(57)【要約】【課題】熱交換装置を提供する。【解決手段】この熱交換装置は、ハウジングと、ハウジング内に設けられた第１の流体導管の配列と、ハウジング内に設けられた第２の流体導管の配列とを有している。第１および第２の流体導管の配列は、第１の流体を移送するように構成されている。また、熱交換装置は、ハウジング内に設けられた第１の流体通路を有しており、この第１の流体通路は、ハウジングの内面と、バッフルプレートとにより規定されている。第１の流体通路は、第２の流体を移送するように構成されている。バッフルプレートは、第１の流体通路を第１の流路と第２の流路とに分割しており、第１の流体導管の配列は、第１の流路を通って延びており、第２の流体導管の配列は、第２の流路を通って延びている。【選択図】      図１
2007526433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
このハウジング内に設けられ、第１の流体を移送するように構成されている第１の流体導管の配列と、
前記ハウジング内に設けられ、第１の流体を移送するように構成されている第２の流体導管の配列と、
前記ハウジング内に設けられ、このハウジングの内面およびバッフルプレートにより規定されていて、第２の流体を移送するように構成されている第１の流体通路と、を具備し、
前記バッフルプレートは、前記第１の流体通路を第１の流路と第２の流路とに分割するように構成されており、
前記第１の流体導管の配列は、前記第１の流路を通って延びており、前記第２の流体導管の配列は、前記第２の流路を通って延びている、熱交換装置。
【請求項２】
前記第１の流体通路は、入口および出口を有しており、前記出口は、前記入口より垂直方向で上方の位置に設けられている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記第１の流体通路は、入口と、第１の出口と、第２の出口とを有しており、前記第１の出口は、前記第１の流路に連結されており、前記第２の出口は、前記第２の流路に連結されており、また、前記第１の出口および前記第２の出口は、入口より垂直方向で上方の位置に設けられている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記第１の流体通路の出口に流体連結されている追加の流体通路を有するプレヒータ部分を更に具備しており、このプレヒータ部分は、前記追加の流体通路を通って延びている流体導管を有しており、この流体導管は、第１の流体を移送するように構成されており、また、この流体導管は、前記第１の流体導管の配列および第２の流体導管の配列に流体連結されている入口マニホールドに流体連結されている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記第１の流体通路の前記出口は、膨張差を許容するように構成された流体密封ジョイントにより前記追加の流体通路に連結されている、請求項４に記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記密封ジョイントは、スリップジョイントである、請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項７】
前記流体密封ジョイントは、布または金属ベローである、請求項５に記載の熱交換装置。
【請求項８】
前記プレヒータ部分と前記入口マニホールドとの間で前記流体導管に沿って設けられたボイラーを有するボイラー部分を更に具備しており、また、前記追加の流体通路は、前記ボイラー部分を通って延びており、そして、前記ボイラーは、前記プレヒータと前記第１の流体通路の前記出口との間の位置で前記追加の流体通路を通って延びている、請求項４に記載の熱交換装置。
【請求項９】
過熱器部分を更に具備しており、前記追加の流体通路は、前記過熱器部分を通って延びており、前記流体導管は、前記前記ボイラー部分と前記第１の流体通路の前記出口との間の位置で前記追加の通路を通って延びている、請求項８に記載の熱交換装置。
【請求項１０】
前記過熱器部分は、前記第１の流体通路の前記出口より垂直方向で上方の位置に設けられており、前記ボイラー部分は、前記過熱器部分より垂直方向で上方の位置に設けられており、また、前記プレヒータ部分は、前記ボイラー部分より垂直方向で上方の位置に設けられている、請求項９に記載の熱交換装置。
【請求項１１】
前記第１の流体通路は、入口を有しており、また、前記第１の流体通路の前記出口は、前記入口より垂直方向で上方の位置に設けられている、請求項１０に記載の熱交換装置。
【請求項１２】
前記追加の流体通路の出口に設けられた排気ファンを更に具備している請求項１１に記載の熱交換装置。
【請求項１３】
前記第１の流体通路は、入口と、第１の出口と、第２の出口とを有しており、前記第１の出口は、前記第１の流路に連結されており、前記第２の出口は、前記第２の流路に連結されており、また、前記第１の出口および前記第２の出口は、前記入口より垂直方向で上方の位置に設けられている、請求項１０に記載の熱交換装置。
【請求項１４】
前記追加の流体通路の出口に設けられた排気ファンを更に具備している請求項１３に記載の熱交換装置。
【請求項１５】
第１の容器と、
この第１の容器の上に積重ねられるように構成された第２の容器と、を更に具備しており、
前記ハウジングは、底モジュールとして規定されており、
前記過熱器部分、前記ボイラー部分および前記プレヒータ部分は、頂モジュールとして規定されており、
前記底モジュールは、前記第１のハウジング内に収容されており、
前記頂モジュールは、前記第２のハウジング内に収容されており、
前記第２の容器が前記第１の容器の上に積重ねられると、前記第１の流体通路の前記出口は、前記追加の流体通路に連結される、請求項１０に記載の熱交換装置。
【請求項１６】
前記第１の流体導管の配列は、前記バッフルプレートを通って延びており、前記第２の流体導管の配列は、前記バッフルプレートを通って延びている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項１７】
前記第１の流体導管の配列は、これの夫々の流体導管の外面に設けられた第１の複数の熱伝達フィンを有しており、これら第１の複数の熱伝達フィンは、前記第１の流路内で延びており、
前記第２の流体導管の配列は、これの夫々の前記流体導管の外面に設けられた第２の複数の熱伝達フィンを有しており、これら第２の複数の熱伝達フィンは、前記第２の流路内で延びている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項１８】
前記第１の流体導管の配列は、流体導管の第１の列を有しており、前記流体導管の第１の列は、第１の管状入口マニホールドおよび第１の管状出口マニホールドに流体連結されており、前記流体導管の第１の列は、その外面に第１の熱伝達フィンを有しており、前記第１の熱伝達フィンは、前記第１の流路内で延びており、
