一种管壳式换热重整器

1.本实用新型涉及换热重整器技术领域，具体而言，涉及一种管壳式换热重整器。


背景技术：

2.固体氧化物燃料电池可直接把燃料中的化学能转换成电能，过程不受卡诺循环的限制，其发电效率可达60％以上，且可采用氢气、甲烷、甲醇等碳氢化合物作为燃料，排放物只有水和/或二氧化碳，不排放其他有害气体，因此是一种十分清洁高效的能源技术，其大规模应用有利于我国“双碳”目标的达成。
3.直接使用碳氢燃料时，在燃料电池堆内反应容易产生积碳现象，从而堵塞电池多孔结构，降低电池性能和服役寿命。因此，通常需要在碳氢燃料进入固体氧化物燃料电池堆之前对其进行重整处理，将之转变为氢气和一氧化碳。碳氢燃料重整反应是一个强吸热反应，通常需要在燃料重整器内设置重整催化剂，并将重整器设置于外部热源附近。传统的重整器为直管式结构，其内部填充具有催化性能的多孔材料或其他类型的催化剂，重整效果较差。
4.管壳式结构器件常见于化工、生物等领域的换热器，很少用作重整器。作为换热器时，以封闭在壳体中管束的壁面作为传热面的间壁式换热器，具有结构简单、价格低廉、并能在高温高压下使用的特点，是目前应用最为广泛的换热器类型。传统的管壳式换热器管芯采用若干根圆形不锈钢或铜材质圆管，传热面积即为圆管的外表面积，因此传热效率有限。在一些对换热要求高的场合，需要增加大量的换热管以实现增加传热面积的目的，这种情况下不仅增加了换热器的重量，而且也给换热器的设计和加工带来难题。
5.鉴于此，本实用新型提供一种具有较高换热效率和重整效率的管壳式换热重整器。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种管壳式换热重整器，其具有较高的重整效率和换热效果。
7.本技术可这样实现：
8.第一方面，本实用新型提供一种管壳式换热重整器，管壳式换热重整器包括壳体以及多根设置于壳体内部且沿壳体长度方向延伸的流通管；
9.壳体与所有流通管的外管壁之间共同形成用于供高温流体流动的第一流道；
10.流通管的外壁设有多孔网格支撑结构；
11.每根流通管的内部区域均作为供待重整介质流动的第二流道，每根流通管的内壁均有用于发生重整反应的催化剂；
12.至少部分流通管内设有多孔结构，多孔结构的周缘与流通管的内壁接触。
13.在可选的实施方式中，多根流通管相互平行间隔设置；
14.流通管为直管或弯管。
15.在可选的实施方式中，多孔网格支撑结构沿流通管的长度方向连续设置或间隔设置；
16.当多孔网格支撑结构为间隔设置时，多孔网格支撑结构的其宏观表面可为平面或曲面。
17.在可选的实施方式中，当多孔网格支撑结构为间隔设置时，每个多孔网格支撑结构的总长度为1-100mm，相邻两个多孔网格支撑结构之间的距离按需设置。
18.在可选的实施方式中，多孔网格支撑结构的厚度方向上设有多个贯穿孔；
19.多根流通管与多个贯穿孔一一对应并穿过贯穿孔。
20.在可选的实施方式中，流通管内的多孔结构连续或不连续设置；
21.当多孔结构为不连续设置时，多孔结构的宏观表面为平面或曲面。
22.在可选的实施方式中，当多孔结构为不连续设置时，多个多孔结构沿流通管的长度方向间隔设置；
23.其中，每个多孔结构的总长度为1-200mm，相邻两个多孔结构之间的距离按需设置。
24.在可选的实施方式中，流通管内的多孔结构的表面有用于重整反应的催化剂。
25.在可选的实施方式中，壳体的壳壁开设有用于供待重整介质进出的第一物料进口和第一物料出口，以及用于供高温流体进出的第二物料进口和第二物料出口；每根流通管的一端与第一物料进口连接，另一端与第一物料出口连接。
26.本技术的有益效果包括：
27.通过在流通管的外壁设置多孔网格支撑结构，在起到支撑作用的同时可起到翅片传热作用，强化传热，提高传热速率；通过在流通管内设置多孔结构，可大幅增加第二流道的比表面积，增加换热和催化重整反应面积，在多孔网格支撑结构与多孔结构的配合下，可有效提高换热重整器的重整效率和换热效果。
附图说明
28.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
29.图1为本技术提供的换热重整器的第一种结构的部分爆炸示意图；
30.图2为图1中换热重整器的部分区域的结构示意图；
