部接触。
虹吸材料还可以具有远离热传递壁的用于从液体入口、支管或其 他液体传送装置接收可蒸发液体的部分。当该设备用于预热和/或将气 体与已蒸发液体混合时，可以在虹吸材料中提供一个或多个开口，以
使气体直接导入虹吸支撑中。虹吸材料与热传递壁接触的部分这里通 常指为"侧"部。虹吸材料远离热传递壁的部分通常指为"顶，，部。在设 备包括一对间隔开的平坦的热传递壁的的实施例中，平坦的虹吸材料 可以置于平坦的虹吸支撑之上，从而在组装时，虹吸材料的侧部置于 虹吸支撑和热传递壁的内表面之间，且虹吸材料的顶部置于虹吸支撑 端部之上，居中并桥接侧部。
虹吸材料在增湿器和蒸发器领域是已知的和普遍使用的。在这些 应用中所知的虹吸材料适合用作本发明的设备的虹吸材料，如果这样 的材料不容易通过本设备的高温环境退化或无效的话。合适的虹吸材
料的例子包括多孔和开放式单元泡沫材料及能够虹吸或引导液体的编 织和非编织结构的纤维材料。合适的编织虹吸材料可以具有均勻的编
织样式和尺度，但是也可以包括具有多个层、编织样式和尺度的编织 品。合适的纤维虹吸材料的具体的例子可以包括一种或多种无机纤维， 例如玻璃、氧化硅、氧化铝、陶瓷和金属，及能够经受设备内部温度 的有机纤维。在优选实施例中，该虹吸材料包括氧化铝纤维结构，该 氧化铝纤维结构足够柔软，以致于该材料可以折叠、变皱或巻成想要 的构造，例如覆盖在虹吸支撑上或围着虹吸支撑巻成圆柱形。这样的 氧化铝材料是已知并在商业上可得到的。
本发明的设备还包括与对着热传递壁内表面的虹吸材料接触的虹 吸支撑。该虹吸支撑为虹吸材料提供结构支撑，确保虹吸材料的一部 分和内表面接触，并为已蒸发液体从虹吸材料流向位于下游的过热器 提供路径。这样，该虹吸支撑需要足够刚硬以提供所需的结构支撑， 但是优选地还需要足够柔软以允许该支撑弯曲或巻成所需的形状。对 于一些构造，例如当虹吸支撑被巻成圓柱形结构时，该虹吸支撑还需 要具有一定程度的弹性，从而其可用于迫压虹吸材料与热传递壁内表 面接触。此外，该虹吸支撑还可以用于将热传送到已蒸发液体中以及 可能引入虹吸支撑中进行预热并与已蒸发液体混合的任何气体中。这 样，该虹吸支撑优选具有用于接触已蒸发液体和气体的延伸的表面区 域，并可以由这里所述的热交换器材料制成。在优选实施例中，该虹
吸支撑包括波紋金属肋片。合适的金属肋片典型地包括铝和/或一些其 他高热传导性金属。这样的材料从活动在热交换器领域的供应商那里
可购得，例如俄亥俄州Kenon的Robinson Fin Machines, Inc。
过热器接触。并且，蒸发速率需要足以产生所需的已蒸发液体流。除 了其他因素，虹吸材料和热传递壁之间的接触面积大小将依赖于将要 蒸发的液体的蒸发温度、热传递系数及供应到热传递壁的外表面的热 的温度和量。
虹吸材料和热传递壁的内表面之间的接触面积可以通过下面的总 体性公式决定
Qwick=UwickA A TLMTD
其中Qwick是蒸发虹吸材料中的可蒸发液体所需的热，Uwick是热 传递系数，A是接触面积，ATtMTD是对数平均温差。其中可蒸发液
体是将要转化为蒸汽的水，虹吸材料和虹吸支撑的热传递系数需要在
约2500W/mVK到约100000W/m"K之间。然而，本公式假设只有蒸 发将发生在设备包含虹吸材料的部分。在一些实施例中，在虹吸材料 和虹吸支撑内需要发生蒸发和预热。在这样的实施例中，该虹吸材料 和虹吸材料与热传递壁之间的接触面积将加大，及该加大的接触面积 的热传递系数将包括蒸发组分和与加热气体相关的组分。因此，接触 面积的选择和热传递壁、虹吸材料以及虹吸支撑的材料的选择优选还
考虑适于将已蒸发液体加热到高温或过热温度的热传递系数。这样的 热传递系数结合下面的过热器来说明。
