组合式热交换和流体混合设备的制作方法
【专利摘要】一种组合式热交换和流体混合设备，包括用于引导冷流体从其通过的第一管道和用于引导热气体从其通过的第二管道。在第一管道和第二管道之间布置导热元件以将热量从热气体引导到冷流体。导热元件具有限定用于设备中的热交换过程的最大纵向延伸部的长度。该设备还包括用于引导排出流体的第三管道。该第三管道包括排出流体入口，排出流体入口用于将排出流体引入设备中，以使排出流体与热气体混合并且使如此形成的排出流体/热气体的混合物在第二管道中发生化学反应。第三管道设置有用于使排出流体进入第二管道中的一个以上的开口。该一个以上的开口布置在用于设备中的热交换过程的最大纵向延伸部内，并且相对于第二管道布置在基本上相同的纵向位置处。
【专利说明】组合式热交换和流体混合设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及组合式热交换和流体混合设备的领域。
【背景技术】
[0002]例如在机动车辆的排气系统的领域中流体混合器是众所周知的。为了使排气能够在催化转化器中进行催化反应，典型地为氨或尿素的还原剂与排气混合。例如在US2002116916中，在催化转化器的上游，栅格紧接于用于注入还原剂的注入装置布置。栅格提供排气/还原剂的混合物的均匀分布。虽然排气系统中的流体混合器和催化转化器主要用来从排气中去除诸如氧化氮的有害成分，但排气的催化反应也可以用来耗尽留在排气中的剩余燃料。如果在该过程中产生的反应热被使用，则可以提高系统的能量效率。
[0003]燃料电池被认为是具有高效率的能量转换器。在燃料电池中，例如碳氢燃料直接转变为电能和热量。为了提高能量系统的总效率，在燃料电池中产生的热量可以进一步用于加热。尤其是在高温下操作的燃料电池，诸如固体氧化燃料电池(SOFC)是用于在组合式发电和热回收装置中应用的合适的备选物。通常，热交换器被布置在加热冷流体以进一步应用的燃料电池的下游。为了操作，SOFC需要预热氧化气体，尤其是空气。该气体可以在其被引入SOFC之前在热交换器中被预热。此外，如果引入燃料电池中的燃料未被完全耗尽，则离开燃料电池的这样的贫化燃料仍包含燃料。该贫化燃料现在可以在流体混合器中与离开SOFC的热空气混合以用于氧化贫化燃料/热空气的混合物。然后该混合物被引导到热交换器中。来自热空气的热量以及来自氧化反应的反应热在热交换器中被使用。遗憾的是，这样的系统包括几个单独的部件，这些部件需要空间并且具有高生产成本，例如单独的流体混合器和单独的热交换器。另一示例包括单独的燃烧器和单独的热交换器，然而贫化燃料在所述单独的燃烧器中被混合和氧化，该单独的燃烧器放置在单独的热交换器的上游。
【发明内容】
[0004]因此，提供了一种考虑了现有技术的缺点的热交换和流体混合设备。尤其是，提供了一种重量减轻且节省空间并且允许降低生产成本的组合式热交换和流体混合设备。
[0005]根据本发明的组合式热交换和流体混合设备包括:
[0006]-用于引导冷流体从其通过的第一管道，所述第一管道包括冷流体入口和冷流体出口 ；
[0007]-用于引导热气体从其通过的第二管道，所述第二管道包括热气体入口和热气体出口 ；
[0008]-导热元件，所述导热元件布置在所述第一管道和所述第二管道之间，以将热量从所述热气体传递到所述冷流体，所述导热元件具有限定用于所述组合式热交换和流体混合设备中的热交换过程的最大纵向延伸部的长度；所述组合式热交换和流体混合设备还包括:[0009]-用于引导排出流体的第三管道，所述第三管道包括用于将所述排出流体引入所述设备中的排出流体入口，以使所述排出流体与所述热气体混合并且使如此形成的排出流体/热气体的混合物在所述第二管道中发生化学反应，其中，所述第三管道设置有用于将所述排出流体从所述第三管道引入所述第二管道的一个以上的开口，其中用于将所述排出流体引入所述第二管道的所述一个以上的开口布置在用于所述组合式热交换和流体混合设备中的热交换过程的所述最大纵向延伸部内，并且所述一个以上的开口相对于所述第二管道布置在基本上相同的纵向位置处。
[0010]由导热元件分开的用于引导冷流体的第一管道和用于引导热气体的第二管道布置成用于从热气体到冷流体的热交换过程。因此，导热元件的长度限定了最大纵向延伸部，在所述最大纵向延伸部中，可以发生所述设备中的热交换过程。如果第一管道和第二管道沿导热元件的整个长度布置，则这样的最大纵向延伸部可以有效地用于从热气体到冷流体的热交换。
[0011]通过使第三管道在其一端处设置有用于将排出流体引入设备中并且引入第二管道中的排出流体入口，流体混合被结合到热交换器中。通过在第三管道中在用于设备中的热交换过程的最大纵向延伸部内布置用于将排出流体从第三管道引入第二管道中的一个以上的开口，排出流体最先在设备内的可能发生热交换的区域中被引入第二管道中。与从热气体到冷流体的热交换过程开始相比，排出流体和热气体的混合同时或稍后分别在更下游(相对于热气体入口和热气体在第二管道中的流动的下游)开始。为了开始混合，例如当一些热量已经从热气体被传递到冷流体时，如果热气体的温度在热气体入口处非常高则可以是有利的，并且应该防止或减少快速化学反应，例如排出流体的氧化，并且尤其是由放热化学反应(诸如氧化过程)产生的过多热量。通过相对于第二管道基本上在相同的纵向位置处附加地布置一个以上的开口，可以在根据本发明的设备中执行进一步受控的化学反应和进一步受控的热交换。如果一个以上的开口被布置在第二管道的基本上相同的纵向位置处，则注入第二管道中的每种流体最初均遭遇相同的热气体环境。另外，如果这些开口布置在基本上相同的纵向位置处，则对于所注入的流体也可以统一进一步反应的条件。例如，所注入的流体到达第二管道中的催化活性部分的时间或者与热气体混合的所注入的流体遭遇由第一管道的冷流体造成的冷却影响的时间对于穿过不同开口注入的流体可以是基本上相同的。借助催化活性元件，可以触发在第二管道中的特定纵向位置或区域处发生或开始化学反应。通过这些措施，可以设置含有冷流体的第一管道并且冷流体的温度可以适合于使得第二管道中的化学反应和放热保持在最大水平或期望水平。开口的相对于第二通道的基本上相同的纵向位置大致对应于从第二通道的入口测量的基本上相同的长度或距离。然而，在具有一个或多个弯曲的第二管道中，相同的纵向位置基本上对应于与横向管道壁或第二管道中的流动方向垂直的线。
