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CN1708668A - 换热器 - Google Patents

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CN1708668A
CN1708668A CNA2003801025538A CN200380102553A CN1708668A CN 1708668 A CN1708668 A CN 1708668A CN A2003801025538 A CNA2003801025538 A CN A2003801025538A CN 200380102553 A CN200380102553 A CN 200380102553A CN 1708668 A CN1708668 A CN 1708668A
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CN
China
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heat exchanger
flow
passage
flow passage
fluid
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Pending
Application number
CNA2003801025538A
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English (en)
Inventor
J·瓦伦萨
M·J·赖因克
M·G·沃斯
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Modine Manufacturing Co
Original Assignee
Modine Manufacturing Co
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Abstract

换热器(50)用于在第一和第二流体(52)和(54)之间传热，该第一和第二流体有通过换热器(50)的最大各自质量流量，且它们的质量流量基本彼此成比例。在不使用主动控制系统的情况下，对于在换热器(50)的工作范围内的所有流量，换热器(50)提供用于和第二流体(52、54)的、基本恒定的出口温度。换热器(50)特别用于质子交换膜类型的燃料电池系统的燃料处理系统(36)中。

Description

换热器
技术领域
本发明通常涉及一种换热器，特别是涉及一种回热式换热器，它在工业中有多种用途，包括用于燃料电池系统中。
背景技术
已知这样的换热器，它从一个流体流向另一流体流传热，且各流体流的质量流量基本彼此成比例。也许这种换热器的大部分普通实例是回热式换热器，当工作流体流过系统时，该回热式换热器从系统的工作流体中重新获得或回收有用热量。这样的回热式换热器的一个实例在质子交换膜(PEM)类型燃料电池系统的燃料处理系统中可见。在普通燃料电池系统中，燃料例如甲烷或类似烃用作燃料电池的氢源。该烃在到达燃料电池之前必须在系统内进行重整，以便提供氢气。重整通常通过一系列催化剂辅助化学反应而由燃料处理系统来进行，所有的化学反应都需要在不同的温度范围内进行。换热器(包括回热式换热器)用于交替地加热和冷却气流至合适的催化反应处理温度。
图1表示了这样的燃料电池系统的一个实例。图1的PEM燃料电池系统利用甲烷(CH4)作为它的燃料，并包括：质子交换膜燃料电池10；阳极尾气氧化剂20；换热器22，该换热器22从尾气向进入系统8的空气/甲烷和水(H2O)传热；增湿器24，该增湿器24使得从换热器22中出来的增湿空气/甲烷混合物进行增湿；自动热重整器(ATR)26；高温水-气转换反应器(HTS)28，该高温水-气转换反应器28有时包含在ATR 26中；回热式换热器30，该回热式换热器30将来自由ATR 26产生的重整产品的热量传递给从增湿器24中出来的增湿空气/甲烷混合物；另一水-气转换反应器，该另一水-气转换反应器在所示实例中是低温水-气转换反应器(LTS)32；以及优选的氧化剂(PROX)34。也可选择，可以在燃料电池系统8中的不同位置添加多个其它换热器36，以便在燃料电池系统8的不同部件之间进行传热。换热器22、增湿器24、回热式换热器30、ATR 26、HTS 28、LTS 32和PROX 34形成燃料电池系统8的燃料处理系统36。本领域技术人员应当知道，该PEM燃料电池系统还包括流向燃料电池10的阴极气流以及与阴极气流相关的部件(它们都未在图1中示出)。本领域技术人员还应当知道，某些燃料电池系统可以包括中等温度水-气转换反应器，以代替LTS 32和/或HTS 28。