前記第１の流体導管の配列は、流体導管の第２の列を有しており、この流体導管の第２の列は、第２の管状入口マニホールドおよび第２の管状出口マニホールドに流体連結されており、前記流体導管の第２の列は、これの外面に第２の熱伝達フィンを有しており、前記第２の熱伝達フィンは、前記第１の流路内で延びている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項１９】
前記第１の流体導管の配列は、流体導管の第１の列および流体導管の第２の列を有しており、これら流体導管の第１の列および前記流体導管の第２の列は、管状入口マニホールドに流体連結されている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項２０】
前記第１の流体導管の配列は、流体導管の第１の列および流体導管の第２の列を有しており、これら流体導管の第１の列および前記流体導管の第２の列は、管状出口マニホールドに流体連結されている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項２１】
前記第１の流体通路および第２の流体通路を前記ハウジング内に規定するように構成された密封帯域を更に具備している請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項２２】
前記密封帯域は、
前記ハウジングの横断面全体を横切って延びている前記バッフルプレートと、
前記ハウジングの横断面全体を横切って延びていて、前記第２の流体通路を規定している追加のバッフルプレートと、
前記バッフルプレートと前記追加のバッフルプレートとの間に設けられた耐火性ガスケットと、
前記バッフルプレートと前記追加のバッフルプレートとの間に設けられた膨張材料の層と、を備えており、
前記第１の流体導管の配列および前記第２の流体導管の配列は、前記バッフルプレートと、前記追加のバッフルプレートと、前記耐火性ガスケットと、前記膨張材料の層とを通って延びている、請求項２１に記載の熱交換装置。
【請求項２３】
前記耐火性ガスケットおよび前記膨張材料の層は、前記バッフルプレートと前記追加のバッフルプレートとの間の隙間を実質的に完全に埋めている、請求項２２に記載の熱交換装置。
【請求項２４】
前記膨張材料の層は、約３００℃より高い温度で膨張する材料で作られている、請求項２２に記載の熱交換装置。
【請求項２５】
前記第１の流体通路の出口と前記第２の流体通路の入口とを連結する追加の流体通路と、
前記追加の通路に沿って設けられていて、前記第２の流体通路の前記入口に入る第２の流体を加熱すように構成されているバーナーと、を更に具備している請求項２１に記載の熱交換装置。
【請求項２６】
前記第１の流体通路の入口に流体連結された入口流体通路を有するプレヒータを更に具備しており、このプレヒータは、前記入口流体通路を通って延びている流体導管を有しており、この流体導管は、第１の流体を移送するように構成されており、また、この流体導管は、前記第１の流体導管の配列および前記第２の流体導管の配列に流体連結されている出口マニホールドに流体連結されており、
前記入口通路に流体連結されていて、前記バーナーの上流の位置で前記追加の通路に流体連結されている低温燃焼入口と、
この低温燃焼入口から前記プレヒータへの、および前記低温燃焼入口から前記バーナーへの第２の流体の流れを制御するための手段と、を更に具備している、請求項２５に記載の熱交換装置。
【請求項２７】
前記制御手段は、
前記低温燃焼入口から前記プレヒータへの第２の流体の流れを制御するために前記低温燃焼入口と前記プレヒータとの間に設けられた第１の弁と、
前記低温燃焼入口から前記バーナーへの第２の流体の流れを制御するために前記低温燃焼入口と前記バーナーとの間に設けられた第２の弁と、を備えている、請求項２６に記載の熱交換装置。
【請求項２８】
前記第１の弁および前記第２の弁を制御するために前記第１の弁および前記第２の弁に連結された制御リンク仕掛けを駆動するように構成されたアクチュエータを更に具備している請求項２６に記載の熱交換装置。
【請求項２９】
前記第１の弁を制御するように構成された第１のアクチュエータと、前記第２の弁を制御するように構成された第２のアクチュエータとを更に具備している請求項２６に記載の熱交換装置。
【請求項３０】
前記制御手段は、前記低温燃焼入口と前記プレヒータとの間の流れと、前記低温燃焼入口と前記バーナーとの間の流れとを連続的に調整するように構成された弁を備えている、請求項２６に記載の熱交換装置。
【請求項３１】
前記制御手段は、
前記低温燃焼入口を前記プレヒータに連結する第１の管と、
前記低温燃焼入口を前記バーナーに連結する第２の管と、
流れを調整するように構成された弁と、を備えており、
この弁は、前記第１の管と前記第２の管とのうちの一方に設けられており、
前記第１の管と前記第２の管とのうちの他方は、弁を有していない、請求項２６に記載の熱交換装置。
【請求項３２】
前記第１の流体導管の配列の流体導管には、これの外面に補強用外側スリーブが設けられている、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３３】
前記補強用外側スリーブは、前記ハウジング内の帯域に設けられており、この帯域は、少なくとも約９００℃の温度の第２の流体を受け入れるようになっている、請求項３２に記載の熱交換装置。
【請求項３４】
前記帯域は、少なくとも約１０００℃の温度の第２の流体を受け入れるようになっている、請求項３３に記載の熱交換装置。
【請求項３５】
前記補強用外側スリーブは、前記第１の流体導管の配列の前記流体導管を形成するのに使用される材料と異なる材料から製造されている、請求項３２に記載の熱交換装置。
【請求項３６】
前記第１の流体導管の配列の前記流体導管を形成するのに使用される材料は、第１の流体の環境条件に基づいて選択され、また、前記補強用外側スリーブを形成するのに使用される材料は、第２の流体の環境条件に基づいて選択される、請求項３５に記載の熱交換装置。
【請求項３７】
前記第２の流体導管の配列の夫々の流体導管には、これらの外面に補強用外側スリーブが設けられている、請求項３２に記載の熱交換装置。
【請求項３８】
前記ハウジングの外面のまわりに設けられた断熱材料よりなる第１の複数のブロックを有する第１の断熱層と、
この第１の断熱層の外面のまわりに設けられた第１のケーシングと、を更に具備している請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３９】
前記第１のケーシングの外面のまわりに設けられた断熱材料よりなる第２の複数のブロックを有する第２の断熱層と、
前記第２の断熱層の外面のまわりに設けられた第２のケーシングと、を更に具備しており、