[0012]如果开口布置在第二管道中的不同纵向位置处，则可能发生的是，在更上游的位置处注入的流体或混合物在该流体或混合物穿过更下游的孔之前并且在该流体或混合物到达第二管道中的催化活性部分之前已经起反应。还可能发生的是，该流体或混合物在其遭遇由第一管道的冷流体造成的冷却影响之前起反应。如果反应是放热的，则产生过多的热量并且这样的过热的注入的流体或混合物与在更下游位置处注入的流体起反应。这可能导致例如所注入的排出流体的燃烧，这可能损伤设备直到其被毁坏。通过如所述的开口的布置，可以实现的是，所注入的排出流体/热气体的混合物的燃烧仅发生在设备的已被冷却的区域中。
[0013]通过结合流体混合和热交换，不需要布置在热交换器的上游的诸如单独的流体混合器的分离的部件。这降低了生产和制造成本，这是因为不必制造和组装分离的装置。另夕卜，热交换和流体混合这两个过程被结合在一个设备中。因此，还仅需要一个壳体，该壳体例如可以是钢外壳。这进一步降低了材料成本和重量，并且另外可以节省空间，尤其是还因为在根据本发明的设备中的结合的单独的部件之间不需要连接管。
[0014]术语“热气体”和“冷流体”在本文用来描述气体和流体，该流体可以是气体、液体或其混合物，这允许在热交换器中发生从热气体到冷流体的传热。冷流体的温度低于热气体的温度。虽然对于热气体和冷流体之间的温差或它们的温度范围基本上没有限制，但是在一些优选实施方式中，“热气体”在热气体入口处的温度位于500至1000摄氏度之间的范围内，例如大约为800摄氏度。在一些优选实施方式中，冷流体在冷流体入口处的温度是环境温度并且在冷流体出口处的温度是几百摄氏度，例如为700摄氏度。
[0015]排出流体可以是气体、液体或气体-液体的混合物。混合可以由排出流体入口或一个以上的开口的设计来支持。例如开口可以用作喷嘴，或者可以在第二管道中设置混合元件，例如栅格，偏转元件或者其它导致排出流体和热气体的流中的紊流的障碍物。排出流体例如是来自燃料电池的贫化燃料或者机动车辆的发动机的排气。
[0016]在优选实施方式中，化学反应是排出流体的氧化，例如燃料的氧化。它例如可以是排出流体的催化部分氧化过程(CPOX)。CPOX还是放热化学反应。其中，燃料-空气的混合物被部分燃烧，使得形成富氢气体。在根据本发明的设备中可能发生的化学反应的该示例能例如用来产生在单个装置的燃料电池中起作用的氢。化学反应的其它示例是燃料(优选地为碳氢化合物)的重整过程。这些化学反应仅通过示例来提及。更多的化学反应可以取决于排出流体的含量以及热气体的组分的含量。
[0017]开始和维持化学反应(尤其是热气体中的排出流体的氧化反应)所需的能量可以仅由热气体来传送。由氧化过程或由另一放热过程获得的热量进一步支持在第二管道中发生的氧化过程或其它化学反应。反应热也可以加热热气体，然后该热气体与用于热交换过程的热气体一起加热第一管道中的冷流体。
[0018]术语“布置在用于设备中的热交换过程的最大纵向延伸部内”不限于这样的特征，例如不限于一个以上的开口布置在导热元件本身中。该术语还描述了设备中的这样的区域，该区域在由导热元件的长度限制的一个尺寸(或长度)中。“布置在最大纵向延伸部内”的特征的位置因此不是布置在导热元件的两个纵向端部之外(仅相对于纵向方向)的区域中而是布置在例如平行于导热元件的这样的区域内。
[0019]一个以上的开口可以布置在导热元件中，例如构造为导热板中的孔，或者平行于导热元件布置，例如布置在单独的管道的引导排出流体的壁中，该壁不(必要)是导热元件的一部分。优选地，一个以上的开口布置在热气体入口的下游。在根据本发明的设备的优选实施方式中，多个开口沿着第三管道的长度布置。例如，这多个开口可以横跨设备的宽度或宽度的一部分布置，诸如横跨导热板的宽度或宽度的一部分布置。
[0020]第三管道中的一个以上开口或多个开口的设置支持穿过所述多个开口的排出流体的混合:排气流体在几个位置处被引导到热气体中。通过沿着第三管道的长度附加地布置多个开口，排出流体在沿着第三管道的长度布置的位置处被引导到热气体中，这些位置可以是设备的宽度或宽度的一部分，例如为导热元件或导热板的宽度或宽度的一部分，或者为第二管道的整个宽度。例如，一排大约Imm尺寸的孔可以优选地在第二管道的整个宽度范围内均匀地布置。例如，一排十个或二十个孔可以相对于第二管道布置在相同的纵向位置处。
[0021]依照根据本发明的设备的一方面，排出流体入口布置在用于设备中的热交换过程的最大纵向延伸部内。由此，不仅一个以上的开口而且排出流体入口也布置在最大纵向延伸部内。排出流体入口有利地平行于导热元件例如布置在最大纵向延伸部的靠近热气体入口的一端，或者与最大纵向延伸部的中心相对地布置，或者布置在该一端和该中心之间。因此，排出流体可以在从热气体的传热可能已经开始的位置处被引入设备中。这可以有利地在于:排出流体可能已借助导热元件被加热；至冷流体的传热已经将热气体冷却下来并且防止或最小化排气的快速氧化或其它放热反应；设备可以以紧凑的方式或者通过前述优点的组合来构造。
