專(zhuān)利名稱(chēng)：用于均勻加熱的微通道加熱器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總體而言，本發(fā)明涉及一種用于均勻加熱的具有微通道的加熱器，更具體而言，本發(fā)明涉及一種具有微通道的加熱器，所述加熱器是一種分層放置了多層具有微通道的薄金屬板的系統(tǒng)，加熱中的物料與待加熱的物料被分別輸送至燃燒薄板和傳熱薄板以使燃料與空氣混和均勻而使反應(yīng)器的溫差最小，從而均勻地產(chǎn)生用于從反應(yīng)器的整個(gè)表面加熱所需要的熱，待加熱的物料置于所述反應(yīng)器中。
背景技術(shù)：
隨著近來(lái)在燃料電池方面的興趣，人們對(duì)用于均勻加熱以從碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生氫氣的反應(yīng)器進(jìn)行了全面研究。
如下述反應(yīng)1至3所示，可以通過(guò)多種方式使用碳?xì)浠衔镏苽錃錃狻?br> 在這些反應(yīng)中，由于產(chǎn)物氫氣具有很高的濃度，反應(yīng)1所示的蒸汽重整反應(yīng)受到關(guān)注。此外，具有快速反應(yīng)特性的部分氧化反應(yīng)(反應(yīng)3)也受到關(guān)注。
反應(yīng)1 反應(yīng)2 反應(yīng)3
反應(yīng)4 作為一種用于小的固定式燃料電池(RPG)的氫氣制備系統(tǒng)，產(chǎn)生高氫氣濃度的蒸汽重整反應(yīng)被預(yù)期比具有快速反應(yīng)特性的反應(yīng)更有用，因此對(duì)所述蒸汽重整反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)行了深入、全面的研究。
然而，由于必須供應(yīng)上述反應(yīng)所需的熱量，反應(yīng)1所示的反應(yīng)會(huì)受到損害(suffer)。在所述蒸汽重整反應(yīng)中，當(dāng)反應(yīng)溫度不低于750℃時(shí)，碳?xì)浠衔?甲烷)的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)95％或更高。然而，當(dāng)保持高溫時(shí)，必須進(jìn)行許多努力以供應(yīng)反應(yīng)熱。
如反應(yīng)4所示，通過(guò)碳?xì)浠衔锏娜紵?催化氧化或燃燒)產(chǎn)生反應(yīng)熱。因此，為了有效地實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，需要一種具有高溫差(ΔT)、大的接觸面積(A)以及高傳熱系數(shù)(k)的材料。
然而，無(wú)限地提高加熱所需要的火焰溫度以獲得溫差是不可能的。在此種情形下，組成材料可能變劣，并且可能產(chǎn)生氧化氮(NOx)污染物。傳熱系數(shù)也限于組成材料的固有值。
因此，反應(yīng)器應(yīng)該被構(gòu)造成具有盡可能大的傳熱面積。
為此，已經(jīng)嘗試使用一種包括薄金屬板的反應(yīng)器，在所述薄金屬板中形成微通道。多塊薄金屬板中的每塊都被加工成具有微通道，各薄金屬板分層放置以獲得大的每單位體積的接觸面積(韓國(guó)第2003-0091280號(hào)公開(kāi)專(zhuān)利)(Korean Patent Laid-open Publication No.2003-0091280)。
然而，由于產(chǎn)生反應(yīng)熱所需要的碳?xì)浠衔?LNG，LPG，乙醇)的燃燒是一種劇烈的反應(yīng)，該反應(yīng)產(chǎn)生非常大量的熱，因此其可以通過(guò)催化燃燒或非催化燃燒完成。