前記断熱材料よりなる第２の複数のブロックは、前記断熱材料よりなる第１の複数のブロックの間の隙間に重なるように位置されている、請求項３８に記載の熱交換装置。
【請求項４０】
前記断熱材料よりなる第１の複数のブロックおよび前記断熱材料よりなる第２の複数のブロックは、断熱耐火性ボードで構成されており、前記第１のカーシングおよび前記第２のケーシングは、亜鉛めっきシート金属のパネルで構成されている、請求項３９に記載の熱交換装置。
【請求項４１】
前記ハウジングの外面のまわりに設けられた断熱材料よりなるブロックを有する複数の断熱層と、
前記複数の断熱層のうちの最も外側の断熱層の外面のまわりに設けられたケーシングと、を更に具備している、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項４２】
少なくとも１種の燃料を、入口および出口を有するハウジングと、このハウジング内で入口から出口まで延びていて、水素が発生されるような対流加熱式接触水蒸気改質器および対流冷却式水気体シフト反応器を備えている流路とを備えている反応器に供給する工程を具備しており、
水蒸気改質器を加熱するためにバーナーが設けられており、
このバーナーからの燃焼生成物が、流れ方向転換機構により調整されて水蒸気改質器の所定の作動温度を維持し、
燃焼空気が、これがバーナーに送られる前に水気体シフト反応器を冷却するのに使用され、
燃焼ガスは、水気体シフト反応器を冷却するのに使用される前に予熱され、そして燃焼ガスは、これが許容可能なバーナー入口温度より高くない所定温度でバーナーに供給されるような温度まで予熱される、水素を発生される方法。
【請求項４３】
少なくとも１つの燃料を、入口および出口を有するハウジングと、このハウジング内で入口から出口まで延びていて、水素が発生されるような対流加熱式接触水蒸気改質器および対流冷却式水気体シフト反応器を備えている流路とを備えている反応器に供給する工程を具備しており、
水蒸気改質器を加熱するためにバーナーが設けられており、
このバーナーからの燃焼生成物が、流れ方向転換機構により調整されて水蒸気改質器の所定の作動温度を維持し、
燃焼空気をハウジングの入口からハウジングの出口まで移送するのに使用される流通路が、燃焼ガスを加熱空気の浮力特性により出口から出すように垂直方向に構成されている、水素を発生させるための方法。
【請求項４４】
前記流通路は、入口が閉鎖さているときでも、燃焼ガスを空気の浮力特性により出口から出すように構成されている、請求項４３に記載の方法。
【請求項４５】
少なくとも１つの燃料を、入口および出口を有するハウジングと、このハウジング内で入口から出口まで延びていて、水素が発生されるような対流加熱式接触水蒸気改質器および対流冷却式水気体シフト反応器を備えている流路とを備えている反応器に供給する工程を具備しており、
水蒸気改質器を対流で加熱し、且つ水気体シフト反応器を対流で冷却するのに使用される流体が、流れ方向転換機構により調整されて水蒸気改質器を水が凝縮するより高い温度に維持する、水素を発生させるための方法。
【請求項４６】
少なくとも１つの燃料を、入口および出口を有するハウジングと、このハウジング内で入口から出口まで延びていて、水素が発生されるような対流加熱式接触水蒸気改質器および対流冷却式水気体シフト反応器を備えている流路とを備えている反応器に供給する工程と、
調整弁を使用して水気体シフト反応器を冷却するのに使用される冷却流体の量を最小にして冷却流体の流れを制御する工程と、を具備している、水素を発生するための方法。
【請求項４７】
前記冷却流体は、水蒸気改質器を加熱するためにバーナーに供給される燃焼空気である、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
少なくとも１つの燃料を、入口および出口を有するハウジングと、このハウジング内で入口から出口まで延びていて、水素が発生されるような対流加熱式接触水蒸気改質器および対流冷却式水気体シフト反応器を備えている流路とを備えている反応器に供給する工程を具備しており、
水蒸気改質器を加熱するためにバーナーが設けられており、
前記バーナーからの燃焼生成物の温度が、バーナーへの燃焼空気の全流量を制御することにより制御され、
水気体シフト反応器を冷却するのに使用される冷却空気の量が、調整弁を使用して制御されて水気体シフト反応器の温度を制御する、水素を発生するための方法。
【請求項４９】
前記冷却流体は、バーナーに供給される燃焼空気である、請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、熱交換器および熱交換器を構成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
平行な管の大きい配列を有する熱交換器および熱交換化学反応器が、当業界で知られている。このような製品のための伝統的な設計実施は、設計規格に体系的にまとめられている。米国特許第６，４９７，８５６号（これは参照によりここに組み入れられる）は、天然ガス、プロパン、液化石油ガス（ＬＰＧ）、アルコール、ナフサおよび他の炭化水素燃料から水素を発生させるための熱交換化学反応器を教示している。代表的な工業用途としては、半導体製造のための金属処理工業におけるアンモニア合成のための原料があり、他の工業用とでは、商業ガス市場のための石油脱硫および水素製造がある。伝統的な工業的水素発生器により生じられるよりも小規模での低コスト水素の需要により、小規模水素製造装置（＜１５０００基準立法フィー／時間（ｓｃｆｈ））のための市場をもたらした。この需要は、固定および移動可能な発電所、特に、燃料として水素を必要とする電気化学燃料電池を用いる発電所のための燃料としての水素に対する成長熱狂により高められてきた。
【０００３】
２００３年５月１３日に出願された米国特許出願第１０／４３６，０６０号（これは参照によりここに組み入れられる）は、高い温度および圧力で作動されるもののような管状熱交換器についてシェル側流体の漏れおよび迂回を減少させるコスト上効果的な熱交換構造体をもたらす有利な熱交換装置を開示している。米国特許出願第１０／４３６，０６０号の図１は、第１の管板３と第２の管板４との間に密封的に連結されている管の配列２を有する管状熱交換器コアを示している。第１の流体が、第１の管板３に密封的に取付けられた入口マニホールドから管の配列２の管を通って流れ、そして第２の管板４に取付けられた第２のマニホールドから出る。管の配列２には、管の外面に流れ差し向けバッフル即ち、プレート５が設けられており、これらのバッフル即ち、プレート５は、第２の流体を管の配列２の軸線と実質的に垂直に流すのに使用される。バッフルのすべては、各流体段において流通路およびフィン付き帯域の外側に延びている小さい延出部分１８を有している。これらの延出部分１８は、第２の流体の流れを差し向けるための耐火性管路に合うように設けられている。米国特許出願第１０／４３６，０６０号の図２は、シートカバーパン２０、３０のようなハウジング部材と、バッフル１３ないし１６および１９の一部のような熱交換器の外側シェルの一部を構成する種々のバッフルの部分とにより構成されるハウジング１００内の流れの改良調整をもたらす構造を示している。ハウジング１００は、漏れの無い状態を達成することができる。