[0022]排出流体在排出流体入口处被引入设备中并且在第三管道中被引导到该第三管道的一个以上的开口。这一个以上的开口可以布置在热气体入口的下游，使得排出流体直接被引入热气体中并且排出流体和热气体的混合在将排出流体引入第二管道中之后立即发生。热气体的流沿着该热气体在第二管道中的流动方向携带排出流体。
[0023]在根据本发明的设备的一方面，第三管道在与第一管道或第二管道的方向垂直的方向上布置。通过第三管道垂直于第一管道或第二管道或者垂直于两者的布置，可以获得第三管道在第一管道或第二管道中或者紧接于该第一管道或第二管道的节省空间的布置。第三管道可以被布置在设备中，而没有或没有显著地分别缩短第一管道或第二管道的长度。另外，垂直布置允许设置多个横跨设备的宽度或宽度的一部分延伸的开口并且允许沿着第二管道的宽度或宽度的一部分将排出流体引入热气体中，从而支持排出流体和热气体的混合。如果第三管道和第二管道垂直于彼此布置，则沿着第三管道的长度布置的一行开口同时布置在第二管道的相同的纵向位置处。通过这样的布置，便于根据本发明的设备的单独的元件的制造。
[0024]依照根据本发明的设备的一方面，第一管道和第三管道布置在导热元件的同一侦U，并且用于使排出流体从第三管道进入第二管道中的一个以上的开口布置在导热元件中。通过该布置，冷流体和排出流体在导热元件的同一侧在相应的第一管道和第三管道中被引导。用于冷流体和排出流体的分隔的管道能通过简单构造的装置来实现。另外，排出流体可以在热交换器的“冷”侧被引入设备中，从而防止或限制化学反应，尤其是在排出流体与热气体混合之前的放热化学反应，例如氧化。通过使排出流体穿过导热元件中的一个以上的开口，第二管道可以无任何障碍物。由于热气体的低密度，第二管道中的这样的障碍物可能导致第二管道范围内的压降。
[0025]第一管道和第三管道之间可以布置有流密性分隔元件，以将第一管道和第三管道流密地分隔。第一管道和第三管道优选地彼此相邻地布置并且仅由流密性分隔元件分隔，使得没有流体从第一管道交换到第三管道或者反之亦然。分隔元件可以是例如呈杆形式的间隔件。这样的间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]依照根据本发明的设备的另一方面，第二管道和第三管道布置在导热元件的同一侦U。这样的布置提供了一个以上的开口的位置的灵活性，在所述一个以上的开口处，排出流体进入第二管道并且实际上与热气体混合。例如，通过将第三管道布置在热气体入口的大约下游，例如与热气体入口相邻或者接近第二管道的长度的一半，可以优化传热和反应过程。如果第三管道布置在热气体入口的更下游，则热气体的温度已经被冷却下来。因此，用于放热化学反应的温度可以被保持在期望的范围内。而且，热气体入口处的热气体的温度可以更高而不会已经在排出流体入口处或在一个以上的开口处引起过量化学反应。
[0027]另外，通过将第三管道和第二管道布置在导热元件的同一侧，可以延长用于引导冷流体的第一管道。该第一管道可以尤其是延长到设备的基本上整个长度，使得例如导热元件的整个长度可以用于热交换过程。
[0028]依照根据本发明的设备的另一方面，导热元件是布置在第一侧板和第二侧板之间的导热板。导热板以及第一侧板和第二侧板布置成彼此隔开一定距离，从而在第一侧板和导热板之间形成第一间隙并且在导热板和第二侧板之间形成第二间隙。
[0029]板式热交换器由于它们的可用于传热的大的表面积而非常有效。板装置的制造是便利的并且可以容易地延伸成多重叠堆。另外，通过在热交换板的一侧设置两个管道并且在热交换板的相反一侧设置一个管道，不需要用于附加的或单独的冷却/加热或者用于分隔的排气流的管道用的另外的板。这简化了制造并且使根据本发明的设备非常紧凑。
[0030]在根据该方面的一个实施方式中,第一间隙由流密性分隔兀件分成第一管道和第二管道。第二管道由第二间隙形成并且一个以上的开口布置在导热板中。在由流密性分隔元件分隔的第一间隙中，该间隙的一部分形成第一管道并且该间隙的另一部分形成第三管道。为了使排出流体从导热板的一侧到导热板的另一侧而进入第二管道的热气体中，一个以上的开口布置在导热板中。在该布置中，第二间隙形成第二管道。其中，热气体可以从热气体入口基本上不受到干扰地流到热气体出口。
[0031]也可以在第一管道中结合第三管道。由此，第一管道可以在导热元件的长度或长度的一部分范围内延伸。
[0032]在根据该方面的另一实施方式中，第一管道由第一间隙形成并且第二管道由第二间隙形成，而第三管道布置在第二管道中。将第三管道结合到第二管道中允许与在第二管道中不存在第三管道的情况相比提供了具有相同长度的第二管道，其长度有利地对应于导热板的长度。然后热气体流过第三管道，这可以引起紊流并且支持从第三管道释放的排出流体与第二管道中的热气体混合。
[0033]依照根据本发明的设备的另一方面，第二管道包括用于另外的化学反应的催化活性元件，所述另外的化学反应诸如为排出流体/热气体的混合物的氧化。
[0034]为了进一步支持化学反应，诸如排出流体/热气体的混合物的氧化过程，或者在热气体的温度不足以发生化学反应或者不足以使排出流体完全起反应的情况下，在第二管道中可以布置催化活性元件。这样的催化活性元件可以布置在第二管道的限定区域中并且可以布置在排出流体的下游并且尤其是布置在一个以上的开口的下游。催化活性元件优选地例如这样布置在第二管道的中间部，使得能利用热交换过程中的反应热。术语“中间部”优选地限定了第二管道的这样的区域，该区域在第二管道的总长的大约50%的范围内延伸并且布置在第二管道的中间长度附近。然而，催化活性元件也可以在上游布置到例如远至对应于第一管道的位置或者以基本上直接对应于排气的注入位置。[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层。涂层不会增强或者不会显著地增强第二管道中的流体流动的阻力。另外，涂层可以在组装设备之前施加至管道壁。