本发明的设备还将包括置于虹吸支撑下游的过热器，该过热器与 虹吸支撑流体连通，用于接收已蒸发液体流。过热器的主要功能是将 已蒸发液体加热到高温或过热温度。该过热器与热传递壁内表面的下 游部热连通，并可以包括热传导器，用于接触和加热已蒸发液体到高 温。该热传导器优选由高热传导性金属例如铝制成，并具有延伸的表 面区域，用于将热传导和传递到已蒸发液体。合适的热传导器优选包
括波紋金属肋片，这种热传导器例如可从盘型热交换器领域的供应商 购得。
本发明的设备可产生的过热蒸汽的最大温度极大地依赖于传递到 热传递壁外表面的热的温度和热传递系数。该过热器具有与虹吸材料 和虹吸支撑相关的热传递系数不同的热传递系数，这是因为没有蒸发 将发生在过热器内。过热器的热传递系数可以用于决定热传递壁的表 面面积，该表面面积是将一定量的已蒸发液体加热到想要的高温所需 要的。更特别地，与过热器相关的该热传递壁的表面面积可以从下面
总体性公式确定
Qsupheat=UsupheatA ATlmTD
其中，Qsupheat是将已蒸发液体的温度在过热器中加热到想要的温
度所需要的热，仏upheat是热传递系数，A是面积，ATLMTD是对数平 均温差。其中已蒸发液体是将要转化为过热蒸汽的蒸汽，过热器的热
传递系数应在约25W/m2/K和约250W/m2/K之间。
供应到设备的热流和从设备出去的过热蒸汽之间的温差通常称为 窄点温度(pinch temperature )。窄点温度可以用作热交换效率的指示。 在本发明的设备中，已经观察到小于约24。C的窄点温度。然而，可 以想象的，在不脱离本发明范围的情况下，该设备可以改造用于获得 想要的更高或更低的窄点温度。
与热传递壁的外表面的至少一部分热连通的热传导器可选地可以 用于从多个热源接收/吸收热并将热传递到热传递壁。优选地，该热传 导器与热传递壁的外表面接触，并可以对着虹吸材料和/或过热器布 置。优选地，该热传导器具有用于接收/吸收热的延伸表面区域，例如 可以通过波紋金属肋片提供。合适的热传导器可以由高热传导性金属 例如铝制成，这种热传导器在盘型热交换器领域可从供应商购得。
本发明的设备可选地可以包括热源，例如辐射热源，用于提供到 至少一个热传递壁的外表面的热。辐射热源可以包括与热传递壁相邻 接或接触布置的电热元件。其他可选的热源可以包括产生可导到热传 递壁外表面的热流体流的处理单元和/或与这样的壁热连通的热传导
器。例如，这样的热产生单元可以包括产生热排气气体的燃烧器和燃 烧室以及反应器，例如产生热重整油或其他热反应产品的重整反应器。 其他热产生器或热源可以用于将热提供到热传递壁外表面而不脱离本 发明的范围。
在一些实施例中，本发明的设备可以包括与热传递壁外表面间隔 开的外壁。限定在这样的外壁和热传递壁外表面之间的空间可用作热 流体沿着热传递壁流动的路径。优选地，在存在外壁时，外壁将具有 与热传递壁相似的形状和大小。例如，当热传递壁是圆柱形时，外壁 优选地为圆柱形并与热传递壁同心，且具有更大的直径。在热传递壁 本质上平坦时，该外壁优选地也是平坦的。
可以提供用于将可蒸发液体引导到虹吸材料的液体入口。还可选 地可以包括液体传送装置，用于将液体传送到虹吸材料，该液体传送 装置还可以包括液体源、泵和能够提供均匀液体流到液体入口的计量 装置。还可以提供与过热器进行流体连通用于从设备移除高温下的蒸 发液体的蒸汽出口。此外，用于热偶和其他温度传感设备的口可以用 于设备的不同位置。
在另外一个实施例中，本发明的设备可以包括多个蒸发单元。在 这样的实施例中，每个蒸发单元包括液体入口和用于从液体入口接收 可蒸发液体并将液体引导到至少一个热传递壁的虹吸材料。至少一个 热传递壁具有内表面和外表面，外表面能够接收热并将热传递到内表 面。热传递壁内表面的至少一部分与虹吸材料接触，在那里发生蒸发。 此外，每个蒸发单元包括与对着内表面的虹吸材料相接触的虹吸支撑。 该虹吸支撑为已蒸发液体提供从虹吸材料流出和流开的路径。每个蒸 发单元还将包括置于虹吸支撑下游的过热器。该过热器和虹吸支撑流 体连通并能够接收来自虹吸支撑的已蒸发液体流且将已蒸发液体加热 到高温。每个蒸发单元还包括与过热器流体连通的蒸汽出口。每个这 些特征的说明提供在本公开的其他地方，这里不再重复。