【０００４】
しかしながら、本発明の発明者は、米国特許出願第１０／４３６，０６０号に記載の熱交換装置が本発明において改良される或る容量制限を有していることを断定した。熱応力の管理は、米国特許第６，４９７，８５６号および米国特許出願第１０／４３６，０６０号に記載の改質器技術における最も大きい要因、最も大きくないならば、制限要因のうちの１つである。改質器は高い熱応力下で作動する傾向があるので、反応器の寸法が増大されると、管の配列を横切る高い圧力降下（すなわち、圧力の変化ΔＰ）により、バッフルおよびパン管路に大きい応力を及ぼしてしまう。これらの大きい応力の結果、使用温度におけるクリープに起因して早期破損が生じる。圧力降下は、付随する大きいパン面積と共に熱交換器段の横断面積を単に増大することにより低下されることができるが、応力は、同じ圧力荷重については、より大きいパンにおいてはるかに大きい。かくして、熱交換器段面積を単に増大することでは、適切な解決をもたらさない。更に、反応器の寸法が増大されると、張出すバーナーボックスは、パンの大きい寸法に起因したおよびバーナーからの片持ち力に起因した高い応力によって悩まされる。更に、非常に大きい反応器は、非常に厚い管板を必要とする。これらの厚いがっしりした管板は高価であるだけではなく、非常に剛性でもある。かくして、管板の熱膨張が管板を通って延びている管の配列を損傷させるのを防ぐために、管板には、大きいずれ穴が必要とされるが、このような穴は、米国特許公報第２００３／０１７３０６２Ａ１号（これはその全体が参照によりここに組み入れられる）に記載のように最小にされることができる。このような大きい貫通穴は、管の配列の迂回を引起こすことにより改質器の効果性を制限する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、前述の容量制限を解消する熱交換構造を提供することが望ましい。
【０００６】
水素の製造では、特に、水気体シフト方法の冷却において燃焼空気が予熱される米国特許第６，６２３，７１９号の方法による水素の製造では、火炎温度と、水気体シフト方法の温度と、水蒸気改質器の入口温度との同時制御は、極めて困難である。好適な温度条件からの逸脱が、乏しい燃料の転換と、高い熱応力と、過剰の腐食と、装置内の水蒸気の局部的凝縮および再沸騰を伴う問題とを引起こしてしまう。これらの欠陥は、起動、稼動停止および荷重変化のような一過的な作動中に問題である。従って、好適な作動温度からの望ましくない逸脱を制御するための装置および方法を提供することが望ましい。
【０００７】
米国特許第６，６２３，７１９号では、プロセスコンデンサにおける水気体シフト方法の後に、いくらかの熱エネルギが廃熱として周囲に失われる。この廃熱エネルギは、水素方法の作動コストを高め、且つ気候変化ガスの放出を高める。従って、構成が経済的であって、水素発生方法の実施性に悪影響しない追加の廃熱を回収する装置および方法を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、有利には、第１の流体通路が設けられたハウジングを有する熱交換装置を提供する。第１の流体通路は、ハウジングの内面とバッフルプレートとにより規定されている。第１の流体通路は、第２の流体を移送するように構成されている。ハウジング内には、第１の流体導管の配列および第２の流体導管の配列が設けられている。第１の流体導管の配列および第２の流体導管の配列は、第１の流体を移送するように構成されている。バッフルプレートは、第１の流体通路を第１の流路と第２の流路とに分割するように構成されており、第１の流体導管の配列は、第１の流路を通って延びており、第２の流体導管の配列は、第２の流路を通って延びている。
【０００９】
また、本発明は、有利には、ハウジングおよび第１の流体通路を有する底モジュール、および貫通して延びている追加の流体通路を有し、且つ加熱器部分と、ボイラー部分と、プレヒータ部分とを有している頂モジュールを提供する。頂モジュールおよびその中の流体通路は、頂および底モジュールを通る自然のドラフトを生じ、それにより熱交換器の内側の圧力を減少させるために通路を通って流れる加熱された流体の浮力を有利に使用する垂直構成を有している。理想的には、改質器ハウジングの内側に真空が達成される。この効果は、また、排気ファンの追加で補足されることができる。
【００１０】
また、本発明は、方向転換手段と、すべての作動モード中にプロセス温度の正確な動的制御を容易にするための使用方法を提供する。また、本発明は、米国特許第６，６２３，７１９号の方法と比較して、改良された熱回収を容易にするために、本発明の反応器または米国特許第６，４９７，８５６号の反応器に密接に機械的に一体化され得る熱回収空気プレヒータを提供する。改良熱回収手段を独立的に或いはより好ましくは空気方向転換手段と関連して作動する方法が提供される。
【００１１】
本発明のより完全な理解およびその付随の利点は、特に添付図面と関連して考察されると、下記の詳細な説明に関して容易に明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
添付図面を参照して本発明の実施の形態を以下に説明する。下記の説明では、同じ機能および構成を有する構成要素は、同じ参照符号により示され、必要なときだけ、繰り返しの説明をする。
【００１３】
図１は、第１の管状熱交換器コア３０と、第２の管状熱交換器コア４０とを有する底モジュール２０を備えている熱交換器１０を示している。第１のコア３０は、第１の管板５０と第２の管板６０との間に密封状に連結されているほぼ平行な導管即ち、管の配列３２を有している。第２のコア４０は、第１の管板５０と第２の管板６０との間に密封状に連結されているほぼ平行な導管即ち、管の配列４２を有している。第１の流体が、第１の管板５０に隣接して設けられた複数の入口マニホールド５１のうちの１つから管の配列３２および管の配列４２の管を通って流れ、そして第２の管板６０に隣接して設けられた複数の第２のマニホールド６１のうちの１つから流出する。マニホールド５１、６１は、図２Ａでは、マニホールド５２、６２に連結されたものとして示されているが、変更例として、これらのマニホールドは、夫々の管板に密封状に取付けられた１つまたはそれ以上の室であることができる。本発明のこの実施の形態では、管の配列３２、４２の管の１つまたはそれ以上の列が、単一の入口マニホールド５１および／または単一の出口マニホールド６１に取り付けられることができる。例えば、管の配列３２における管の２つの列は、単一の入口マニホールド管５１および単一の出口マニホールド管６１に流体連結されることができる。