通常，在ATR 26中的催化反应需要大约500℃至大约750℃的进口气体温度，且优选温度为大约630℃。在LTS 32中的催化反应需要使得进口气流温度在大约180℃至大约240℃的范围内，且优选的目标温度为大约210℃。因为在ATR 26和LTS 32中的催化反应需要使得进口气流的温度处在相对较窄的温度范围内，因此，控制回热式换热器30的出口温度将对于燃料电池系统8的工作很关键。不过，当在燃料电池系统上的电负载变化时，流过系统(包括换热器30)的气体流量同样变化，有时在10比1的比例范围内。通常，对于质量流量较大变化的流过气流，换热器30的传热效能并不恒定，因此，离开换热器的气体温度并不在所有流量下都保持在合适温度范围内，除非换热器30还包括某种控制系统。解决该问题的普通方法是通过旁路控制系统(例如图1中所示的反馈/旁路控制系统38)来主动控制通过换热器30的流量。控制系统38通常包括温度传感器40，该温度传感器40监测离开换热器30的重整气流的温度，并将监测的温度提供给比例-积分-微分(PID)控制器42，该控制器42使该监测温度与设置温度点比较，并连续调节电磁控制旁路阀44，以便通过旁路流动通路46而使一部分增湿的空气/甲烷混合物分流绕过换热器30。这限制了能够通过换热器30而在流体流之间传递的热量，并防止通向LTS 32的重整产品过冷。
尽管上述典型系统可以令人满意地实现它们的预定目的，但是还有改进空间。例如，使用主动控制系统会增加该系统的成本和复杂性，同时降低该系统的可靠性。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种新颖和改进的换热器。
本发明的另一目的是提供一种适用于燃料电池系统的回热式换热器。
根据本发明的一种形式，提供了一种在第一和第二流体之间进行传递热量的换热器，其中第一和第二流体中的每一种流体都具有经过该换热器的最大质量流量，并且第一和第二流体的质量流量基本上彼此成比例。
根据本发明的一种形式，换热器包括：用于第一流体的第一多通道流动通路，且该第一流动通路的各通道有第一进口和第一出口；以及用于第二流体的第二多通道流动通路，且该第二流动通路的各通道有第二进口和第二出口。第一和第二流动通路的通道布置成相邻对，其中，第一流动通路的各通道与第二流动通路的相邻通道配对。通道布置成这样，即第一流体遇到各相邻对的顺序与第二流体遇到各相邻对的顺序相反。各相邻对的第一和第二进口和出口彼此相对布置成使得在流过相邻对的第一和第二流体之间有并行流的关系。各相邻对设置成在最大工作质量流量下为第一和第二流体提供充分的传热效率，以便几乎在相邻对的第一和第二出口处温度接近或者具有共同温度。
在一种形式中，换热器包括确定了第一和第二多通道流动通路的换热单元堆垛(stack)。
根据一种形式，第二流动通路的各通道(第二流体相对于流过相邻对的第一流动通路的相邻通道的第一流体以总体并行流的关系在这些通道中流动)细分成至少两个交叉通道，其中，该第二流体相对于相邻通道中第一流体为局部交叉流的关系。
根据一种形式，换热器还包括：多个管，这些管的内部确定了第一多通道流动通路；以及至少一个导流板，该导流板相对于管的外部定位成确定了横过管的外部的第二多通道流动通路。在另一形式中，换热器还包括至少一个导流板，该导流板位于第二多通道流动通路的各通道内，以便相对于相邻通道中的第一流体以局部交叉流的关系引导第二流体。在一种形式中，换热器还包括多个翅片，这些翅片在伸入第二多通道流动通路中的管的外部上。
根据一种形式，堆垛包括多个板对，各板对确定了在板对的板之间的、第一流动通路的至少一个通道以及在板对的一个板和相邻对的板之间的、第二流动通路的至少一个通道。
在一种形式中，该堆垛包括多个条-板对，每个条-板对都确定与第二流动通路的两个通道相邻的第一流动通路的两个通道。
根据本发明的另一形式，提供了一种用于操作回热式换热器的方法，该回热式换热器在具有通过换热器的最大工作质量流量的第一流体和第二流体之间传热，且第一和第二流体的质量流量基本彼此成比例。该方法包括以下步骤：
a)使第一流体流过回热式换热器的第一流动通路的第一通道；
b)使第二流体流过回热式换热器的第二流动通路的第二通道，该第二流动通路的第二通道邻近第一流动通路的第一通道，且在最大工作质量流量下，第一和第二流体在它们各自通道的出口处温度彼此接近或者具有共同温度；