此外，一種包含碳?xì)浠衔锖涂諝獾幕旌衔锟梢酝ㄟ^(guò)在預(yù)定最低溫度(例如，空氣中存在的一氧化碳的情形時(shí)為650℃)的自發(fā)燃燒被氧化。
因此，如果在傳送反應(yīng)物料的位置產(chǎn)生部分燃燒熱，那么即使使用具有微通道的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器的溫度也是不均勻的，從而產(chǎn)生不均勻的燃燒催化劑或熱部，而引起重整催化劑的活性降低。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題因此，本發(fā)明一直緊扣上述現(xiàn)有技術(shù)中遇到的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種具有微通道的加熱器，該加熱器是一種以下述方式構(gòu)造的系統(tǒng)微通道被設(shè)置成在含有反應(yīng)物料的薄板中部的許多點(diǎn)發(fā)生碳?xì)浠衔锏娜紵磻?yīng)以產(chǎn)生反應(yīng)熱，并且在相應(yīng)的薄板設(shè)置一用于混合碳?xì)浠衔锖腿紵諝獾幕旌喜?，從而最大程度地抑制部分氧化、?shí)現(xiàn)均勻加熱并且使傳熱時(shí)間最少。
技術(shù)方案為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于均勻加熱的具有微通道的加熱器，包括一上部板，所述上部板包括一待加熱物料入口、一燃料入口以及一氧化劑入口；一下部板，所述下部板包括一加熱物料出口和一排氣出口；以及多塊燃燒薄板和多塊傳熱薄板，所述多塊燃燒薄板和多塊傳熱薄板在所述上部板與下部板之間交替地分層放置，其中，每塊燃燒薄板和每塊傳熱薄板具有在各自相應(yīng)位置形成的一待加熱物料入口孔、一加熱物料出口孔、一氧化劑孔、一排氣孔、一燃料孔以及微通道，所述燃燒薄板的排氣孔和燃料孔通過(guò)微通道連接，所述傳熱薄板的待加熱物料入口孔和加熱物料出口孔通過(guò)微通道連接，所述燃燒薄板還具有一燃料進(jìn)料部，所述燃料進(jìn)料部和與傳熱薄板的燃料孔相連接的燃料進(jìn)料孔連接，以將燃料傳送至該處，所述上部板以及與所述上部板的下表面相接觸的燃燒薄板被設(shè)置成使所述上部板的待加熱物料入口、燃料入口、氧化劑入口分別與所述燃燒薄板的待加熱物料入口孔、燃料孔、氧化劑孔對(duì)準(zhǔn)，并且所述下部板以及與所述下部板的上表面相接觸的傳熱薄板被設(shè)置成使所述下部板的加熱物料出口以及排氣出口分別與所述傳熱薄板的加熱物料出口孔和排氣孔對(duì)準(zhǔn)。
本發(fā)明所述加熱器的特征在于，所述燃燒薄板的微通道涂覆有一種氧化催化劑。
本發(fā)明所述加熱器的特征在于，所述傳熱薄板的微通道涂覆有一種碳?xì)浠衔镏卣呋瘎?br> 有益效果如上所述，本發(fā)明提供了一種用于均勻加熱的具有微通道的加熱器。根據(jù)本發(fā)明，由于碳?xì)浠衔锛?或氧化物的燃燒可以在反應(yīng)器中均勻地進(jìn)行，降低了反應(yīng)器中不同位置之間的溫差，從而提高加熱效率。
此外，本發(fā)明的加熱器不但可應(yīng)用于通過(guò)碳?xì)浠衔锏闹卣苽錃錃獾姆磻?yīng)系統(tǒng)而且可用于使用燃燒熱的加熱系統(tǒng)或蒸發(fā)系統(tǒng)。
在本發(fā)明的具有分層放置的微通道的加熱器中，可以在多個(gè)部分進(jìn)行氧化反應(yīng)，從而在反應(yīng)器的入口抑制燃料的燃燒。因此，除了上述系統(tǒng)外，該加熱器還可以有多種應(yīng)用。