除了多个蒸发单元，这样的设备还将包括能够提供热流体流到一 个或多个所迷蒸发单元的外表面的热源支管。该热源支管可以包括用
于将热流分流为两个或多个流以引导到两个或多个蒸发单元的分流
器。同样地，这样的设备还将包括能够将热流体流从所述一个或多个 蒸发单元引导出的出口支管。
如同结合附图所述的，相邻的蒸发单元可以互相间隔开，从而在 相邻单元的热传递壁之间形成路径，用于使热流向相邻的热传递壁的 外表面。进一步地，在这样的路径中可以提供热传导器，用于将热传 导到那些热传递壁的外表面。在特殊的蒸发单元不具有相邻的蒸发单 元的地方，这里所述的外壁可以用于为热沿着热传递壁的外表面的流 动提供路径。类似地，在这样的路径中可以提供热传导器，用于将热 传导到那些热传递壁的外表面。
在一些实施例中，包括多个蒸发单元的设备可以包括能够提供第 二热流体流到一个或多个蒸发单元的第二热源入口支管，及用于将第 二热流体流引导出一个或多个蒸发单元的第二出口支管。使用两个或 多个热流的本发明的设备的性能促进了热效率，不仅在通过设备产生 过热蒸汽方面，还在使用来自多个生热组件的热时整个系统效率方面。
在另外的实施例中，包括多个蒸发单元的设备可以包括能够将可 蒸发液体传送到多个蒸发单元的液体入口的液体传送装置。该液体传 送装置优选地包括液体源、泵和提供均匀液体流到蒸发单元的液体入 口的计量装置。
本发明的特别的优点在于制造蒸发设备的简单性。结果，在本发 明的加工方面，提供了制造用于蒸发设备的方法。该方法包括将虹吸 材料覆盖或放置在具有延伸表面区域的虹吸支撑的至少上游部的步 骤。如同上面指出的，该虹吸材料需要足够柔软以使该材料可以折叠 或变皱并铺设在虹吸支撑上。当该设备具有大体圆柱形形状时，在虹 吸材料和虹吸支撑插入到圆柱形的热传递壁之前，该虹吸材料绕着圓 柱形的虹吸支撑巻成圆柱形。在这样的实施例中，该虹吸支撑需要具 有与热传递壁的内径接近的大小和构造，和/或需要具有足够的弹性， 使得虹吸支撑提供到虹吸材料的迫压力，以确保虹吸材料和热传递壁 的接触。当该设备本质上平坦时，该虹吸材料可以覆盖虹吸支撑的一
边缘，从而虹吸材料形成两个基本上延伸在虹吸支撑的表面区域上的 侧部和桥接这两个侧部并覆盖虹吸支撑端部的顶部。该方法还包括邻 接虹吸支撑下游端放置热传导器，从而使热传导器与虹吸支撑流体连 通。这样，虹吸支撑、虹吸材料和热传导器由至少一个具有内表面的 热传递壁包围，从而当包围着时，部分虹吸材料与内表面上游部接触， 热传导器邻接内表面下游部。
制造蒸发设备的方法还可以包括一个或多个步骤(a)选择虹吸 材料接收可蒸发液体的预期的流量；(b)提供虹吸材料，该虹吸材料 能够在远离至少一个热传递壁处接收预期的可蒸发液体流，并将该可 蒸发液体引导到虹吸材料的与至少一个热传递壁接触的部分；(c)为 所述至少一个热传递壁、虹吸材料和/或虹吸支撑选择材料，该材料将 提供这样的热传递系数，使其能够从外表面传递充足的热到内表面， 用于蒸发预期的可蒸发液体流，从而防止未蒸发液体与热传导器接触； 和(d)在虹吸材料和内表面之间提供充足的接触面积，用于蒸发预 期的可蒸发液体流，从而防止未蒸发液体与热传导器接触。可选地， 该制造蒸发设备的方法还可以包括邻接至少一个热传递壁的所述外表 面布置第二热传导器，以将热传导到热传递壁的外表面。而且，该方
预热并与已蒸发液体混合的开口 。