c)在第一流体流过第一流动通路的第一通道之后使第一流体流过回热式换热器的第一流动通路的第二通道；以及
d)在第二流体流过第二流动通路的第二通道之前使得第二流体流过回热式换热器的第二流动通路的第一通道，第二流动通路的第一通道邻近第一流动通路的第二通道，且在最大工作质量流量下，第一和第二流体在它们各自通道的出口处的温度彼此接近或者具有共同温度。
根据本发明的另一形式，提供了一种用于质子交换膜类型燃料电池系统的燃料处理系统。燃料处理系统包括：自动热重整器，该自动热重整器的进口与系统连接，用于从该系统接收增湿的空气/燃料混合物，它的出口与系统连接，用于向该系统供给重整产品流；水-气转换反应器，该水-气转换反应器的进口在该自动热重整器的下游与系统连接，用于从该系统接收重整产品流，它的出口与系统连接，用于向该系统供给减小一氧化碳含量的重整产品；以及回热式换热器，该回热式换热器包括第一和第二流动通路，且第一流动通路在自动热重整器的上游与系统连接，以便将增湿的空气/燃料混合物预热至用于自动热重整器的合适进口温度范围，而第二流动通路在自动热重整器的下游和水-气转换反应器的上游与系统连接，以便将重整产品流冷却至用于水-气转换反应器的合适进口温度范围。第一和第二流动通路彼此相对布置，以便在燃料电池系统的预计工作范围内的所有流量下都提供用于自动热重整器和水-气转换反应器的合适进口温度范围，且不使用主动控制系统。
在一种形式中，回热式换热器和自动热重整器是整体单元。
根据本发明的另一形式，提供了一种用于操作燃料处理系统的方法，该燃料处理系统用于质子交换膜类型的燃料电池系统。该方法包括以下步骤：
a)使空气/燃料混合物通过回热式换热器的第一流动通路流向位于第一流动通路下游的自动热重整器；
b)使重整产品从自动热重整器流过回热式换热器的、位于自动热重整器的下游和水-气转换反应器上游的第二流动通路；
c)对于在燃料电池的工作范围内的所有流量，在合适催化温度范围内将来自第一流动通路的空气/燃料混合物提供给自动热重整器；
d)对于在燃料电池的工作范围内的所有流量，在合适催化温度范围内将来自第二流动通路的重整产品提供给水-气转换反应器；以及
e)在回热式换热器没有主动控制的情况下执行步骤c)和d)。
因此，在本发明的一个方面，提供了一种用于燃料电池系统的燃料处理系统的整体单元。该整体单元包括回热式换热器，该回热式换热器包括用于空气/燃料混合物的第一流动通路以及用于重整产品的第二流动通路，且各流动通路有进口和出口。整体单元还包括自动热重整器，优选是自动热重整器的至少一部分由一部分回热式换热器包围。自动热重整器包括与第一流动通路的出口连接的进口，用于从该第一流动通路接收空气/燃料混合物，还包括与第二流动通路的进口连接的出口，以便向该第二流动通路提供重整产品。
在一种形式中，各第一和第二流动通路是多通道流动通路，且自动热重整器的至少一部分由第一流动通路的最后通道和第二流动通路的最初通道来包围。
通过阅读包括附加权利要求和附图的说明书，将清楚其它目的和优点。
附图说明
图1是用于燃料电池系统中的现有技术回热式换热器的示意图；
图2是类似于图1的视图，但是表示了代替图1的回热式换热器的本发明的回热式换热器；
图3是表示本发明的换热器的视图；
图4是表示图3和6的换热器的两种工作流体的温度与流动通路距离的关系的曲线图；
图5是本发明一个实施例的换热器的分解透视图；
图6是本发明另一换热器的分解透视图；
图7是本发明另一换热器的分解透视图，该换热器利用多个图6中所示的部件；
图8是图7的换热器的透视图；
图9是表示图7和8的换热器的两种工作流体的温度与流动通路距离的关系的曲线图；
图10是表示本发明另一个换热器的示意图；
图11是表示基于图9的换热器结构的分解透视图；以及
图12是表示图10和11的换热器的两种工作流体的温度和流动通路距离的关系的曲线图。
具体实施方式
图2表示了在质子交换膜类型的燃料电池系统51中用本发明的换热器50代替图1中所示的回热式换热器30和它的控制系统38。除了由换热器50代替换热器30和它的控制系统38之外，分别如图1和2中所示的燃料电池系统8和51的其余部分都相同，且相同参考标号表示相同部件。尽管根据本发明制造的换热器50在图2中表示为包含在质子交换膜类型燃料电池系统51的燃料处理系统36中，但是应当知道，本发明的换热器可以用于其它用途。因此，本发明的换热器并不局限于用于燃料电池系统或用于特殊类型的燃料电池系统，除非在权利要求中明确提出。例如，尽管图1和图2中的燃料电池系统表示了HTS 28和LTS 32，但是换热器50也可以用于利用中等温度水-气转换反应器(该中等温度水-气转换反应器与HTS 28和/或LTS 32一起使用，或者代替该HTS 28和/或LTS 32)的燃料电池系统。