尤其是，本發(fā)明的加熱器適合用于氫氣的燃燒，當(dāng)氫氣與氧氣共存時(shí)，具有爆炸的危險(xiǎn)，并且適合用于作為氫氣精制(hydrogen refining)反應(yīng)的選擇性的一氧化碳氧化反應(yīng)(PrOx)中，當(dāng)通過(guò)多個(gè)步驟輸送氧氣時(shí)，該加熱器表現(xiàn)出高性能。


圖1示出的是本發(fā)明的一種加熱器的各個(gè)部件的分解透視圖；圖2示出的是本發(fā)明的部件的透視圖；以及圖3示出的是圖1中的燃燒薄板與加熱薄板的放大的橫截面圖。
<附圖中指示數(shù)字的描述>
100上部板110待加熱物料的入口管111待加熱物料入口120燃料入口管121燃料入口130氧化劑入口管
131氧化劑入口200燃燒薄板211，311待加熱物料入口孔221，321燃料孔231，331氧化劑孔252，352排氣孔262，362加熱物料出口孔271混合槽275燃料進(jìn)料孔381燃料進(jìn)料導(dǎo)進(jìn)槽291，391微通道300傳熱薄板400下部板450排氣出口管452排氣出口460加熱物料出口管462加熱物料出口具體實(shí)施方式
現(xiàn)參照附圖，其中所有不同附圖中的相同的指示數(shù)字用于表示相同的或類(lèi)似的部件。
圖1示出的是本發(fā)明的一種加熱器的各個(gè)部件的分解透視圖，所述加熱器的特征在于為了使待加熱物料與加熱介質(zhì)的接觸面積最大化，在上部板100與下部板400之間交替地分層放置多塊燃燒薄板200和多塊傳熱薄板300。
上部板100設(shè)置有一待加熱物料入口管110、一燃料入口管120以及一氧化劑入口管130。
在本發(fā)明中，待加熱物料入口管110、燃料入口管120以及氧化劑入口管130設(shè)置在上部板100的上表面上。
下部板400設(shè)有一加熱物料出口管460以及一排氣出口管450。
在本發(fā)明中，加熱物料出口管460以及排氣出口管450設(shè)置在下部板400的下表面上。
在燃燒薄板200和傳熱薄板300中，在各自相應(yīng)的位置分別設(shè)有五個(gè)孔以及微通道291、391，即待加熱物料的入口孔211、311，加熱物料出口孔262、362，氧化劑孔231、331，排氣孔252、352，燃料孔221、321，并且微通道291、391分別具有相應(yīng)的大小、形狀以及位置。
在本發(fā)明中，待加熱物料的入口孔211、311，氧化劑孔231、331，加熱物料出口孔262、362以及排氣孔252、352被有序地設(shè)置以組成相應(yīng)的矩形薄板的四個(gè)角，而微通道291、391設(shè)置在相應(yīng)的矩形薄板的中央位置。此外，燃料孔221、321被設(shè)置在待加熱物料的入口孔211、311與氧化劑孔231、331之間。
燃燒薄板200具有用于將氧化劑孔231、微通道291以及排氣孔252彼此連接的槽。尤其是，一燃料進(jìn)料孔275形成于一用于氧化劑孔231與微通道291相連接的混合槽271中。
如下所述，燃料進(jìn)料孔275與燃料進(jìn)料導(dǎo)進(jìn)槽381連接。
因此，待加熱物料入口孔211與加熱物料出口孔262隔開(kāi)。
用于產(chǎn)生碳?xì)浠衔锏娜紵裏岬娜紵“?00涂覆有作為氧化催化劑載體的Al、Ti、Si和Zr中的至少一種，以及包括Ce、Co、La或Sn的一種穩(wěn)定劑，其作為一種添加助劑以提高高溫耐熱性以及氧化力，干燥，然后燒結(jié)。此后，涂覆后的薄板外表面再涂覆至少一種具有氧化力的貴金屬，其選自包括Pt、Pd、Rh以及Ru的組，干燥，燒結(jié)，然后還原，從而完成涂覆氧化催化劑的過(guò)程。