在本发明的另外一个实施例中提供蒸发液体的方法。该方法包括 步骤提供热到热传递壁的外表面，该热传递壁能够将热从外表面传 递到内表面，用于蒸发可蒸发液体并将可蒸发液体加热到高温。优选 地，将充足量的热提供到热传递壁外表面，用于蒸发可蒸发液体并防 止未蒸发液体与布置在下游的热传导器接触。热可通过一个或多个部 位与热流体流的接触和/或从辐射热源接收热而提供到热传递壁的外 表面。当热通过热流体流传送到热传递壁的外表面时，该热流体可以 包括一种或多种燃烧器排气和/或热重整油(hot reformate )。优选地， 沿着热传递壁外表面的热流体流是与沿着热传递壁内表面的已蒸发液 体流相反方向的，从而热传递壁最热部分邻接布置在虹吸材料下游的
热传导器。
该方法还包括传送可蒸发液体到虹吸材料远离热传递壁的部分。 在优选实施例中，该可蒸发液体包括水。该虹吸材料从其远离热传递 壁的部分将可蒸发液体引导到其与热传递壁内表面接触的部分。在虹 吸材料的该部分内，热容易地传递到可蒸发液体，将可蒸发液体加热 到蒸发温度以产生已蒸发液体。从虹吸材料散发出来的已蒸发液体进 入由虹吸支撑提供的空间例如通道中。当气体将要预热和/或与已蒸发 液体混合时，气体可以直接引导进入虹吸支撑的空间中，在那里气体 -波加热并与已蒸发液体混合。
该已蒸发液体或已蒸发液体与气体的混合物流过虹吸支撑并进入 过热器部，在那里已蒸发液体或已蒸发液体与气体的混合物接触热传 导器，该热传导器与热传递壁的内表面热连通。来自热传递壁内表面 的热被传导通过该传导器的延伸表面区域，在那里热容易传送到已蒸 发液体，以将已蒸发液体加热到高温。如同上面所述的，在优选实施 例中，热流体沿着外表面的流动逆着已蒸发液体沿着内表面的流动确 保了热传递壁在热传导器部分是最热的。
附图具体说明
如图l所示，蒸发设备10用于预热燃料并产生蒸汽，以用于重整 器(reformer) 1。蒸发设备10从燃烧器3接收以燃烧器排气6a方式 的热。此外，设备10还从重整器l接收以热重整油6b方式的热。这 些热流导入到设备10中并用于在其中产生过热蒸汽和预热燃料的混
合物4，该混合物然后从蒸发设备导出到重整器。尽管没有具体说明， 水和燃料是分别提供给蒸发设备并在水转化为蒸汽后在该设备10中
混合的。冷的燃烧器排气7从该设备导到出口或下游使用，而冷的重 整油导出到燃料箱以产生动力。优选是富氢重整油的其他使用，这样 燃料箱5可以由氢存储器或一些其他耗氢设备代替。而且，如图l所 示，燃烧器3产生的热可以导入重整器1用于燃料重整过程。
需要注意的是，尽管图1中的蒸发设备表示为具有三个部分，这
仅仅是出于说明目的的一般化情况。如图2所示，本发明的蒸发设备 可以使用单一热源加热具有三个部分的设备，而图4-6表示的设备是 使用两个热蒸汽加热具有五个部分的设备。本发明的蒸发设备的优点 在于适用于针对不同应用的设备设计的灵活性。
图2表示的蒸发设备10具有一对间隔开的平坦的热传递壁20和 20，，热传递壁之间限定通道3。热传递壁20和20，各自具有内表面22、 22，和外表面24、 24，。置于通道3上游部内的是虹吸支撑40和虹吸材 料30。置于通道3下游部内的是热交换装置50。
虹吸材料30具有向下伸入到通道内并与内表面22、 22，的上游部 分别接触的侧部34和34，。此外，虹吸材料30具有远离热传递壁并 与侧部34、34，桥接的顶部32。顶部32从液体入口或液体传送装置(未 示出)接收可蒸发的液体，并通过虹吸作用和/或虹吸效应将液体引导 到侧部34、 34，。在侧部34、 34，内，可蒸发的液体从内表面22、 22， 接收热并被加热到其蒸发温度。
已蒸发液体从虹吸材料的侧部34、 34，散发到虹吸支撑中，如弯 曲的箭头所示。该已蒸发液体流入到虹吸支撑的开口空间，该空间为 已蒸发液体提供流出通道3的上游部的路径。如同所示的，该虹吸支 撑是具有延伸的表面区域，也即波紋金属肋片40的热传导材料。波紋 金属肋片40提供热传递功能，并用于维持腿部34、 34，和内表面22、 22，之间的接触。