[0036]依照根据本发明的设备的一方面，冷流体入口和热气体出口布置在设备的一个端部处，并且冷流体出口、热气体入口、排出流体入口以及一个以上的开口布置在设备的相反端部处。设备的端部可以尤其是设备的顶部，并且设备的相反端部可以是设备的底部。
[0037]通过将用于冷流体和热气体的入口和出口布置在设备的两个相反端部上，热交换过程的两种流体被沿逆向流方向弓I导通过该设备。这是热交换器中的用于从热气体到冷流体的最大传热的有利的流动方向。另外，通过将管道的入口和出口布置在两个相反端部上，设备的最大延伸部(最大程度在导热元件的整个长度上)可以用于热交换过程。通过将排出流体入口以及一个以上的开口与热气体入口相比布置在设备的同一端部上，第二管道的长度的大部分可以用于混合排出流体和热气体，用于混合物的氧化并且用于至冷流体的传热。
[0038]通过将入口和出口布置在顶部和底部中，冷流体和热气体或者混合物分别基本上具有自顶向下和自底向上的流动方向。然而，水平的或任何其它倾斜的流动方向对于根据本发明的设备也是可行的。
[0039]入口和出口在端部处的布置不仅对于如上所述的逆向流应用是有利的。而且同向流或交叉流布置根据应用也是优选的。例如在同向流布置中，热气体和冷流体基本上平行流动。因此，在同向流布置中，热气体和冷流体之间的导热元件的温度相当均匀。这可以有利地使得化学反应能够在大约恒温下在大的表面上进行。
[0040]术语“端部”和“相反端部”以及“顶部”和“底部”限定了根据本发明的设备的这样的区域，这些区域在设备的一半(上半部、下半部)范围内延伸并且优选地限定了在设备的起始于该设备的一端或相反端(底部、顶部)的三分之一(最上三分之一、最下三分之一)范围内延伸并且沿设备的中间的方向延伸。其中，设备限定了纵向轴线，该纵向轴线在顶-底布置中竖直地布置。
[0041]依照根据本发明的设备的另一方面，第二管道的壁包括用于支持排出流体与热气体的混合的轮廓结构。这些轮廓结构可以用来引起第二管道中的旋涡效应，该效应支持排出流体与热气体的混合并且因此可以有利地影响排出流体的氧化过程。
[0042]轮廓结构可以是第二管道的壁或壁的多个部分的表面结构。轮廓结构也可以是异型壁。轮廓结构的示例是粗糙表面、表面上的下沉部、凹陷、翼片或凹槽或者压印的波状或“人字形”图案。轮廓结构也可以扩大例如导热元件的表面从而增强热交换。
[0043]依照根据本发明的设备的一方面，该设备还包括至少一个另外的导热板、至少一个另外的侧板以及至少一个另外的排出流体入口。至少一个另外的导热板以及至少一个另外的侧板以交替方式布置并且在这些侧板和至少一个另外的导热板之间形成至少一个另外的第一间隙以及至少一个另外的第二间隙。至少一个另外的第二管道由至少一个另外的第二间隙形成。用于将排出流体引入至少一个另外的第二管道的一个以上的另外的开口布置在用于热交换的最大纵向延伸部内并且相对于第二管道处于基本上相同的纵向位置处。因此该布置形成热交换和流体混合设备的多重叠堆。
[0044]根据本发明的设备的板布置允许设备容易延伸以形成平行布置的热交换和流体混合设备的多重叠堆。因此，相同的元件彼此紧邻地堆叠使得热交换板和侧板以交替顺序布置。而且，包括相应的管道的间隙以交替顺序布置。由此，可以制造多个组合的混合器和热交换器的非常紧凑的布置。在多叠堆设备中，对应的入口和出口优选地在相应的收集器或歧管中接合。例如，在具有多个(N个)热气体出口的多重叠堆中，N个热气体出口仅在一个收集器中接合。这简化了根据本发明的设备至其它装置的连接。
[0045]虽然根据本发明的设备可以以成本有效的方式制造，但是该成本有效在制造根据本发明的设备的多重叠堆的情况下甚至更能感觉到。仅必须制造两种板，这两种板可以通过挤压或切割而形成。而且可以使用相同的另外的分隔元件。对于结合了热交换和流体混合的一个设备或多叠堆设备仅需要一个外壳，这是因为流体混合被结合到热交换中。不需要用于将分离的流体混合器连接至热交换器的组装成本，这是因为设备被制造为单个部件。
[0046]根据本发明的设备有利地用于结合并且与一个燃料电池或多个燃料电池结合。用于这样的燃料电池的示例是固体氧化燃料电池(S0FC)、碱燃料电池(AFC)、熔融碳燃料电池(MCFC)以及磷酸燃料电池(PAFC)。该结合由作为一种示例性燃料电池的固体氧化燃料电池(SOFC)来描述。SOFC因它们的高效率而有利地用于催化能量转换。这是因为它们在高温(500至1000摄氏度)下操作，在燃料气体可以用于燃烧电池中之前，提前将包含碳的燃料气体重整以获得氢不是必需的。然而，氧化剂(通常为空气或氧气)在被供给至SOFC之前需要被预热。来自离开SOFC的热损耗空气的热量可以利用根据本发明的设备的热交换功能而进一步用于该设备中，并且在根据本发明的设备中被加热的冷流体可以直接用作用于SOFC的预热空气。另外，留在离开SOFC的贫化燃料中的燃料也可以通过将SOFC的贫化燃料出口连接至排出流体入口而被使用。
[0047]因此，SOFC的相应的入口和出口可以连接至根据本发明的设备的相应的入口和出口。其中，第一管道的冷流体出口连接至固体氧化燃料电池的空气入口，并且固体氧化燃料电池的空气出口连接至第二管道的热气体入口。固体氧化燃料电池的贫化燃料出口连接至排出流体入口。根据本发明的设备的冷流体入口和热气体出口可以不连接至另一装置或设备，而是使其通向环境。