所述氧化催化劑涂覆過(guò)程包括輸送涂覆溶液至圖1中的氧化劑入口孔131中，使用高壓空氣將涂覆材料傳送至相應(yīng)的薄板，同時(shí)使用部分過(guò)量的涂覆溶液以防止微通道阻塞。此后，所述過(guò)量的涂覆溶液通過(guò)排氣出口孔452被排出。
傳熱薄板300具有用于連接待加熱物料入口孔311、微通道391以及加熱物料出口孔362的槽。尤其是，與燃料孔321相連接的燃料進(jìn)料導(dǎo)進(jìn)槽381被設(shè)置成與燃料進(jìn)料孔275相連接。
這樣，燃料可以通過(guò)燃料孔321、燃料進(jìn)料導(dǎo)進(jìn)槽381以及燃料進(jìn)料孔275被輸送至混合槽271中。
氧化劑孔331與排氣孔352隔開(kāi)。
燃料進(jìn)料孔275被設(shè)置成具有小直徑以便于燃料的擴(kuò)散。
用于加熱物料的通過(guò)路徑(flow path)需要涂覆一種重整催化劑以易于產(chǎn)生氫氣。
例如，下面描述了甲醇的蒸汽重組。甲醇的重組催化劑沒(méi)有特別的限制，可以使用諸如Cu-Zn、Pd-Zn、Pt-Ce等文獻(xiàn)中已知的任何催化劑。建議優(yōu)選地使用一種貴金屬催化劑以確保熱穩(wěn)定性以及氧穩(wěn)定性。
催化劑涂覆過(guò)程與所述燃燒催化劑涂覆過(guò)程相同。微通道291涂覆載體，然后涂覆活性金屬，干燥，燒結(jié)，然后還原。
涂覆材料通過(guò)待加熱物料入口孔111輸送，使用高壓氣體壓縮將其輸送至相應(yīng)的薄板，然后通過(guò)加熱物料出口孔462向外排出過(guò)量的涂覆材料殘留物。
作為本發(fā)明的加熱器的四個(gè)部件以如下順序分層放置上部板100，燃燒薄板200，傳熱薄板300以及下部板400。多對(duì)燃燒薄板200以及多對(duì)傳熱薄板300也分層放置。
隨著分層放置的成對(duì)薄板的數(shù)量的增加，更易于實(shí)現(xiàn)均勻加熱，但是對(duì)設(shè)計(jì)本身產(chǎn)生限制。因此，板的數(shù)量的控制取決于所需的條件。
尤其是，上部板100的待加熱物料入口111、燃料入口121、氧化劑入口131分別與燃燒薄板200的待加熱物料的入口孔211、燃料孔221、氧化劑入口231對(duì)準(zhǔn)，所述燃燒薄板200設(shè)置為與上部板100的下表面接觸。
因此，與上部板100的下表面接觸的燃燒薄板200的加熱物料出口孔252以及排氣孔262的上部是關(guān)閉的。
此外，下部板400的加熱物料出口462以及排氣出口452分別與傳熱薄板300的加熱物料出口孔362以及排氣孔352對(duì)準(zhǔn)，所述傳熱薄板300設(shè)置為與下部板的上表面接觸。
因此，與下部板400的上表面接觸的傳熱薄板300的待加熱物料入口孔311、燃料孔321以及氧化劑入口孔331的下部是關(guān)閉的。
這樣，當(dāng)完成本發(fā)明的加熱器的裝配過(guò)程時(shí)，多塊成對(duì)的燃燒薄板200和傳熱薄板300的五個(gè)孔起長(zhǎng)管的作用。
即，多個(gè)成對(duì)的待加熱物料入口孔211、311，加熱物料出口孔262、362，氧化劑孔231、331，排氣孔252、352和燃料孔221、321被分層放置以分別形成管子。在此種情形，待加熱物料入口孔211、311，氧化劑孔231、331以及燃料孔221、321設(shè)置為底部封閉的管子(bottom-closedpipe)的形式，而加熱物料出口孔262、362以及排氣孔252、352設(shè)置為頂部封閉的管子(top-closed pipe)的形式。
上部板100、燃燒薄板200、傳熱薄板300以及下部板400應(yīng)該相互接觸以防止氣體逸出。為此，優(yōu)選地，所述板的接觸表面被非常精細(xì)地處理并且使用密封劑密封分層放置的板的側(cè)面。