已蒸发液体向下流入过热器，该过热器包括热交换装置，也即波 紋金属肋片50。波紋金属肋片50从内表面22、 22，的下游部接收热并 将热传递到流过肋片的已蒸发液体。
平坦的外壁70、 70，与热传递壁20、 20，的外表面间隔开，以在它 们之间限定通道5、 5，。每个通道5、 5，容纳有热传导器，特别地，为 波紋金属肋片60、 60，，用以将热传导到热传递壁的外表面24、 24，。 如同所示的，已蒸发液体通过通道3的流动与热流体通过通道5、 5， 的流动方向是相反的，这使得流过波紋肋片50的已蒸发液体能够过热 到高温。
图3a是组装了的虹吸材料、虹吸支撑的正视图，其中在框架301 中具有过热器。将要蒸发的可蒸发液体通过框架301中的开口 (未示 出)引入，从而液体与虹吸材料的顶部332接触。在组装过程中，如 图3c所示，虹吸材料330覆盖波紋金属肋片340，从而形成侧部334、 334，和顶部332。开口 303d可以提供在顶部332的相对端，从而需要 预热并与已蒸发液体混合的气体可以直接导入到波紋金属肋片340的 通道341中。图3d、 3e提供了肋片340的附加视图，图中更清楚地显 示了通道341的细节。波紋肋片340的外部342、 342，与侧部334、 334， 接触，确保那些侧部和热传递壁内表面之间的接触。通道341、 341， 为已蒸发液体和其他气体沿着热传递壁通过虹吸支撑的流动提供延伸 表面区域和路径，从而有助于虹吸支撑的热传递功能。
该可蒸发液体通过虹吸材料从顶部332传到侧部334、 334，，在 那里来自热传递壁的热将液体蒸发。该已蒸发液体散发到通道341中 并向下流过包括波紋金属肋片350的过热器，在那里该已蒸发液体加 热到高温。该已蒸发液体从波紋金属肋片出来并流到提供在框架301 上的出口 (未示出)。如同所示的，波紋金属肋片351形式的额外的热 交换表面区域可以用于提供额外的热传递表面，并提供用于维持装置 的形状和刚度的结构支撑。图3b表示用于将热引导到热传递壁的外表 面的热传导器的正视图。该热传导器包括具有框架361的波紋金属肋 片360。
诸如框架301和361的框架可以用于以模块式部件来保持元件， 并方便设备以所述的结构组装。例如，固定在如图3a所示的框架301 里的元件这里通常表示为"蒸发器部"或"蒸发器通道"。基于波紋肋片 360和热传递壁的外表面可以利用燃烧器排气流加热的事实，保持在 框架361里的元件这里通常表示为"燃烧器部"或"燃烧器通道"。
图4表示的蒸发设备400是这样的结构，其使用来自两个不同热 源的热流，并预热气体且将预热气体与已蒸发液体混合。更特别地， 设备400具有燃烧器排气入口支管410,用于接收热的燃烧器排气并 将其引导到框架461、 461，内的燃烧器通道中。燃烧器排气出口支管
415用于从设备中引导冷却了的燃烧器排气。设备400使用的第二热 流优选是来自燃料处理反应器的热重整油。热重整油通过重整油入口 440进入设备400并通过框架481内的中心通道。冷的重整油通过重 整油出口 445流出中心通道。可蒸发液体入口 402提供用于将可蒸发 液体引导到由框架401、 401，框住的蒸发器通道中。气体入口 403提 供在燃烧器部分的上游部，从而气体可被引导到虹吸支撑中以预热并 与已蒸发液体混合。蒸气出口 404提供在设备下游部，用于将已蒸发 液体和预热气体的混合物从设备中引导出去。
更特别地，外壁470、 470，包围设备400的五个通道或部分的组 件。从外壁470到外壁470，依次移动，是包围在框架461内的燃烧器 通道、热传递壁420d、框架401内的蒸发器通道、热传递壁420c、框 架481内的中心通道、热传递壁420b、框架401，内的蒸发器通道、热 传递壁420a和包围在框架461，内的燃烧器通道。此外，热偶口 409 提供在多个位置。框架、热传递壁和外壁优选通过铜焊互相附着，而 支管、口等优选通过焊接连接。用于组装本发明的设备的其他方法为 本领域普知。
