组合式热交换和流体混合设备制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
组合式热交换和流体混合设备
本专利技术涉及组合式热交换和流体混合设备的领域。
技术介绍
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。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。
技术实现思路
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。根据本专利技术的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，所述第一管道包括冷流体入口和冷流体出口；-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；-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：-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。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。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，可以在根据本专利技术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。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。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。另外，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专利技术的设备中的结合的单独的部件之间不需要连接管。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。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，例如本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
2012.10.11 EP 12188099.11.一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并且沿着所述第三管道(45、45’)的长度布置，并且其中，所述第三管道与所述第一管道(44，44’)布置在所述导热元件(2，2’)的同一侧，或者所述第三管道与所述第二管道(55，55’)布置在所述导热元件(2，2’)的同一侧。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.根据权利要求1至3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.根据权利要求1至3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’)布置在所述导热元件(2)中。6.根据权利要求1至3中的任一项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3...

【专利技术属性】
技术研发人员：Y·德沃斯，F·沃兰特斯，JP·H·汉森斯，
申请(专利权)人：斯坎比亚控股塞浦路斯有限公司，
类型：发明
国别省市：塞浦路斯;CY