[0048]尤其是在其中根据本发明的设备与必须达到环境温度以上的某一操作温度的装置相连的应用中，所述装置是例如在高温下操作的燃料电池，排出流体也可以是未被耗尽的燃料。通过例如氧化燃料产生的反应热与冷流体交换，该冷流体由于与贫化燃料相比具有更高的燃料的能量密度而被快速加热。在常规的应用中，特定的启动燃烧器(例如气体燃烧器或电燃烧器)用来将热气体从20摄氏度预热到大约800摄氏度，然后热气体可以被引入热交换器中。与根据本发明的设备结合，在操作开始时可以使用少量的(非贫化)燃料，使得启动燃烧器可以被省除，可以具有较简单的构造(所需的较少动力)或者常规的启动燃烧器可以用于减少的服务时间，例如仅用几分钟就能将热气体预热到大约200摄氏度的温度。
【专利附图】
【附图说明】
[0049]在下文中借助附图来示出根据本发明的设备的实施方式，附图中:
[0050]图1示出了设备的实施方式的分解图；[0051]图2、图3和图4示出了在入口和出口处具有收集器的图1的实施方式的另外的视图，其中图2是穿过如图1中的板叠堆的前视图，图3是沿着线A-A剖取的纵向剖切侧视图，以及图4是图3的细节B的放大图；
[0052]图5是设备的另一实施方式的略图；
[0053]图6是图5的实施方式的剖视图；
[0054]图7示出了通过热交换板中的一排开口被引入到热气体中的流体的模拟。
【具体实施方式】
[0055]在图1中，示出了板式热交换器和流体混合器的实施方式。三个板1、2、3以面对面的方式彼此紧邻地布置。板1、2、3由在这些板之间形成间隙4、5的间隔件41、42、43、51隔开。在第一板I和第二(中间)板2之间形成第一间隙4，并且在第二板2和第三板之间形成第二间隙5。第二间隙5形成第二管道55,该第二管道55设置为用于将热气体(热气体的流动方向由深箭头56表示)，例如热空气引导通过该第二管道55。第一间隙4由间隔件43分成上部分和下部分。第一间隙4的上部分形成第一管道44，该第一管道44设置为用于将例如冷空气的冷流体(冷流体的流动方向由长的浅箭头49表示)引导通过该第一间隙4。第二板2是包括导热材料或由导热材料制成的导热板，其用于将热量从在第二管道55中被引导的热气体传递到在第一管道44中被引导的冷流体。导热板2的长度L限定了用于设备中的热交换过程的最大纵向延伸部22。该装置作为热交换器工作。
[0056]第一间隙4的下部分形成第三管道45。分隔该第三管道的间隔件43优选地水平布置并且在导热板2的整个宽度W范围内延伸。该间隔件43布置成优选地形成第一管道44和第二管道45之间的气密性和流密性间隔。第三管道45设置为用于引导例如排气或贫化燃料的排出流体(排出流体的流动方向由小箭头42表示)。
[0057]导热板2设置有多个开口 21，例如一行穿孔。该行穿孔优选地沿着对应于导热板2的宽度W的第三管道45的长度延伸。开口 21成一排布置在图1的实施方式的相同的纵向位置处。该位置对应于第二管道55的相同纵向位置，以使得排气42在相同的纵向位置处被引入第二管道55中，或者由于第二管道是直管道，因此第二管道55的长度从热气体入口 52开始测量。所注入的排气42到达这样的区域，该区域在注入之后基本上同时由冷流体和催化活性部分54冷却，而与排气42所注入的开口 21无关。由此，可以提供排气到第二管道55的热气体中的受控的注入。开口 21优选地横跨宽度W均匀地分布，支持排出流体与热气体均匀和充分的混合，这进一步支持根据本发明的设备中的受控的化学反应和热交换。
[0058]排出流体借助布置在设备的底部中并且在第一间隙4的前侧(相对于图1)的排出流体入口 46进入第三管道45。排出流体通过导热板2中的多个开口 21离开第三管道45并且进入第二管道55。排出流体与在第二管道中流动的热气体混合(该混合由转向浅箭头的深箭头56指示)。热气体借助热气体入口 52进入第二管道55并且流向设备的顶侧而到达热气体出口 53。现在被冷却的热气体以及如可以存在的任何反应产物(诸如水、二氧化碳等)借助热气体出口 53离开第二管道55。
[0059]热气体入口 52布置在设备的底侧并且基本上在底侧的整个宽度范围内延伸。热气体出口 53布置在设备的顶侧并且基本上在顶侧的整个宽度范围内延伸。[0060]排出流体入口 46以及多个开口 21布置在设备的底部中。由此，排出流体与热气体的混合在设备的一个端部处开始并且排出流体/热气体的混合物沿着第二管道55的大部分长度被引导。其中，热交换板2的大部分表面可以用于从热气体经由热交换板到冷流体的热交换并且混合物在第二管道5中花费的大部分时间可以用于化学反应，该化学反应优选地为放热化学反应，诸如氧化过程。
[0061]为了确保排出流体被氧化，例如如果热气体的温度不足以开始或维持氧化反应，则第二管道55设置有催化活性部分54，例如位于第三板3的表面上的催化活性涂层。该催化活性部分54布置在多个开口 21的下游(相对于热气体的流动方向)。优选地，催化活性部分54在第二管道55的中间部范围内延伸，以允许充分混合并且仍利用在热交换过程中由排出流体的氧化反应产生的反应热。
[0062]冷流体借助布置在设备的顶部中并且位于第一间隙4的后侧(相对于图1)的冷却流体入口 47进入第一管道44。冷流体在其流过第一管道44期间被由导热板2提供的热量加热，导热板2由在该导热板2的另一侧的第二管道55中被引导的热气体加热。在进入热交换和流体混合设备之前和离开该设备之后为了简便原因而被称为冷流体的冷流体被加热到例如几百摄氏度。冷流体借助布置在设备的底部中并且位于设备的前侧(相对于图1)的冷流体出口 48离开第一管道44。该被加热的冷流体可以进一步例如用作空调中的热源，或者如在优选实施方式中用作燃料电池用的预热空气源。