31.图3为本技术提供的换热重整器中网格结构的一种结构示意图；
32.图4为本技术提供的换热重整器的第二种结构的示意图；
33.图5为图4的部分爆炸图。
34.图标：10-壳体；11-第一物料进口；12-第一物料出口；13-第二物料进口；14-第二物料出口；15-第一连接管；20-流通管；21-多孔网格支撑结构；211-多孔网格支撑层；212-贯穿孔；22-网格结构；222-网格层；30-第一流道；40-第二流道。
具体实施方式
35.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
36.因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
37.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
38.在本实用新型的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
39.此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
40.需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例中的特征可以相互结合。
41.请一并参照图1至图5，本技术提出的管壳式换热重整器，包括壳体10以及多根设置于壳体10内部且沿壳体10长度方向延伸的流通管20。壳体10与所有流通管20的外管壁之间共同形成用于供高温流体流动的第一流道30。每根流通管20的内部区域均作为供待重整介质流动的第二流道40。每根流通管20的内壁均有用于发生重整反应的催化剂。
42.可参考地，上述壳体10可以为方壳，也可以圆壳，此外，还可以为其它形状的壳体10。
43.流通管20可以为直管或弯管，优选为弯管，以较直管延长流动路径，增加换热，提高换热效果。当其为弯管时，可以为波浪形、折线型或螺旋形等，优选为螺旋形(也即螺旋管或蛇管)。可参考地，流通管20的截面形状可以呈圆形、三角形、正方形或其它多边形等。
44.本技术中，多根流通管20相互平行间隔设置。在一些实施方式中，多根流通管20平行等距间隔设置，例如，当流通管20为直管(如方形直管或圆形直管)时，多根流通管20可呈阵列形式分布。在另一些实施方式中，多根流通管20可以呈非等距间隔的方式设置。
45.流通管20的外壁设有多孔网格支撑结构21，较佳地，多孔网格支撑结构21与流通管20垂直设置。
46.通过在上述位置设置多孔网格支撑结构21，在起到支撑作用的同时可可起到翅片传热作用，强化传热，提高传热速率。
47.可参考地，多孔网格支撑结构21沿流通管20的长度方向连续设置或间隔设置。
48.当多孔网格支撑结构21为间隔设置时，该多孔网格支撑结构21的宏观表面可以为平面，也可以为曲面(如波浪形或折线形等)。如为直通多孔结构时，其直通孔的截面形状可以呈圆形、方形、三角形或其它形状，在此不做过多赘述。
49.当多孔网格支撑结构21为间隔设置时，其数量可以为2个、3个、4个或更多。每个多孔网格支撑结构21的总长度可以为1-100mm，如1mm、2mm、5mm、8mm、10mm、20mm、50mm、80mm或100mm等，也可以为1-100mm范围内的其它任意值。相邻两个多孔网格支撑结构21之间的距离按需设置。
50.多孔网格支撑结构的网格孔径可以为1-10mm，如1mm、2mm、5mm、8mm或10mm等，也可以为1-10mm范围内的其它任意值。孔隙率可以为30-95％，如30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％或90％等，也可以为30-95％范围内的其它任意值。
51.上述多孔网格支撑结构21可以直接通过增材制造方式实现整体制备，也可由多层(如两层、三层或三层以上)多孔网格支撑层211层叠而得。
52.当由多层多孔网格支撑层211层叠而得时，多层多孔网格支撑层211可以沿壳体10的长度方向层叠设置。
53.作为参考地，多孔网格支撑结构21的厚度方向上均设有多个贯穿孔212；多根流通管20与多个贯穿孔212一一对应并穿过贯穿孔212。