此外，雖然燃燒薄板200與傳熱薄板300可以相反地設(shè)置，但是氧化反應(yīng)應(yīng)該在相應(yīng)的薄板上進(jìn)行。
燃燒薄板200與傳熱薄板300的厚度是不受限制的。
然而，為了確保相同體積的大的表面積，應(yīng)該考慮微通道的寬度和深度確定傳熱薄板300的厚度。
此外，薄板的厚度需要根據(jù)在其上發(fā)生的反應(yīng)的類(lèi)型而確定。
例如，當(dāng)甲醇濕法重整反應(yīng)吸熱較少時(shí)，為了使用顆粒狀催化劑而不是涂覆在薄板上的催化劑，所述薄板可以設(shè)置成具有1～5mm的厚度。
此外，用于碳?xì)浠衔锶紵谋“鍍?yōu)選地設(shè)置成具有0.1～1mm的厚度，并且然后涂覆一種氧化催化劑以獲得(complete)希望的加熱系統(tǒng)。
然而，不論上述情形如何，用于分別輸送用作燃料的碳?xì)浠衔?、氫氣或一氧化碳以及用作氧化劑的氧氣的管子必須被設(shè)置成使得混合上述反應(yīng)物料的混合部被設(shè)置在涂覆有燃燒催化劑的薄板中。
因此，薄板可以使用焊接、擴(kuò)散或螺栓連接。
本發(fā)明的系統(tǒng)的操作描述如下。
本發(fā)明的加熱器包括上部板100、下部板400、燃燒薄板200以及傳熱薄板300，通過(guò)其形成用于輸送、加熱待加熱物料、然后排放加熱物料的加熱物料通過(guò)路徑，用于輸送燃料的燃料通過(guò)路徑以及用于輸送氧化劑以使從上述燃料通過(guò)路徑傳送的燃料燃燒、然后排放廢氣的燃燒通過(guò)路徑。
本發(fā)明中，為了混合系統(tǒng)中的燃料與氧化劑，獨(dú)立地設(shè)置燃料通過(guò)路徑和燃燒通過(guò)路徑。
如果在系統(tǒng)外混合燃料和氧化劑、然后輸送入系統(tǒng)中，氣體混合入口的溫度升高，這樣在上述入口引起加熱反應(yīng)，所述入口與待加熱物料發(fā)生吸熱反應(yīng)的位置隔開(kāi)。
此外，當(dāng)在入口發(fā)生劇烈的加熱反應(yīng)時(shí)，可能發(fā)生系統(tǒng)的熱變形。
因此，為了達(dá)到克服本發(fā)明的系統(tǒng)中溫度不均勻的目的，該系統(tǒng)應(yīng)該被構(gòu)造成使燃燒熱一產(chǎn)生就被用于吸熱反應(yīng)。
加熱物料通過(guò)路徑依次包括待加熱物料入口111、待加熱物料入口孔311、微通道391、傳熱薄板300的加熱物料出口孔362以及加熱物料出口462。
燃燒通過(guò)路徑依次包括氧化劑入口131、氧化劑孔231、微通道291、加熱薄板200的排氣孔252以及排氣出口452。
最后，燃料通過(guò)路徑依次包括燃料入口121、燃料孔321、燃料進(jìn)料導(dǎo)進(jìn)槽381以及燃料進(jìn)料孔275。燃料在混合槽271中與氧化劑混合。
因此，CH4、水蒸汽及/或空氣被輸送至待加熱物料入口111中，而碳?xì)浠衔锶剂?CH4、LNG、汽化汽油、汽化輕油)、乙醇、一氧化碳以及氫氣被單獨(dú)輸送或混合輸送至燃料入口121中。此外，空氣或高濃度的含氧空氣被輸送入氧化劑入口131中。
被輸送至待加熱物料入口111中的水蒸汽或空氣起冷卻介質(zhì)的作用以防止待加熱物料過(guò)熱。
輸送的燃料通過(guò)燃料通過(guò)路徑到達(dá)混合槽271，然后在混合槽271中與通過(guò)氧化劑入口131輸送的氧化劑混合?；旌衔锉惠斔椭廖⑼ǖ?91中以引發(fā)燃燒反應(yīng)。
雖然氧化反應(yīng)主要地在微通道291中進(jìn)行，但是其也可能在加熱一段時(shí)間后的混合槽271中發(fā)生。