图2中所示的换热器50是换热器30和它的相关主动控制装置38的合适替代品，因为换热器50能够保持通向ATR 26和LTS 32的基本恒定输出温度，从而使得进入ATR 26的增湿空气/燃料混合物(为增湿空气/甲烷混合物的形式)和进入LTS 32的重整产品具有合适的催化反应温度。更具体地说，对于在燃料电池系统10的工作范围内的、空气/甲烷混合物和重整产品的所有流量，换热器50都能够向ATR 26供给在大约500℃至大约750℃的所需进口气体温度范围内的增湿空气/甲烷混合物以及向LTS 32供给在大约180℃至大约240℃的所需进口气体温度范围内的重整产品。这样，应当知道，在系统51的整个工作范围内，进入换热器50的增湿空气/甲烷和重整产品的质量流量基本彼此成比例。在非常优选的实施例中，对于在燃料电池系统51的工作范围内的、增湿空气/甲烷混合物和重整产品的所有流量，换热器50能够使得通向ATR 26的增湿空气/甲烷混合物的出口温度保持在以目标温度(在优选实施例中该目标温度是630℃)为中心的50℃范围内，并使得通向LTS32的重整产品的出口温度保持在以目标温度(在优选实施例中，该目标温度是大约210℃)为中心的40℃范围内。因此，最大工作质量流量可以比最小工作质量流量大7倍，且在某些优选实施例中，最大工作质量流量可以比最小质量流量大10倍。通过被动地在燃料电池系统51的工作范围内对于增湿空气/甲烷混合物和重整产品都提供基本恒定的出口温度，换热器50能够不需要主动控制设计(例如控制系统38)，从而与普通燃料电池系统(例如系统8)相比简化燃料电池系统51。
图3是用于在第一和第二流体52和54之间传热的回热式换热器50的示意图，对于图2的燃料电池系统51，该第一和第二流体52和54分别是增湿空气/甲烷混合物和重整产品。换热器50包括用于第一流体52的第一多通道流动通路56(在图3中以虚线表示)和用于第二流体54的第二多通道流动通路58(在图3中以实线表示)。第一流动通路56的各通道60有进口62和出口64，且第二流动通路58的各通道66有进口68和出口70。第一和第二流动通路56和58的通道60和66布置成相邻对72，其中，第一流动通路56的各通道60与第二流动通路58的相邻通道66配对。通道60和66布置成使得第一流体52遇到各相邻对72的顺序与第二流体54遇到各相邻对72的顺序相反。各相邻对72的进口62和68以及出口64和70布置成彼此相关，以便当第一和第二流体52和54流过相邻对72时在第一和第二流体52和54之间提供并行流关系。各相邻对72设置成在最大工作质量流量下提供的传热效率足以使得第一和第二流体52和54的温度在相邻对72的出口64和70处彼此接近或者具有共同温度。分析显示，对于以10比1的比例变化的工作质量流量，第一和第二流体52和54的出口温度能够保持在可接受的温度范围内。应当知道，图3提供了n个具有通道60和66的相邻对72。
也许参考图4所述的曲线并结合图3能够更好地理解上述流体温度型面。为了说明，第一流体将是在进入换热器50时具有更冷温度的流体，因此热量将从第二流体54传递给第一流体52，以便在第一流体52经过换热器50时升高该第一流体52的温度，并在第二流体54经过换热器50时降低该第二流体54的温度。图4表示了当第一流体52和第二流体54流过图3中所示的相邻对72′和72″时该第一流体52和第二流体54的温度与离开进口62′的参考距离(表示在曲线图的水平轴上)之间的关系。应当知道，尽管它们给出了摄氏温度和毫米的绝对数值，但是图4中所示的温度和距离只是为了说明而表示一个工作实例，且对于特殊换热器50的各相邻对72，温度和距离将特别取决于各用途的特殊参数。如图4所示，当第一流体52从进口62′流向出口64′以及第二流体54从进口68″流向出口70″时，两个流体52和54的温度在相邻对72′的出口64′和70′处彼此接近，或者具有共同温度。同样，可以看见，当第一流体52和第二流体54从它们各自的进口62″和68″流向它们各自的出口64″和70″时，第一和第二流体52和54的温度在第二相邻对72″的出口64″和70″处再次接近或具有共同的温度。因此，可以看见，各对72′、72″使得第一和第二流体52和54的温度在它们的各出口64′、70″、64″和70′处“汇合(pinch)”。优选是，该流体温度型面通过设计各对72而实现，以便对于第一和第二流体52和54在最大工作质量流量下获得最大并行流换热效能，这将保证第一和第二流体52和54在所有较低流量下都有合适性能。