[0063]催化活性元件54的上游端可以直接对应于第一管道44的最下游纵向位置。由此，第二管道55中的反应受其在设备中的特定纵向位置处的初始条件或另外的支持控制。另夕卜，反应热由第一管道中的冷流体直接带走。也就是说，在第二管道中不产生过多的热量，该过多的热量不会被直接并且还以受控的方式带走。
[0064]在图2至图4中，示出了处于安装状态的图1的设备，该设备包括位于入口和出口处的收集器47至61。与图1相同的附图标记用于相同的或相似的特征。
[0065]在图1和图2中，所有入口和出口都布置在用于热交换的最大纵向延伸部22内(热气体入口和出口布置在延伸部22的最外端处)。在图2和图3中，热气体入口收集器58和热气体出口收集器57相对于设备的纵向与最大纵向延伸部22相邻地布置，例如布置在延伸部22的相对于热气体流的上游或下游。这样的收集器有利地用于作为多叠堆建造的设备。例如根据本发明的具有多个(N个)第二管道55的设备还包括多个(N个)热气体出口 53。然而，多个(N个)热气体出口 53在一个热气体出口收集器57处被放在一起。这可以同样地适用于热气体入口 52、冷流体入口 47和冷流体出口 48以及排出流体入口 46。其中，多个第二管道的数量N、多个第一管道的数量M以及多个第三管道的数量L可以彼此相同或不同。
[0066]图2中的设备的贯穿视图示出了单独流体的流动。由深箭头56表示的热气体在布置于设备的整个底侧内并且布置在最大纵向延伸部22的略微外侧或上游处的热气体入口收集器58处进入设备，所述热气体向上流动并且在热气体出口收集器57处离开设备，该热气体出口收集器57也布置在设备的整个顶侧内并且布置在最大纵向延伸部22的略微外侧或下游处。由浅箭头49表示的冷流体在冷流体入口收集器59处进入设备，该冷流体入口收集器在设备的顶部中布置在设备的一侧(图2中的左侧)，而恰好位于热气体出口收集器57的下方并且位于最大纵向延伸部22内。间隔件41与设备的顶部相对地封闭第一管道44。冷流体向下流动并且在冷流体出口收集器60处离开设备，该冷流体出口收集器在设备的相反侧(图2中的右侧)布置在设备的底部中并且位于最大纵向延伸部22内。冷流体出口收集器60布置在排出流体入口收集器61的上方并且与该排出流体入口收集器隔开间隔件43的距离。排出流体入口收集器61布置在设备的与冷流体出口收集器60相同的一侦仪图2中的右侧)并且位于最大纵向延伸部22内，但是也可以在底部中布置在冷流体入口收集器59的一侧。
[0067]如图4所示，该图4是图3的细节B的放大图，该图3本身是沿着图2的线A-A的剖视图，为了清楚起见仅针对单个叠堆示出，排出流体在第一板I和导热板2以及上间隔件43和下间隔件41之间形成的第三管道45中流动。排出流体穿过多个开口 21，这些开口布置成一行并且位于导热板中的相同的纵向位置或长度处。排出流体然后进入第二管道55，与热气体混合并且穿过催化活性部分54。氧化产物与热气体一起分别通过热气体出口 53或热气体出口收集器57离开设备。
[0068]在冷流体侧引导排出流体是有利的，这是因为热气体在第二管道中的流动保持不受干扰。由于热气体通常具有非常低的密度，因此流路中的障碍可能引起热气体管道范围内的不需要的压降。
[0069]管道的入口和出口终止于收集器中并且在该实施方式中被实施为形成热交换器主体的基本上矩形的板1、2、3的向上和向下延伸的接口。这样的接口简化了至可供根据本发明的设备连接的例如能量转换器(诸如燃料电池或其它装置)的对应的入口和出口的连接。
[0070]在图5和图6中，示出了根据本发明的设备的另一实施方式，其中第三管道45’布置在引导热气体的第二管道55’中。该设备布置在水平位置，使得用于热交换过程的冷流体/热气体流沿着矩形板的长度在逆向流左-右/右-左方向上发生。再次，相同的附图标记用于相同或相似特征。宽的深箭头56表示热气体流，窄的深箭头49表示冷流体流，并且小箭头42表示排出流体流。
[0071]在该实施方式中，从热气体通过与导热板2’接触到冷流体的热交换过程在最大纵向延伸部22范围内进行。该热交换过程在导热板的整个长度L范围内进行，这是因为具有相应的收集器58、57的热气体入口 52和出口 53以及具有相应的收集器60’、59的冷流体入口 47和出口 48布置在最大纵向延伸部22的端部处。
[0072]排出流体入口收集器61’或至少一个排出流体入口 46布置成接近设备的中间长度或者接近导热板2’的长度的一半。第三管道45’结合到第二管道中(参见图6)并且在第二管道55’的宽度和导热板2’的宽度W范围内延伸。第三管道45’垂直于第二管道55’布置并且在导热板2’和第二侧板3之间的第二间隙5的宽度的大约一半范围内延伸。在第二间隙的宽度的另一半中，热气体流过第三管道45’。第三管道45’沿着该第三管道的长度设置有多个开口 21’，这多个开口相对于第二管道布置在下游侧并且布置在相同的纵向位置处。由此，第三管道中的排出流体可以离开第三管道并且横跨第二管道55’的宽度在几个位置处进入该第二管道中的热气体。第三管道形成热气体的路径中的障碍物并且使得热气体和排出流体成漩涡，这附加地支持了这两种流体的混合。为了最优化第二管道中的压降，第三管道也可以在长度方面受限，即不在第二管道的整个宽度W范围内延伸。则第二管道中的热气体绕过注入和混合区域。[0073]因为没有排出流体需要穿过导热板2’，因此在导热板2’中没有设置开口。