图5是图4所示的设备从设备上方的点向下看，通过燃烧器排气 出口支管515中的出口的正视图。通过出口开口可见的是波紋金属肋 片560、热传递壁520d、框架501内的蒸发器通道、热传递壁520c、 包围在框架581内的中心通道、热传递壁520b、包围在框架501，内的 蒸发器通道、热传递壁520a和波紋金属肋片560，。还标注的是热重 整油入口 540和冷重整油出口 545。可蒸发液体入口 502和气体入口 503也有示出。
图6是图4所示设备的分解视图。外壁670、 670，包围设备600 的五个通道或部件的组件。从外壁670到外壁670，依次移动，是包围 在框架661内的燃烧器通道、热传递壁620d、包围在框架601内的蒸 发器通道、热传递壁620c、包围在框架681内的中心通道、热传递壁 620b、包围在框架601，内的蒸发器通道、热传递壁620a和包围在框 架661，内的燃烧器通道。
如同这里所述的，每个热传递壁各自具有用于接收热并将热传递 到蒸发器通道的外表面和内表面。如同所述的，燃烧器排气形式的热
流体通过位于设备底部的燃烧器排气入口支管610进入设备600。分 流器607分离燃烧器排气流，从而使它向上通过波紋肋片660、 660，， 在那里热被吸收并传导到外表面624d (未示出)和624a。该热流过热 传递壁到达内表面622d和622a (未示出)，在那里其用于蒸发液体并 使已蒸发液体过热。此外，热重整油通过重整油入口 640进入设备并 向上流过框架681所包围的中心通道。该中心通道包括用于将热重整 油的热传导到外表面624c和624b (未示出)的波紋金属肋片680。该 热流过热传递壁到达内表面622b和622d(未示出)，在那里其用于蒸 发液体并使已蒸发液体过热。该冷的重整油流和燃烧器排气流各自通 过中心通道和燃烧器通道并通过重整油出口 645和燃烧器排气出口支 管615从设备排出。
可蒸发液体通过与开口 603c流体连通的入口 602进入蒸发器通 道。在运行过程中，可蒸发液体通过开口 603c并到达相应的虹吸材料 的顶部632和632，。该可蒸发液体向下流过虹吸材料的侧部634和 634，，在那里该液体被加热并蒸发。该已蒸发液体然后流入虹吸支撑 (未示出)。被引导通过气体入口 603a的气体通过开口 603c进入蒸发 器通道，并通过开口 603d向下流入虹吸支撑中。这样的气体在虹吸支 撑的波紋金属肋片内预热并与已蒸发液体混合。已蒸发液体和预热气 体的混合物然后向下游流到过热器部，在那里它们在波紋金属肋片 650和650，中过热。然后该过热混合物通过与出口支管604流体连通 的开口 652、 652，流出燃烧器通道。
上面公开的具体实施例只是例举性的，因为受益于这里的教导， 对于本领域技术人员来说，本发明可以改变并以不同的但是类似的方 式实现。而且本发明也不旨在限定于这里所示的结构或设计的细节， 而是如下面权利要求所述。从而显然，上面公开的具体的实施例可以 改变或变形，并且所有这样的变形被认为是不脱离本发明的范围和精 神的。相应地，这里所指的保护范围如下面的权利要求书给出。
权利要求
1、用于蒸发液体的设备，该设备包括:具有内表面和外表面的至少一个热传递壁，该外表面能够接收热并将热传递到内表面；虹吸材料，该虹吸材料用于接收液体并将液体导入内表面，至少部分虹吸材料与内表面接触；虹吸支撑，该虹吸支撑与对着内表面的虹吸材料接触，且为流自虹吸材料的已蒸发液体提供路径；过热器，该过热器布置在虹吸支撑下游，且与虹吸支撑流体连通，用以接收已蒸发液体并将已蒸发液体加热到高温。
2、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述虹吸材料与内 表面接触的部分是与内表面的上游部接触。