【００１４】
管の配列３２、４２には、流れ差し向けバッフル、即ちプレート３４、３６が管の外面に設けられており、これらのバッフル、即ちプレート３４、３６は、第２の流体を管の配列３２、４２の軸線とほぼ垂直に流すのに使用される。第１の流体を搬送する管の配列を横切る第２の流体の交差流の幾つかの連続段を生じるために、１つまたはそれ以上のバッフル３４、３６が設けられてもよい。バッフル３４、３６は、底モジュール２０を通る第２の流体の蛇行流をもたらすように構成されている。バッフル３４は、底モジュール２０の中央部分を横切って延びており、そして底モジュール２０の外側部に流れの隙間３５をもたらす。バッフル３６は、２つのバッフル３６が底モジュール２０内に同じ高さに設けられて、これらの２つのバッフル３６が底モジュール２０の側部から内方に延びて中央の流れの隙間３７をもたらすように構成されている。かくして、第２の流体は、図１に流れの矢印で示されるように、２つの方向に分かれるように差し向けられてバッフル３４のまわりに流れて流れの隙間３７を通り、次いで中央部分のところで再合流し、そして中央の流れの隙間を通って流れる。図１におけるバッフル３４、３６は、好適な矩形の平面形状のものである。図１の管の配列３２、４２は、同様に矩形であるが、本発明は、矩形の平面形状を有する管の配列およびバッフルに何ら限定されなく、所望の任意の平面形状を備えることができる。
【００１５】
底モジュールは、入口１１０から出口１２０まで延びている下側流通路８０と、入口１４０から出口１５０まで延びている上側流通路９０とを有している。下側流通路８０において、第２の流体の流れは、管の配列３２、４２の間の中央部分に位置されている入口１１０を通って入る。バッフル３４は、このバッフル３４の一方の側部のまわりに第１の流路８２が生じられ、このバッフルの他方の側部のまわりに第２の流路８４が生じられるように、下側流通路８０内の第２の流体を分割する。第１の流路８２に沿って移動する第２の流体の部分は、管の配列３２を通って差し向けられ、第２の流路８４に沿って移動する第２の流体の部分は、管の配列４２を通って差し向けられる。第１の流路８２に沿って移動する第２の流体の部分および第２の流路８４に沿って移動する第２の流体の部分は、中央の位置で合流し、そして出口１２０を通って出て行く。上側流通路９０において、第２の流体の流れは、管の配列３２、４２の間の中央部分に位置されている入口１４０を通って入る。バッフル３４は、このバッフル３４の一方の側部のまわりに第１の流路９２が生じられ、このバッフルの他方の側部のまわりに第２の流路９４が生じられるように、上側流通路９０内の第２の流体を分割する。第１の流路９２に沿って移動する第２の流体の部分は、管の配列３２を通って差し向けられ、第２の流路９４に沿って移動する第２の流体の部分は、管の配列４２を通って差し向けられる。第１の流路９２に沿って移動する第２の流体の部分および第２の流路９４に沿って移動する第２の流体の部分は、中央の位置で合流し、そこで流れの分離が繰返される次の高さまで隙間３７を通って上方に移動する。
【００１６】
図１は、米国特許第６，４９７，８５６号（その全体がここに組み入れられる）の流れ構成をもたらすように構成された熱交換器コアを示している。バッフル３４、３６は、単純な向流即ち、平行流熱交換のような任意の種類の所望の流れパターンを達成するように配置されることができる。図１に示される流れ構成では、第２の流体の流れは、密封帯域７０により２つの別々の流通路に分割される。図１では、耐火性フェルトガスケットの密封方法が、下側流通路８０と上側流通路９０との間の密封帯域７０に用いられている。第２の流体は、空気を含む第２の流体への燃料の添加およびその結果生じた混合物の燃焼のような或る中間処理の後にこれらの通路の両方を通って流れてもよいし、或いは異なった第３の流体が、これらの通路のうちの一方において流れてもよい。いずれの場合でも、流通路８０、９０における流れの流体圧力が異なり、かくして密封帯域７０の前後に圧力勾配が存在すると言うことがありそうに思われる。
【００１７】
なお、伝熱面積を増大し、腐食に対して保護し、且つ管に対する機械的支持を行なうために、有利には、熱交換フィン３３、４３が、管の配列３２、４２における管の外面に設置されてもよい。これらの熱交換フィンは、管の配列３２の管のすべてを横切って延びているプレート、および管の配列４２の管のすべてを横切って延びているプレートであることができ、或いはフィンは、図１および図６に示されるように、管の配列３２、４２の管の１つまたはそれ以上の列における管のすべてを横切って延びているストリップ状プレート（即ち、「層状フィン」）７００よりなることができる。ストリップ状プレート７００は、交差流段の前後の熱勾配が管４２に有害な機械的応力を与えるのに十分に高い状況の場合に好適である。熱応力が損傷性でない状況では、熱交換器のための組立て時間および費用を減少させるために、好ましくは、単一のフィンにおいて非常に多数の管列が含まれる。図１に示される実施の形態では、管の配列３２、４２における管の列は、各々、底モジュール２０の頂部のところで（管状入口マニホールドとも称せられることができる）単一の管５１に連結されており、管５１のすべては入口マニホールド５２に連結されており、管の配列３２、４２における管の列は、各々、底モジュール２０の頂部のところで（管状出口マニホールドとも称せられることができる）単一の管６１に連結されており、管６１のすべては出口マニホールド６２に連結されている。管の配列３２、４２における管の各列が、各々、個々の管５１、６１に連結されているので、熱膨張の理由で、入口マニホールド５２および出口マニホールド６２に作用するいずれの応力をも個々の管５１、６１により減少させるために伝熱フィン用にストリップ状プレート７００を利用することが好適である。管板の平面における２つの軸線において異なる熱膨張応力を与える米国特許第６，４９７，８５６号の剛性の管板と比較して、本発明のマニホールド５１、６１は、一方の軸線のみにおいて異なる膨張応力を有利に及ぼす。かくして、少ない流れ迂回量では、米国特許第２００３／０１７３０６２Ａ１号に記載された熱膨張作用を減少させる方法が有利に用いられることができる。この利点の重要性は、熱交換器の物理的寸法が増大するにつれて高まる。
【００１８】