[0074]冷流体出口 48和冷流体出口收集器59布置在设备的一端处(图5中的右侧)。因此，冷流体在其中被引导的第一管道44’的长度被扩大到导热板2’的整个长度，从而提高热交换过程的效率。
[0075]将第三管道布置在第二管道中从而在该第二管道的更中心位置中引导热气体允许在设备的具有比热气体入口处更低的温度的位置中布置排出流体的注入和混合。如果热气体入口处的温度非常高，则可能已经在第二管道的热壁处发生了排出流体的快速氧化，由此进一步升高温度。通过将第三管道布置在热气体入口的更下游，氧化温度可以被选择并且适于根据本发明的设备的相应的应用。尤其是，根据本发明的设备可以用于更极限的条件下，诸如热气体的较高初始温度。
[0076]可以看出的是，与位于导热板2’的一端处，即，位于最大纵向延伸部22的一端处的热气体入口相比，也可以在第二管道中在相同的纵向位置处布置排出流体入口。在这样的布置中，用于将排出流体引入第二管道中的一个以上的开口可以与排出流体入口相同。
[0077]在图6中，该设备被示出为多重叠堆。另外的导热板200和另外的侧板300例如如图1所示堆叠在基础叠堆的板2’、3 (最下侧板I未被示出)的叠堆的顶部上。形成对应的另外的第一间隙和第二间隙。设置有开口 21’的另外的第三管道450布置在第三管道45’中。
[0078]而且如图1至图3所示的设备可以延伸为热交换和流体混合设备的多重叠堆。其中，设置有具有开口的另外的热交换板，并且在相应的位置中布置有另外的间隔件。
[0079]图7中，示出了通过热交换元件(优选地为板)中的开口 21被引入热气体中的流体的模拟。该模拟示出了包含氢以及其它组分(诸如CO、CO2和水)的阳极气体的示例。阳极气体被引入处于700摄氏度的温度的阴极气体中。阴极气体包含氧气、N2和水。水以蒸汽或水蒸气的形式被提供。在这些温度下并且在用于模拟的给定的氢和氧的浓度下，气体混合物的点燃在将阳极气体引入阴极气体之后的5ms之后开始。在该图中，表示气体流动的流线66以灰色阴影描绘，该阴影随着时间从注入点21开始改变(在注入点21处是深的；在5ms后是深的)。流线66在注入之后的5ms后终止。基于在气体流注入和紊流之后的散布类型，气体流如由流线66的不同长度表示的那样进一步向下游前进到设备中。流动方向由箭头69表示。
[0080]线64表示冷流体在开口 21的下游的位置处并且在热交换元件的与阴极气体相反的一侧的布置。也就是说，线64表示设备的其中现在与阳极气体混合的热阴极气体开始借助热交换元件得到冷却的部分。因此，冷管道的位置可以选择为使得待在设备中执行的反应的温度和其它参数被最优化。在本示例中，冷管道布置成对应于所引入的流在注入阳极气体时或者优选地在注入阳极气体之后的5ms后到达的距离。由此，在没有冷却的情况下也不发生燃烧。优选地线64还表示热管道中的催化活性涂层的上游端。催化活性涂层优选地布置成使得点燃只在催化活性热交换器区域处开始。
[0081]在图7中能看见的是，大部分流线66在当注入时间之后已经过去5ms时或过去5ms之前不久到达线64。此刻气体到达其中气体由冷流体冷却的部分。同时气体将开始燃烧，该燃烧反应由在该区域开始的催化活性涂层附加地支持或引起。然而，由于冷却作用，化学过程成为完全的氧化反应而不是燃烧。由此，由氧化反应引起的过多热量被使用并且在热交换器中被带走。不会发生可能损坏设备的不受控制的反应。涂层附加地支持气体混合物的受控燃烧。
[0082]已经参照图中所示的实施方式描述了本发明。然而，对于本领域技术人员来说明显的是，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行多种变化、修改或改变。仅通过示例而言，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，例如也垂直于侧板布置。而且，管道被实施的方式可以不同于附图中实际上所示的管道。所有这样的变化、修改或改变旨在处于由所附的权利要求限定的本发明的范围内。
【权利要求】
1.一种组合式热交换和流体混合设备，所述组合式热交换和流体混合设备包括: -用于引导冷流体从其通过的第一管道(44，44’)，所述第一管道包括冷流体入口(47)和冷流体出口(48，48，)； -用于引导热气体从其通过的第二管道(55，55’)，所述第二管道包括热气体入口(52)和热气体出口(53)； -导热元件(2，2’)，所述导热元件布置在所述第一管道(44，44’)和所述第二管道(55，55’ )之间，以将热量从所述热气体引导到所述冷流体，所述导热元件具有限定用于所述组合式热交换和流体混合设备中的热交换过程的最大纵向延伸部(22)的长度(L)，所述组合式热交换和流体混合设备还包括: -用于引导排出流体的第三管道(45，45’)，所述第三管道(45，45’)包括排出流体入口(46)，所述排出流体入口布置在所述第三管道(45，45’)的一端处，以将所述排出流体引入所述组合式热交换和流体混合设备中，以使所述排出流体与所述热气体混合并且使如此形成的排出流体/热气体的混合物在所述第二管道(55，55’)中发生化学反应，其中，所述第三管道(45，45 ’)设置有用于使所述排出流体从所述 第三管道(45，45 ’)进入所述第二管道(55，55’)中的一个以上的开口(21，21’)， 其中，用于将所述排出流体引入所述第二管道中的所述一个以上的开口(21，21’)布置在用于所述组合式热交换和流体混合设备中的热交换过程的所述最大纵向延伸部(22)内，并且所述一个以上的开口(21，21’)相对于所述第二管道(55，55’)布置在基本上相同的纵向位置处。
2.根据权利要求1所述的组合式热交换和流体混合设备,其中，所述排出流体入口(46)布置在用于所述组合式热交换和流体混合设备中的热交换过程的所述最大纵向延伸部(22)内。