图5表示了换热器50的一个可能结构，并包括换热单元80堆垛，该换热单元80可以形成堆叠板型设计或条板型结构，如换热器行业中公知，特别是在油冷却器中。应当知道，换热器50包括第一和第二流动通路56和58的三个具有通道60和66的相邻对72，且在各相邻对72中，通道60和66布置成并行流关系，而流体52遇到各相邻对72的顺序与流体54遇到各相邻对72的顺序相反。在所示实施例中，各相邻对72由多个换热单元80组成，该换热单元80为成形堆垛的拉伸杯形板80的形状，每个杯形板80有在它的拐角处的四个开口82，这些开口与在相邻板80中的开口对齐并密封，以便形成用于各通道60和66的各个进口62和68以及出口64和70的歧管。用于各通道60和66的流动腔室84交替地确定于板80之间。因此，在各相邻对72中有多个用于各通道60和66的平行流动腔室84。需要时，传热元件例如翅片或湍流器86可以布置在各流动腔室84中。分隔器板88布置在各相邻对72之间，并分别在相邻对72的最顶侧和最底侧的顶部和底部，以便分离相邻对72，并关闭最顶侧和最底侧流动腔室84。
图6表示了用于换热器50的另一可能结构，该换热器50包括条板类型结构。更具体地说，各换热单元80以条板组合80的形式提供，其中一个如图6中所示。图6的实施例比图5的实施例稍微更复杂，因为，对于各条板组合80有两个相邻对72。在本实施例中，各条90是整体条，它包括在一端彼此相邻的两个开口82，且这两个开口82与由条90确定的U形流动腔室84分开。分离板或片91以及一些硬钎焊箔92布置在各条90之间，以便形成换热器50的一层。在各条90中的开口82与所有其它条90中的开口82组合，以便确定用于并不通过条90的流动腔室84的流体52或54的流动歧管。还有，为了图示说明，图6还表示了流动状态，该流动状态可参考图4和前述相关说明来理解。应当知道，各结构的细节将特别取决于各用途的特殊参数，例如流量、用于第一和第二流体52和54的特殊流体、第一和第二流体52和54的进口温度以及第一和第二流体52和54的合适出口温度。
图7和8表示了图6的结构怎样布置成在一个换热器50实施例中提供六个通道。如图所示，图7中的换热器50有由用于第一流动通路56的六个通道60和用于第二流动通路58的六个通道66组成的六个相邻对72。为了便于理解，用于通道60和66、进口62和68以及出口64和70的各参考标号都提供有罗马数字上标，表示了各相应流体52和54的通道顺序。与图5中的换热器实施例相同，图7中的换热器实施例在条板组合80的堆叠层中提供了用于各通道60和66的多个流动腔室84，且分离板88布置成分离条板组合80的相邻堆叠层的流动腔室84，并关闭最顶侧和最底侧的流动腔室84。最好如图8所示，换热器50可以提供有用于第一和第二流体52和54的合适进口和出口配件94。图9是另一个温度相对流动距离的曲线图，表示了图7和8所示的换热器实施例的流动状态。由图9可知，对于最大质量流量，各对72的传热效能足以使得第一和第二流体52和54的温度在各对72的出口处彼此接近或者具有共同温度。因此，各对72使得第一和第二流体52和54的温度在各对72的相应出口64和70处“汇合”。还应当知道，第一流体52遇到各相邻对72的顺序与第二流体54的顺序相反。
图10和11表示了换热器50的另一可能结构，该换热器50包括多个换热单元，这些换热单元设置成周向排的换热管100的形式，这些换热管100有用于接收第一流体52的内部102以及外部104，第二流体54由盘形导流板105、一系列环形导流板106和一组同轴柱形壁108而引导越过该外部104。在所示实施例中，最左侧和最右侧的环形导流板用作集管板107，该集管板107密封接收管100的端部。优选是，管100的外部104提供有翅片110(图11中未示出)，该翅片110成环形板翅片的形式。应当知道，尽管表示了板翅片，但是在某些用途中也可以使用其它类型的翅片。应当知道，图10和11的换热器50包括第一和第二流动通路56和58的通道60和66的两个相邻对72，且在各相邻对72中，通道60和66布置成并行流关系，而流体52遇到各相邻对72的顺序与流体54遇到各相邻对72的顺序相反。第一通道60包括在管100的右手端处并成开口形式的进口62以及在管100的中点处的出口64，第二通道60’包括在管100的中点处的进口62′以及在管100的左手端处并成开口形式的出口64′。第一通道66包括确定于导流板105的左手侧和一个导流板106的右手侧之间的环形进口68以及确定于最左侧导流板106的右手侧和另一导流板106的左手侧之间的环形出口70。