図１で明らかな１つの特徴は、バッフルプレートの種々の寸法である。バッフルプレート３４、３６は、管と平行な第２の流体の流れを防ぐが、隙間３５、３７を通るこの方向の流れを許容する。密封帯域７０のいずれの側にも、全バッフルプレート７２、７４が設けられており、これらのバッフルプレート７２、７４は、管の配列３２、４２と平行な第２の流体のいずれの流れも防ぐ。図１に示されたバッフルプレート３４、３６、７２、７４のすべてには、小さい延出部分３８が形成されており（バッフルプレート３４の延出部分は図１に示されていないが、ハウジング１００の前側および後側に沿って延びている）、この延出部分３８は、バッフルプレートが隣接してハウジング部材に取付けられている各流体段における流通路およびフィン付き帯域の外側に延びている。延出部分３８は、耐火断熱に適合するために、且つ米国特許出願第１０／４３６，０６０号の方法のとおりに管路構造体のための熱膨張手段を設けるために設けられている。
【００１９】
図１および図２Ａは、シートカバーパン１０２のようなハウジング部材により構成されているハウジング１００を示している。本発明のハウジング１００は、漏れ無しの状態を達成することができる。ハウジング１００は、カバーパン１０２の隣接縁部が接合されている位置における生じられたフランジジョイントにより構成されている。また、フランジジョイントは、バッフル３４、３６の延出部分３８が隣接したカバーパン１０２の縁部間に挟まれている位置にも形成されている。フランジジョイント１０４は、溶接、ろう付け、接着剤接合、ロール形成または当業者にとって明らかな他の方法のような方法により本質的に流体不透過性にされることができる。組立体に作用する応力を除去し、且つバッフル、パンまたは両方の永久変形を防ぐためにカバーパンのフランジ付き縁部が熱膨張差下で弾性的に撓むようにカバーパンおよびバッフル３４、３６の縁部間の接合部のところでフランジジョイント溶接するか或いはロール形成することが特に有利である。本発明のこの実施の形態は、管の配列と平行な且つ管の配列に直交する弾性撓みに有利に対処している。
【００２０】
本発明の別の実施の形態では、カバーパン１０２のうちの１つまたはそれ以上が、ボルト、ねじ、または他の取外し可能な固定装置により取付けられてもよい。このような実施の形態では、隣接カバーパン１０２間、およびカバーパン１０２とバッフルプレート３４、３６の延出部分３８との間に固定密封部材を設けることが好ましい。この別の実施の形態の利点は、熱交換配列を含めて、熱交換器コアを点検したり清浄したりするために、カバーパンが取外され得ると言う点である。この特徴は、腐食または汚れの付着が高いと予期されるような或る熱交換器使用条件下で非常に望ましい。
【００２１】
本発明のカバーパン１０２は、作動条件と適合する任意の材料で製造されてもよい。しかしながら、金属シート素材からバッフルパンを構成することが好適である。その場合、フランジ特徴は、代表的なシート金属処理を使用して非常に容易に形成され、流体ジョイントが容易に構成されることができる。
【００２２】
図２Ａは、下側流通路８０の出口１２０と上側流通路９０の入口１４０との間に設けられたバーナー１３０を備えている図１の熱交換器を示している。下側流通路８０は、第２の流体を熱交換器に導入する入口１１０を有しており、上側流通路９０は、第２の流体を頂モジュール２００の中へ排出する出口１５０を有している。熱交換器１０は、オプションとして、第２のマニホールド６２からの加熱された第１の流体を使用して入口１１０の前で第２の流体を加熱するエアプレヒータ１６０を有することができる。このオプションの実施の形態では、第２の流体は低温空気入口１７０に入り、そして通路１７２に沿ってエアプレヒータ１６０まで、次いで入口１１０まで移動することができ、或いは第２の流体は低温空気入口１７０からバーナー１３０まで直接移動することができる。通路１７２、１７４に沿った第２の流体の流れは、弁１８０により制御され、これらの弁１８０は、例えば、これらの弁両方に連結された制御リンク仕掛け１８２を制御するように構成されたアクチュエータ、または弁１８０を独立的に制御するように構成された個々のアクチュエータにより制御される比例蝶形弁であることができる。弁１８０は、下側流通路８０の出口１２０から出る第２の流体の温度と、バーナー１３０に入る第２の流体の温度とを制御する。別の実施の形態では、これらの２つの弁は、通路１７２、１７４間の流れを連続的に調整する単一の弁と取り替えられてもよく、このような弁は当業界で知られており、仕切り弁またはセレクタ弁とさまざまに称せられている。他の別の実施の形態では、一方の通路に連続調整弁が設けられてもよく、他方の通路には、弁が設けられていない。この実施の形態では、系における圧力損失が有利に低減されるが、流量の変化の範囲が不利に減少される。この別の実施の形態は、２つの通路間の流量比の小さい動的範囲のみが望まれるような状況では好適であることもある。
【００２３】
本発明の１つの実施の形態では、熱交換器１０は、水素の導入のために用いられ、管３２、４２には、米国特許第６，４９７，８５６号に開示されているように、適切な触媒が設けられている。この実施の形態では、第１の流体は、米国特許第６，４９７，８５６号並びに米国特許第６，６２３，７１９号（これはその全体が参照によりここに組み入れられる）に開示されているように、接触非等温水気体シフト反応を受けた後に底モジュール２０の下側流通路８０に対応する帯域から出る。米国特許第６，４９７，８５６号および第６，６２３，７１９号の両方は、第１の流体が本質的に断熱の条件下で作動する水気体シフト反応器で更に反応され得ることを教示している。米国特許第６，４９７，８５６号では、この反応器は、任意に、下側流通路８０に対応する帯域の出口のところで管板に追加されてもよい。しかしながら、米国特許第６，４９７，８５６号の剛性に管板は、熱応力を熱硬化器に望ましくなく与え、その有効寿命を短くするか、或いは熱交換器における熱不釣合いの影響を和らげる幅広い手段を必要とする。第１の流体がマニホールド管６２から出た後の水気体シフト反応を行なうための別体の反応容器を設けることが有利である。この目的で適した反応容器および付随の連結部が当業者に公知である。
【００２４】
米国特許第６，４９７，８５６号および第６，６２３，７１９号により望ましく実施される更なる水気体シフト反応に引き続き、第１の流体は、蒸気の凝縮と関連された大量の感熱および潜熱を保持する。この熱が第２の流体により回収されると、米国特許第６，４９７，８５６号および第６，６２３，７１９号により水素を発生させるのに必要とされる流体の消費を望ましく減少させる。かくして、エアプレヒータを設けることにより、燃料の使用のこの減少を達成し、このエアプレヒータの設置は、燃料コストが高い場合、或いはＣＯ２のような副生物ガスの放出が望ましくない場合に望ましい。
【００２５】