3、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述过热器包括热 传导器，用于将热从内表面传导到已蒸发液体。
4、 根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述热传导器包括 波紋金属肋片。
5、 根据权利要求1所述的设备，还包括用于将热提供到所述至少 一个热传递壁的外表面的热源。
6、 根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述热源是辐射热源。
7、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于还包括与外表面上 与虹吸材料相对的至少一部分接触的热传导器，用于将热从热流体传 导到外表面。
8、 根据权利要求7所述的设备，其特征在于所述热传导器包括 波紋金属肋片。
9、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于还包括与外表面间 隔开的至少一个外壁，并在所述外表面和外壁之间为热流体流提供路 径，以使热能够传送到外表面。
10、 根据权利要求9所述的设备，其特征在于所述至少一个热 传递壁和所述至少一个外壁每个均包括圆柱形壁。
11、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述至少一个热 传递壁包括两个互相间隔开的平坦壁，并且其中所述虹吸支撑和过热 器置于所述两个平坦壁之间。
12、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述虹吸材料包 括能够引导液体到内表面的编织或非编织结构的纤维。
13、 根据权利要求12所述的设备，其特征在于所述纤维包括氧 化铝。
14、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于所述虹吸支撑包 括延伸的表面区域。
15、 根据权利要求14所述的设备，其特征在于所述延伸的表面 区域包括波紋金属肋片。
16、 根据权利要求1所述的设备，还包括用于传送液体到虹吸材 料的液体传送装置，该传送装置包括液体源和泵。
17、 根据权利要求1所述的设备，还包括与过热器流体连通的蒸 汽出口。
18、 根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述热源包括一 个或多个燃烧器或重整反应器，用于提供热流体流到所述至少一个热 传递壁的外表面。
19、 用于蒸发液体的设备，该设备包括 多个蒸发单元，每个蒸发单元包括液体入口；虹吸材料，该虹吸材料用于从液体入口接收液体并将液体引 导到热传递壁；具有内表面和外表面的至少一个热传递壁，该外表面能够接 收热并将热传递到内表面，并且至少一部分内表面与虹吸材料接触；与对着内表面的虹吸材料接触的虹吸支撑，该虹吸支撑为流 自虹吸材料的已蒸发液体提供路径； 布置在虹吸支撑下游的过热器，该过热器与虹吸支撑流体连通，用于接收已蒸发液体并将已蒸发液体加热到高温；和 与过热器流体连通的蒸汽出口； 热源入口支管，其能够提供到一个或多个蒸发单元的外表面的热 流体流；和能够将热流体流引导出所述一个或多个蒸发单元的出口支管。
20、 根据权利要求19所述的设备，还包括能够将第二热流体流提 供到一个或多个蒸发单元的第二热源入口支管，和能够将第二热流体 流引导出所述一个或多个蒸发单元的第二出口支管。
21、 根据权利要求19所述的设备，其特征在于还包括能够传送 液体到液体入口的液体传送装置，该液体传送装置包括液体源、泵和 用于传送均勾液体流到液体入口的计量装置。