第二通道66′包括确定于最右侧导流板106的左手侧和又一导流板106的右手侧之间的环形进口68′以及确定于导流板105的右手侧和又一导流板106的左手侧之间的环形出口70′。两个最外侧的柱形壁108将第二流体54从第一通道66的出口70导向第二通道66′的进口68′。因此，在所示实施例中，各相邻对72由各管100、盘105和三个导流板106的一半长度来确定。还可以知道，在各通道66中，导流板106将第二流体54导入三个子通道中，且第二流体54与在各子通道112中的第一流体为局部交叉流关系。因此，除了在各相邻对72中的、流体52和54的总体并行流关系，图10和11的换热器50还提供了流体52和54的局部交叉流。应当知道，尽管图10和11中所示的换热器50有三个子通道112，但是在某些用途中也可能希望提供类似结构的换热器，但是没有任何子通道，或者通过在各通道66中提供更多导流板106而具有超过三个子通道。
与前述实施例的换热器50相同，图10和11的换热器50的各相邻对72设置成在最大质量流量下提供的传热效能足以使得第一和第二流体52和54在相邻对72的出口64和70处温度彼此接近或者具有共同温度。还有，分析显示，对于以10比1的比例变化的工作质量流量，第一和第二流体52和54的出口温度能够保持在可接受的温度范围内。
也许参考图12中所示的曲线图能够更好地理解上述流体温度型面，该图12表示了当第一流体52和第二流体54流过图10中所示的相邻对72和72′时，它们的温度与离进口62的参考距离(表示于曲线图的水平轴上)之间的关系。如图12所示，当第一流体52从进口62流向出口64以及第二流体54从进口68′流向出口70′时，两个流体52和54的温度在相邻对72的出口64和70′处彼此接近，或者具有共同温度。类似的，可以知道，当第一流体52和第二流体54从它们的相应进口62′和68流向它们的相应出口64′和70时，第一和第二流体52和54的温度再次在第二相邻对72′的出口64′和70处彼此接近，或者具有共同温度。优选是，该流体温度型面将通过使各对72、72′设计成在第一和第二流体52和54的最大工作质量流量时有最大传热效能而获得，这将保证在第一和第二流体52和54的所有较低质量流量时有合适效能。应当知道，图12的数据点A、A′、B和B′表示在各子通道112的过渡部分处的流体温度，如图10所示。
图10和11中所示的换热器结构的一个优选特征是，当用于燃料电池系统的燃料处理系统中时，结构50能够与自动热重整器(ATR)26制成为整体单元120。如图10和11所示，优选是，ATR 26的至少一部分位于一个最内侧柱形壁108内，并由至少一部分换热器50包围。在所示实施例中，ATR 26由流动通路56的最后通道60′和流动通路58的最初通道66而包围，且ATR的进口122与出口64′连接，以便从该出口64′接收空气/燃料混合物52，而ATR的出口124与进口68连接，以便将重整产品导向该进口68，如图10所示。尽管优选是ATR26的至少一部分由至少一部分换热器50包围，但是在某些用途中，可能优选是使ATR 26相对于换热器50定位成使得换热器50并不包围ATR 26的任何部分。在所示实施例中，整体单元120通过进口连接件130而接收空气/燃料混合物52，并将重整产品从出口连接件132导向中等温度水-气转换反应器(MTS)(未示出)。与图2的燃料处理系统36比较，整体单元120的燃料处理系统通过利用MTS而不需要HTS 28和LTS 32。这时还可选择，整体单元120可以在它的排出口注射水，以便进一步冷却重整产品，并对重整产品54进行附加增湿，以便用于下游反应。该整体单元由基本柱形壳体134包围，该基本柱形壳体134包括环形压力通风系统136，用于将空气/燃料混合物52从进口连接件130导向换热器50。
应当注意，与ATR 26形成一整体是图10和11的换热器50的一种选择，换热器50也可以没有ATR 26。而且，应当知道，尽管周向排的管100和环形导流板106为优选，但是在某些用途中，也可能希望提供非周向布置的管，且导流板为合适形状，以便引导流体54通过通道66。
应当知道，尽管已经表示了换热器50的多个实施例，但是该换热器也可以有多种结构。例如，尽管已经表示了有两个、三个和六个相邻对72的换热器50，但是换热器也可以具有所需数目的相邻对，以便获得由各用途的特殊参数表示的基本恒定出口温度。这样，对于给定的进口条件(温度、质量流量)，假定各对使得温度“汇合”(如前所述)，相邻对72的数目N确定了各流体52和54的出口温度。通过比较图4和9可知，增加对72的数目N将增加换热器的总效能，并使得冷流体52的出口温度升高，并使热流体54的出口温度降低，从而能够通过提供合适数目N的相邻对72而将换热器50设计成提供在冷热流体52和54的进口和出口温度之间的合适温度范围。