図２Ａの実施の形態は、第１流体から回収された熱量と、少なくとも１つの他の箇所の温度との独立した制御を有利に考慮している。例えば、第２の流体が燃焼空気である水素発生器の場合、空気の流量が調整されてマニホールド管を通って下側流通路８０に対応した帯域を出る第１の流体の所望温度を達成し得る。この制御程度は、引き続く水気体シフト反応における反応条件の細調整を有利に可能にする。かくして、反応器の作動特性は、最も小さい寸法、最も多い水素の発生、最も低いメタン化率などを生じるように最適化され得る。バーナー１３０への燃料の流量を同時に変化させることにより、上側流通路９０に対応した上側蒸気改質帯域への入口１４０のところの火炎温度も制御され得る。これにより、管３２、４２が受ける最大温度の細制御を有利に許容し、かくして熱交換器の長い寿命を許容する。
【００２６】
温度の更なる制御は、種々の熱交換要素の伝熱容量を選択することにより有利に達成され得る。かくして、バーナー１３０への混合されたバーナー入口空気の温度は、バーナー組立体のための最大の許容可能な限度以下に調整され得る。上側流通路９０に対応する蒸気改質帯域への入口マニホールド５２における混合された蒸気および燃料の温度もまた、米国特許第６，４９７，８５６号および第６，６２３，７１９号の教示により性能を最適化するように調整され得る。これは、入口１４０のところの火炎温度と、水気体シフト温度を維持しながら、且つ適切な熱交換器の設計によりバーナー入口空気の温度を維持しながら、達成される。この程度のプロセス制御は、弁１８０を用いた水素発生器の非常に大きい作動安定性を許容し、そしてエアプレヒータが使用されようと、されないといずれにしても、有利に用いられる。かくして、制御弁１８０は、米国特許第６，４９７，８５６号および第６，６２３，７１９号に言明されているもののような好適なプロセス条件から著しく逸脱することなしに全設計流量以外の条件で作動されるべき本発明の水素発生器の驚くべき能力をもたらす。更に、本発明の調整弁およびエアプレヒータは、制限なしに関連技術の蒸気改質器および水気体シフト反応器と共に有利に使用され得る。
【００２７】
本発明の他の実施の形態では、調整弁１８０およびエアプレヒータ１６０を用いた水素発生器は、エアプレヒータにおける第１および第２の流体間で伝達される熱量が第１の流体における水蒸気の顕著な凝縮を引起こすのに十分でないように設計されている。この実施の形態は、水分離器における系から除去されたときの凝縮水の流出が望ましくないような状況では好適である。これは、凝縮水を回避するのに使用される弁の増大摩耗による相変化により発生される不快なノイズに起因しているか、或いは高温凝縮水を取り扱う際の不織または弁の耐久性の問題に起因している。また、付随のバーナーの空気入口の温度が許容可能な限度を超える条件下での凝縮を無くすように熱伝達を制限することが望ましいこともある。かくして、燃料使用量の節約が決定的要因である場合に、凝縮エアプレヒータにおける大きい熱伝達が好適であるが、他の状況は、非凝縮プレヒータの採用をより望ましくすることがある。エアプレヒータおよび下側流通路８０に対応する熱交換器帯域の伝熱面の特性は、当業者に公知である技術を使用して所望の熱束を達成するように選択される。
【００２８】
図２Ｂは、熱交換器の別の実施の形態を示している。図２Ｂに示された実施の形態は、この別の実施の形態がエアプレヒータ１６０と、低温燃焼空気入口１７０と、図２Ａの弁１８０とを有していないが、むしろ、入口１１０への簡単化連結部と、通路１２２を経た出口１２０とバーナー１３０との簡単化連結部を有していること以外、図２Ａの実施の形態と同じである。
【００２９】
本発明の調整弁は、始動、停止およびアイドリングの間の水素プラントの作動に特別な利点をもたらす。始動中、別の実施の形態２Ｂは、簡単化導管を通してすべてのバーナー空気を供給しなければならない。この空気流は、下側流通路８０に対応した帯域および引き続く水気体シフト反応器の温度を上昇させるために使用される第１の流体の望ましくなく高い量の熱を除去する。この熱除去は、第１の流体の通路内の甚だしい凝縮を引起こすことがある。この凝縮は、第１の流体の流れを望ましくなく妨げる。また、この凝縮は、使用されていれば、管３２、４２および続く水気体シフト反応器内に配置された触媒の物理的または化学的損傷を引起こすことがある。かくして、本発明の好適な実施の形態では、調整弁１８０を備えている水素プラントは、下側流通路８０に対応した帯域を通る第２の流体の流れを実質的に減少させ、かくして第１の流体の冷却を低減し、凝縮を減少させ、且つ始動に必要とされる時間を短縮し得る。
【００３０】
停止およびアイドリング中、調整弁は、第１の流体の温度を調整するために上記のように用いられる。装置作動詳細によっては、停止およびアイドリング条件は望ましくない高い即ち、低い温度の恐れをもたらすことがある。更に、第２の流体の供給の望ましくない逆流が生じることもある。調整弁の適切な使用により、これらの状態は完全に回避され得る。水素発生作動モードから高温アイドリング作動への変化においてプラントを作動する好適な方法は、通路１７２を通る流れを許容しながら、弁１８０を使用して上側通路１７４を通る流を阻止することである。入口１７０を通る空気の供給もまた終了される。この状態では、通路１７２、１７４間に加熱された空気の浮力は、弁または付随管への熱の望ましくない移動を引起こさない。その代わりに、通路１７２とプレヒータ２４０との間の静圧力差が、弁１８０を不当に加熱することなしにいずれの空気の流れをも通路１７２からプレヒータへ移動させる。
【００３１】
図のすべては、１つのパネルで多角形の管の配列の側面全体を覆うカバーパネルを示している。或る用途では、熱交換器コアの寸法と組合された使用圧力および温度により、１つまたはそれ以上の側面に多数の副パネルを設けることを望ましくする。これは、カバープレートの所定の厚さについての機械的応力を有利に減少させ、且つ追加の熱膨張接合部をもたらす。かくして、所定の位置に設けられるカバープレートの数および厚さは局部的な温度および応力条件を適合させるように変化されてもよい。
【００３２】
図１は、本発明の熱交換器密封帯域７０を示している。この密封帯域７０は、バッフルプレート７２、７４により規定されている。密封帯域７０は、耐火性フェルトシール７８および１つまたはそれ以上の膨張材料層７６を有している。下側流通路８０と上側流通路９０との間に圧力差が存在し、かくして耐火性フェルトシール７８が漏れおよび熱応力を減少させると言うことがありそうに思われる。
【００３３】
本発明は、好ましくは、上側流通路９０に入る流体が８００℃の膨張材料の使用限度以上の温度にあり、下側流通路８０から出る流体が膨張材料の使用限度未満であるときに特に有用である密封帯域を有している。この実施の形態では、バッフルプレート７２、７４間の隙間は、成形可能な耐火性繊維が入れられているか、或いはばらの耐火性繊維が詰められた耐火性フェルトガスケット７８のような耐火性材料の１つまたはそれ以上の層で埋められている。この耐火性材料は、初めに、管の配列３２、４２の管、バッフル７４およびハウジング１００の内面との密封接触状態で装着される。次いで、膨張材料７６の１つまたはそれ以上の層が、耐火性材料７８とバッフル７２との間に設けられる。膨張材料７６は、その過熱を防ぐために断熱体として作用する十分な耐火物７８により上側流通路９０から分離されている。２つのバッフルは、当業界で公知にように、管３２、４２と密接している延出熱交換フィンの層の間の機械的固定によるバッフル支持ロッドへの連結のような機械的手段により、或いは当業者に明らかな多の手段により本質的に固定された機械的関係に保持されている。