22、 用于蒸发液体的设备的制造方法，该方法包括步骤 将虹吸材料覆盖在具有延伸表面区域的虹吸支撑的至少上游部； 邻接虹吸支撑下游部放置热传导器；和用具有内表面和外表面的至少一个热传递壁包围虹吸支撑、虹吸 材料和热传导器， 一部分虹吸材料与内表面的上游部接触，而热传导器邻接内表面的下游部。
23、 根据权利要求22所述的方法，还包括一个或多个如下步骤 选择虹吸材料接收可蒸发液体的预期的流量； 提供虹吸材料，该虹吸材料能够在远离至少一个热传递壁处接收预期的可蒸发液体流，并将该可蒸发液体引导到虹吸材料的与所述至少一个热传递壁接触的部分；为所述至少一个热传递壁、虹吸材料和/或虹吸支撑选择材料，该 材料将提供这样的热传递系数，使其能够从外表面传递充足的热到内 表面，用于蒸发预期的可蒸发流体流，从而防止未蒸发液体与热传导器接触；和在虹吸材料和内表面之间提供充足的接触面积，用于蒸发预期的 可蒸发液体流，从而防止未蒸发液体与热传导器接触。
24、 根据权利要求22所述的方法，还包括邻接所述至少一个热传 递壁的外表面布置第二热传导器的步骤。
25、 根据权利要求22所述的方法，还包括在虹吸材料上提供开口 而用于引导气体进入虹吸支撑的步骤。
26、 用于蒸发液体的方法，该方法包括步骤 提供热到热传递壁的外表面，该热传递壁能够将热从外表面传递到内表面，用于蒸发可蒸发液体并将可蒸发液体加热到高温；将可蒸发液体传送到虹吸材料远离热传递壁的部分，该虹吸材料将可蒸发液体引导到虹吸材料与热传递壁内表面接触的部分，在那里可蒸发液体被加热而产生已蒸发液体；和使已蒸发液体和与热传递壁内表面热连通的热传导器接触，以将已蒸发液体加热到高温。
27、 根据权利要求26所述的方法，其特征在于热是以充足的量 提供到热传递壁外表面的，用于蒸发可蒸发液体并防止未蒸发液体与 热传导器接触。
28、 根据权利要求26所述的方法，其特征在于热传递壁的外表 面是通过一个或多个部位与热流体流的接触和/或从辐射热源接收热 而力口热的。
29、 根据权利要求28所述的方法，其特征在于所述热流体流包 括一种或多种燃烧器排气和/或热重整油。
30、 根据权利要求28所述的方法，其特征在于沿着热传递壁的 热流体流是与已蒸发液体流相反方向的。
31、 根据权利要求26所述的方法，其特征在于所述可蒸发液体 包括水。
32、 根据权利要求26所述的方法，还包括将燃料与已蒸发液体混 合以提供热燃料和已蒸发液体的混合物的步骤。
33、 根据权利要求32所述的方法，其特征在于通过将所述燃料 直接引导进入虹吸支撑而使燃料与已蒸发液体混合。
全文摘要
本发明涉及一种用于蒸发液体和将被蒸发液体加热到高温的设备。该设备具有热传递壁，该热传递壁具有用于接收热和将热传递到内表面的外表面。设置有虹吸材料，使得该虹吸材料的一部分与内表面接触，而另外一部分远离热传递壁。与对着热传递壁内表面的虹吸材料接触的虹吸支撑为虹吸材料提供结构支撑，并进一步为流自虹吸材料的蒸发液体提供路径。可蒸发液体被传送到虹吸材料远离热传递壁的部分，并允许移往与内表面接触的部分。来自内表面的热将液体转化为已蒸发液体。可选地，气体燃料可被引导到虹吸支撑中用于预热且与已蒸发液体混合。已蒸发液体通过虹吸支撑流出虹吸材料并进入下游的过热器，该过热器优选容纳有热交换装置。该热交换装置与热传递壁的内表面热连通，用于接收和传递热到已蒸发液体。该设备可以包括多个连接到共同和/或不同热源的蒸发单元。还公开了制造用于蒸发液体的设备的方法及用于蒸发液体的方法。
文档编号F28D15/04GK101384875SQ200680053256
公开日2009年3月11日 申请日期2006年2月22日 优先权日2006年2月22日
发明者B·S·拉泽布尼克, B·克里希纳穆尔蒂, D·P·布卢姆菲尔德, J·D·巴尔迪克, P·D·史密斯 申请人:德士古发展公司