还应当知道，尽管形成的堆叠板、条板、管和翅片的实例都表示为用于换热单元80，但是也可以用于规定的任意合适换热单元，以便获得用于特殊用途的所需效能。
应当知道，通过对于特殊用途和对于在特殊用途的工作范围内的所有流量，都提供基本恒定的出口温度(即出口温度在可接受的小范围内)，从而使得回热式换热器能够不需要对出口温度进行主动控制，从而可以简化该特殊用途，从而减小成本和复杂性，并增加可靠性。
换热器50的另一可能优点是它能够设计成相对耐污垢。更具体地说，因为流体52和54在各对72的出口64和70处接近共同温度，因此换热器50可以制成为超大尺寸，而不会影响出口温度。该超大尺寸将允许例如通过污垢而大大降低传热性能，同时不会改变流体52和54的出口温度。
尽管已经介绍了换热器50的几个可能优点，但是应当知道，换热器50的各个实施例可以不提供所述可能优点的任意一个或全部。

Claims (20)

1.一种换热器，用于在第一和第二流体之间传热，各第一和第二流体有通过换热器的最大工作质量流量，该第一和第二流体的质量流量基本彼此成比例，该换热器包括：
用于第一流体的第一多通道流动通路，该第一流动通路的各通道有第一进口和第一出口；以及
用于第二流体的第二多通道流动通路，且该第二流动通路的各通道有第二进口和第二出口，第一和第二流动通路的通道布置成相邻的对，其中，第一流动通路的各通道与第二流动通路的相邻通道配对，所述通道布置成这样，即第一流体遇到各相邻对的顺序与第二流体遇到各相邻对的顺序相反，各相邻对的第一和第二进口和出口彼此相对布置而使得在流过相邻对的第一和第二流体之间有并行流的关系，各相邻对用于提供传热效能，该传热效能足以在最大工作质量流量下使得第一和第二流体的温度在相邻对的第一和第二出口处彼此接近或者具有共同温度。
2.根据权利要求1所述的换热器，还包括：确定了第一和第二流动通路的多个换热单元。
3.根据权利要求1所述的换热器，其中：第二多通道流动通路的各通道细分成至少两个子通道，其中，该第二流体相对于相邻通道中第一流体具有局部交叉流的关系。
4.根据权利要求1所述的换热器，还包括：
多个管，这些管的内部确定了第一多通道流动通路；以及
至少一个导流板，该导流板相对于所述管的外部定位，从而确定了经过所述管的外部的第二多通道流动通路。
5.根据权利要求4所述的换热器，还包括：至少一个导流板，该导流板位于第二多通道流动通路的各通道内，以便相对于相邻通道中的第一流体以局部交叉流的关系引导第二流体。
6.根据权利要求4所述的换热器，还包括：多个翅片，这些翅片在伸入第二多通道流动通路中的所述管的外部上。
7.一种换热器，用于在第一和第二流体之间传热，各第一和第二流体有通过换热器的最大工作质量流量，该第一和第二流体的质量流量基本彼此成比例，该换热器包括：
换热单元堆垛，该换热单元堆垛确定了用于第一流体的第一多通道流动通路以及用于第二流体的第二多通道流动通路，第一流动通路的各通道有第一进口和第一出口，第二流动通路的各通道有第二进口和第二出口，第一和第二流动通路的通道布置成相邻的对，其中，第一流动通路的各通道与第二流动通路的相邻通道配对，所述通道布置成这样，即第一流体遇到各相邻对的顺序与第二流体遇到各相邻对的顺序相反，各相邻对的第一和第二进口和出口彼此相对布置而使得在流过所述相邻对的第一和第二流体之间有并行流的关系，各相邻对用于提供传热效能，该传热效能足以在最大工作质量流量下使得第一和第二流体的温度在相邻对的第一和第二出口处彼此接近或者具有共同温度。
8.根据权利要求7所述的换热器，其中：所述换热单元的堆垛包括多个板对，各板对确定了在板对的板之间的第一流动通路的至少一个通道以及在板对的一个板和相邻板对的一个板之间的第二流动通路的至少一个通道。
9.根据权利要求8所述的换热器，其中：各板对确定了在板对的板之间的、第一流动通路的单个通道以及在所述一个板和所述相邻对的所述板之间的第二流动通路的单个通道。
10.根据权利要求7所述的换热器，其中：所述换热单元堆垛包括多个条板对，各条板对确定了在所述板对的板之间的第一流动通路的两个通道以及在一个所述板和相邻对的所述板之间的第二流动通路的两个通道。
11.一种操作回热式换热器的方法，该回热式换热器在具有通过换热器的最大工作质量流量的第一流体和第二流体之间传热，且第一和第二流体的质量流量基本彼此成比例，该方法包括以下步骤：
a)使第一流体流过回热式换热器的第一流动通路的第一通道；