通過(guò)氧化反應(yīng)由燃燒薄板200產(chǎn)生的反應(yīng)熱起加熱設(shè)置在燃燒薄板的上、下表面上的傳熱薄板300的作用。尤其是，上述反應(yīng)熱用作輸送至加熱物料通過(guò)路徑的微通道391中的待加熱物料的反應(yīng)熱。
由燃燒反應(yīng)產(chǎn)生的氣體(二氧化碳、水、氮?dú)?通過(guò)微通道291、排氣孔252、352以及下部板400的排氣出口452向外排放。
待加熱物料通過(guò)待加熱物料入口111被輸送入系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)待加熱物料入口孔211、311，然后在微通道391中加熱，此后，通過(guò)加熱物料出口孔362和下部板400的加熱物料出口462向外排放加熱物料。
權(quán)利要求
1.一種用于均勻加熱的具有微通道的加熱器，包括一上部板，所述上部板包括待加熱物料入口、燃料入口以及氧化劑入口；一下部板，所述下部板包括加熱物料出口和排氣出口；以及多塊燃燒薄板和多塊傳熱薄板，所述多塊燃燒薄板和多塊傳熱薄板在所述上部板與下部板之間交替地分層放置，其中，每塊燃燒薄板和傳熱薄板具有在各自相應(yīng)位置形成的一待加熱物料入口孔、一加熱物料出口孔、一氧化劑孔、一排氣孔、一燃料孔以及微通道，所述燃燒薄板的排氣孔和燃料孔通過(guò)微通道連接，所述傳熱薄板的待加熱物料的入口孔和加熱物料出口孔通過(guò)微通道連接，所述燃料薄板還具有一燃料進(jìn)料部，所述燃料進(jìn)料部和與傳熱薄板的燃料孔相連接的燃料進(jìn)料孔連接，以將燃料傳送至該處，所述上部板以及與所述上部板的下表面相接觸的燃燒薄板被設(shè)置成使所述上部板的待加熱物料入口、燃料入口、氧化劑入口分別與所述燃燒薄板的待加熱物料入口孔、燃料孔、氧化劑孔對(duì)準(zhǔn)，并且所述下部板以及與所述下部板的上表面相接觸的傳熱薄板被設(shè)置成使所述下部板的加熱物料出口、排氣出口分別與所述傳熱薄板的加熱物料出口孔、排氣孔對(duì)準(zhǔn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱器，其特征在于，所述燃燒薄板的微通道涂覆有一種氧化催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱器，其特征在于，所述傳熱薄板的微通道涂覆有一種碳?xì)浠衔镏卣呋瘎?br> 全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于均勻加熱的具有微通道的加熱器，該加熱器包括一具有待加熱物料入口、燃料入口以及氧化劑入口的上部板；一具有加熱物料出口和排氣出口的下部板；以及多塊燃燒薄板和多塊傳熱薄板，所述多塊燃燒薄板和多塊傳熱薄板在所述上部板與下部板之間交替地分層放置，其中，每塊燃燒薄板和每塊傳熱薄板具有在各自相應(yīng)位置形成的待加熱物料入口孔、加熱物料出口孔、氧化劑孔、排氣孔、燃料孔以及微通道，所述上部板被設(shè)置成和與其下表面相接觸的燃燒薄板對(duì)準(zhǔn)，并且所述下部板被設(shè)置成和與其上表面相接觸的傳熱薄板對(duì)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)H01M8/02GK101040400SQ200580034708
公開(kāi)日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2005年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月11日
發(fā)明者樸鐘洙, 尹旺來(lái), 李鎬泰, 政憲, 曹成浩, 李信根, 李根厚, 崔承薰 申請(qǐng)人:韓國(guó)能源技術(shù)研究院