3.根据权利要求1或2所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述一个以上的开口(21，21’)布置在所述热气体入口(52)的下游。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述第三管道(45，45’)在与所述第一管道(44，44’)或所述第二管道(55，55’)的方向垂直的方向上布置。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述第一管道(44，44 ’)和所述第三管道(45，45 ’)布置在所述导热元件(2 )的同一侧，并且所述一个以上的开口(21，21’)布置在所述导热元件(2)中。
6.根据权利要求5所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，在所述第一管道(44)和所述第三管道(45)之间布置有流密性分隔元件(43)，以将所述第一管道(44)和所述第三管道(45)流密地分隔。
7.根据权利要求1至4中的任一项所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述第二管道(55 ’)和所述第三管道(45 ’)布置在所述导热元件(2，2 ’)的同一侧。
8.根据权利要求5或6所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述导热元件(2)是布置在第一侧板(I)和第二侧板(3)之间的导热板，所述导热板(2)以及所述第一侧板(1)和所述第二侧板(3)布置成彼此隔开一定距离，从而在所述第一侧板(I)和所述导热板(2)之间形成第一间隙(4)并且在所述导热板(2)和所述第二侧板(3)之间形成第二间隙(5)，其中所述第一间隙(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)由所述第二间隙(5)形成，并且所述一个以上的开口(21)布置在所述导热板(2)中。
9.根据权利要求1至4中的任一项或权利要求7所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述导热元件(2，2’)是布置在第一侧板(I)和第二侧板(3)之间的导热板，所述导热板(2，2’)以及所述第一侧板(I)和所述第二侧板(3)布置成彼此隔开一定距离，从而在所述第一侧板(I)和所述导热板(2，2’)之间形成第一间隙(4)并且在所述导热板(2，2’)和所述第二侧板(3)之间形成第二间隙(5)，其中所述第一管道(44’)由所述第一间隙(4)形成并且所述第二管道(55 ’)由所述第二间隙(5 )形成，而所述第三管道(45 ’)布置在所述第二管道(55’)中。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述一个以上的开口(21、21’)沿着所述第三管道(45、45’)的长度布置。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述第二管道(55，55’)包括用于进一步的化学反应的催化活性元件(54)，所述另外的化学反应例如是所述排出流体/热气体的混合物的氧化。
12.根据权利要求11所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述催化活性元件(54)的上游端布置在这样的位置 处，所述位置基本上对应于所述第一管道(44，44’)的最下游位置。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的组合式热交换和流体混合设备，其中 -所述冷流体入口(47)和所述热气体出口(53)布置在所述组合式热交换和流体混合设备的一个端部处；并且 -所述冷流体出口(48)、所述热气体入口(52)、所述排出流体入口(46)以及所述一个以上的开口(21，21’)布置在所述组合式热交换和流体混合设备的相反端部处。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的组合式热交换和流体混合设备，其中，所述第二管道(55，55’)的壁包括用于支持所述排出流体与所述热气体的混合的轮廓结构。
15.根据权利要求8或9所述的组合式热交换和流体混合设备，该设备还包括: -至少一个另外的导热板(200)； -至少一个另外的侧板(300)； 所述至少一个另外的导热板(200)和所述至少一个另外的侧板(300)以交替的方式布置并且在这些侧板和所述至少一个另外的导热板之间形成至少一个另外的第一间隙和至少一个另外的第二间隙，由所述至少一个另外的第二间隙形成至少一个另外的第二管道； -至少一个另外的排出流体入口 ；以及 -用于将所述排出流体引入所述至少一个另外的第二管道中的一个以上的另外的开口，所述一个以上的另外的开口布置在用于热交换过程的所述最大纵向延伸部(22)内并且相对于所述第二管道位于基本上相同的纵向位置处； 从而形成热交换和流体混合设备的多重叠堆。
【文档编号】F01N3/28GK103727822SQ201310470679
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2012年10月11日
【发明者】Y·德沃斯, F·沃兰特斯, J-P·H·汉森斯 申请人:斯坎比亚控股塞浦路斯有限公司