b)使第二流体流过回热式换热器的第二流动通路的第二通道，该第二流动通路的第二通道邻近第一流动通路的第一通道，且在最大工作质量流量下，第一和第二流体在它们各自通道的出口处温度彼此接近或者具有共同温度；
c)在第一流体流过第一流动通路的第一通道之后使第一流体流过回热式换热器的第一流动通路的第二通道；以及
d)在第二流体流过第二流动通路的第二通道之前使得第二流体流过回热式换热器的第二流动通路的第一通道，第二流动通路的第一通道邻近第一流动通路的第二通道，且在最大工作质量流量下，第一和第二流体在它们各自通道的出口处的温度彼此接近或者具有共同温度。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤：
e)使第一和第二流体流过它们各自的第一和第二流动通路的附加通道。
13.一种用于质子交换膜类型燃料电池系统的燃料处理系统，该燃料处理系统包括：
自动热重整器，该自动热重整器的进口与所述系统连接，用于从该系统接收增湿的空气/燃料混合物，它的出口与所述系统连接，用于向该系统供给重整产品流；
水-气转换反应器，该水-气转换反应器的进口在该自动热重整器的下游与所述系统连接，用于从该系统接收重整产品流，它的出口与所述系统连接，用于向该系统供给具有减小的一氧化碳含量的重整产品；
回热式换热器，该回热式换热器包括第一和第二流动通路，
第一流动通路在自动热重整器的上游与所述系统连接，以便将增湿的空气/燃料混合物预热至用于自动热重整器的合适的进口温度范围，
第二流动通路在自动热重整器的下游和水-气转换反应器的上游与所述系统连接，以便将重整产品流冷却至用于水-气转换反应器的合适的进口温度范围，
第一和第二流动通路彼此相对布置，以便在燃料电池系统的预计工作范围内的所有流量下都提供用于自动热重整器和水-气转换反应器的合适的进口温度范围，且不使用主动控制系统。
14.根据权利要求13所述的燃料处理系统，其中：回热式换热器和自动热重整器是整体单元。
15.一种操作燃料处理系统的方法，该燃料处理系统用于质子交换膜类型的燃料电池系统，该方法包括以下步骤：
a)使空气/燃料混合物通过回热式换热器的第一流动通路流向位于第一流动通路下游的自动热重整器；
b)使重整产品从自动热重整器流过位于自动热重整器的下游和水-气转换反应器上游的回热式换热器的第二流动通路；
c)对于在燃料电池的工作范围内的所有流量，使得空气/燃料混合物在合适的催化温度范围内从第一流动通路通向自动热重整器；
d)对于在燃料电池的工作范围内的所有流量，使得重整产品在合适的催化温度范围内从第二流动通路通向水-气转换反应器；以及
e)在回热式换热器没有主动控制的情况下执行步骤c)和d)。
16.一种用于燃料电池系统的燃料处理系统的整体单元，该整体单元包括：
回热式换热器，该回热式换热器包括用于空气/燃料混合物的第一流动通路以及用于重整产品的第二流动通路，且各流动通路有进口和出口；以及
自动热重整器，该自动热重整器包括：
与第一流动通路的出口连接的进口，用于从该第一流动通路接收空气/燃料混合物；以及
与第二流动通路的进口连接的出口，以便向该第二流动通路引导重整产品。
17.根据权利要求16所述的整体单元，其中：各第一和第二流动通路是多通道流动通路，且自动热重整器的至少一部分由第一流动通路的最后通道和第二流动通路的最初通道来包围。
18.根据权利要求16所述的整体单元，其中：自动热重整器的至少一部分由一部分回热式换热器包围。
19.一种操作回热式换热器的方法，该回热式换热器在具有通过换热器的最大工作质量流量的第一流体和第二流体之间传热，且第一和第二流体的质量流量基本彼此成比例，该方法包括以下步骤：
a)使第一流体流过回热式换热器的第一流动通路的N个通道；
b)使第二流体流过回热式换热器的第二流动通路的N个通道，第一和第二通道布置成N个相邻对，通过N个相邻对的每一对的第一和第二流体有并行流关系，在最大工作质量流量下，在N个相邻对的每一对中的第一和第二流体在它们各自出口处的温度彼此接近和具有共同的温度，第一流体首先遇到N个相邻对中的第一对，并顺序流过所述相邻对至第N个相邻对，且第二流体首先遇到第N个相邻对，然后顺序流过所述相邻对至第一相邻对，顺序与第一流体相反。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：当第一和第二流体进入和离开回热式换热器时，根据在第一和第二流体的各进口和出口温度之间的合适的温度范围来选择相邻对的数目N。
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