54.贯穿孔的形状示例性但非限定性地可以为圆形或多边形。
55.进一步地，本技术中，至少部分流通管20内设有多孔结构，该多孔结构可与上述多孔网格支撑结构的形状和设置方式相同(但尺寸不同)，以下定义为网格结构22，此外，该多孔结构还可以为多孔极小曲面结构，网格结构22的周缘及多孔极小曲面结构的周缘与流通管20的内壁接触。
56.流通管20内的多孔结构呈连续或不连续方式设置。当多孔结构为不连续设置时，其宏观表面为平面或曲面。
57.当多孔结构为不连续设置时，多个多孔结构沿流通管20的长度方向间隔设置；其中，每个多孔结构的总长度为1-200mm，如1mm、2mm、5mm、8mm、10mm、20mm、50mm、80mm、100mm、120mm、150mm、180mm或200mm等，也可以为1-200mm范围内的其它任意值。相邻两个多孔结构之间的距离按需设置。
58.上述多孔结构可以直接通过增材制造方式制备，当其为网格结构时，其也可由多层(如两层、三层或三层以上)网格层222层叠而得。当由多层网格层222层叠而得时，多层网格层222可以沿壳体10的长度方向层叠设置。
59.上述网格结构的网格孔径可以为0.1-1mm，如0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm或1mm等，也可以为0.1-1mm范围内的其它任意值。孔隙率可以为10-25％，如10％、15％、20％或25％等，也可以为10-20％范围内的其它任意值。以至少部分流通管20内设有多孔极小曲面结构为例，在一些实施方式中，可以是每根流通管20内均设有多孔极小曲面结构，在另一些实施方式中，可以是部分流通管20内设有多孔极小曲面结构，剩余的流通管20内未设置多孔极小曲面结构。并且，在同一流通管20内，可以是所有区域均设有多孔极小曲面结构，也可以仅其中部分区域设置多孔极小曲面结构。
60.上述多孔极小曲面结构为一种特殊的孔隙结构，其具有的比表面积较高，流体压力损失小，与流体接触率高。
61.以至少部分流通管20内设有网格结构22为例，在一些实施方式中，可以是每根流通管20内均设有网格结构22，在另一些实施方式中，可以是部分流通管20内设有网格结构22，剩余的流通管20内未设网格结构22。
62.较佳地，网格结构22沿垂直于壳体10的长度方向所在平面设置。
63.可参考地，上述网格结构22含有多层网格层222。每个网格结构可含有两层、三层或三层以上的网格层222。
64.优选地，上述网格结构22和多孔极小曲面结构的表面还可有用于重整反应的催化剂。
65.通过设置上述网格结构22或多孔极小曲面结构，可大幅增加第二流道40的比表面积，增加换热和催化重整反应面积。
66.在上述多孔网格支撑结构21与多孔结构的配合下，可有效提高换热重整器的重整效率和换热效果。
67.此外，本技术中，壳体10的壳壁还开设有用于供待重整介质进出的第一物料进口11和第一物料出口12，以及用于供高温流体进出的第二物料进口13和第二物料出口14；每根流通管20的一端与第一物料进口11连接，另一端与第一物料出口12连接。
68.需说明的是，在实际中，第一物料和第二物料的进出方向可相同，也可相反。并且，第二物料进口13和第二物料出口14的数量均可为多个，多个第二物料进口13可绕第一物料进口11或第一物料出口12的周向外侧设置，多个第二物料出口14对应可绕第一物料出口12或第一物料进口11的周向外侧设置。
69.在一些实施方式中，流通管20的两个端部可分别通过第一连接管15和第二连接管分别与第一物料进口11和第一物料出口12连接。此外，流通管20的两个端部可以直接与第一物料进口11和第一物料出口12连接。
70.综上，本技术通过在流通管20的外壁设置多孔网格支撑结构21，可起到翅片传热作用，提高传热速率；通过在至少部分流通管20内设置网格结构22或多孔极小曲面结构，可大幅增加第二流道40的比表面积，增加换热和催化重整反应面积，在多孔网格支撑结构21与网格结构22或多孔极小曲面结构的配合下，可有效提高换热重整器的重整效率和换热效果。
71.以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。