【００３４】
３００℃以上に加熱すると、膨張材料７６は、バッフル７２、７４の面と垂直に膨張する。この膨張により、耐火物７８を実質的な圧力にさらす。この圧力下では、耐火物７８が装着されたときより高い密度に圧縮される。更に、この圧力により、耐火物７８が、管の配列３２、４２の管およびハウジング１００の内面と向上密封接触される。かくして、ハウジング１００のカバープレートが本質的に固定されているので、管と平行な方向への膨張材料の膨張が耐火性フェルト材料７８に対する一様な圧力に変換される。
【００３５】
耐火性材料７８の厚さおよび膨張材料７６の量の選択は、この耐火物７８の所望の圧縮と、使用中の耐火物の予期される収縮と、膨張材料７６の膨張特性と、バッフル、パン（ハウジング）およびそれらの支持体の機械的強度とにより決定される。かくして、予期された熱交換器の正確な種類およびその作動条件に独特に適している多くの異なる組合せが可能である。
【００３６】
特に好適な膨張マット製品は、加熱されたガスを流すことにより腐食を阻止するように調製されている。かくして、本発明の固定された膨張シールは、本来、腐食による破損に対して耐性である。
【００３７】
底モジュール２０の上側流通路９０の出口１５０は、底モジュール２０の上方に設けられた頂モジュール２００のマニホールド部分２１０に連結されている。出口１５０は、好ましくは、スリップジョイント２０２により、或いは流体密封をもたらし、熱膨張差を受け入れ、そして装着部位で容易に連結される他の手段、例えば、布または金属ベローによりマニホールド部分２１０に連結されている。図１および図２Ａに示されるマニホールド部分２１０は、傾斜された側壁部２１２と、傾斜された前壁部２１４とを有している。この傾斜は、用いられた構成部品の寸法により示されており、本発明を何ら限定しようとするものではない。
【００３８】
出口１５０を出る第２の流体は、マニホールド部分２１０に入り、次いで過熱器２２０と、ボイラー部分２３０と、プレヒータ部分２４０とを通って移動し、次いで頂モジュール２００から出る。頂モジュール２００は、第１の流体が入口マニホールド５２に入る前に第１の流体を加熱するために底モジュールから出る加熱された第２の流体の熱を利用している。頂モジュール２００は、加熱された第２の流体の自然浮力の利点を得るために垂直に配向されているが、強制ドラフトを生じ、且つ底モジュール２０内の圧力を低減するために、任意の排気ファン２５０が頂モジュール２００の出口２４２に設けられることができる。かくして、第２の流体に関して、底モジュール２０内に真空が達成されることができる。
【００３９】
第１の流体は、プレヒータ部分２４０を通って延びている管２４４を経て液体として頂モジュール２００に入る。第１の流体は、プレヒータ部分２４０において第２の流体から熱を吸収し、次いで管２４６を経てプレヒータ部分２４０におけるボイラー２３２まで移動する。第１の流体は、ボイラー２３２において、そこで第２の流体から熱を吸収することにより液体からガスへ変態される。次いで、ガス状の第１の流体は、管２３４と経て過熱器部分２２０まで移動し、そこで第１の流体は、過熱器部分２２０を通る幾つかの通過を行なう管２２２に沿って移動する。次いで、第１の流体は、過熱器部分２２０から管２２４を経て入口マニホールド５２まで移動する。１つまたはそれ以上の追加の流体が、この工程における任意の時点で導入されてもよい。これらの流体は、液体またはガスであってもよい。本発明の１つの実施の形態では、追加の流体は水素発生のための炭化水素原料である。
【００４０】
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の頂モジュール２００および底モジュール２０用の容器の概略図を示している。これらの容器は、本発明の熱交換器１０を効率的に輸送したり、組み立てたりするための手段として使用される。頂モジュール２００用の容器３００が設けられており、この場合、頂モジュール２００は、製造プラントにおいて容器３００内に収容され、そして容器３００内で組立て箇所まで輸送される。同様に、底モジュール２０用の容器４００が設けられており、この場合、底モジュール２０は、製造プラントにおいて容器４００内に収容され、そして容器４００内で組立て箇所まで輸送される。容器３００、４００が組立て箇所に到達すると、底モジュール容器４００が適切な最終位置に位置され、次いで、頂モジュール容器３００が底モジュール容器４００の上に積重ねられる。好ましくは、頂モジュール容器３００および／または底モジュール容器４００には、図３Ｂに概略的に示される取付け特徴のような整合または取付け特徴が設けられる。頂モジュール容器３００を底モジュール容器４００に積重ねることにより、頂モジュール容器３００は、スリップジョイント２０２により底モジュール容器４００接合される。図示されていないが、また、排気ファン２５０が、これを容易に輸送して頂モジュール２００の頂部に組付けために使用されることができる輸送／組付け容器内に収容されることができる。
【００４１】
図４は、底モジュールの上側流通路からの２つの出口１５２を受け入れるようにマニホールドが変更された本発明の第２の実施の形態を示している。図４に示される実施の形態では、底モジュールから出る流れが図１に示される中央に位置された出口１５０からではなく、側部から出て移動するように、上側流通路における交差流段の数が変更されている。図４に示されるマニホールド部分５００は、概ね垂直な側壁部５１２を有しているが、壁部の傾斜は構成部品の相対寸法により示されており、制限するものではない。マニホールド部分５００は、好ましくは、スリップジョイント５０２により、或いは垂直熱膨張差を許容することができ、装着箇所で容易に連結される他の手段により底モジュールに連結されている。
【００４２】
図１および図４に示される実施の形態では、上側流通路９０への入口１４０に隣接した熱交換器の領域は、熱交換器内の最も高温な部分である。この高温領域では、補強された管６００の帯域を設けることが好ましい。図５は、図１からの補強された管６００の帯域の一部の拡大横断面図を示している。補強された管６００の帯域では、第１の管の配列３２および第２の管の配列４２の両方における管には、外側スリープ６０２が設けられており、この外側スリープ６０２は、そうでなければクリープ応力が管の破損を引起こすかも知れないこの高温帯域内の管の配列３２、４２の管に強度を加える。有利には、管３２、４２とスリーブとの間で剪断応力を伝達しなく、かくして熱交換器における全応力を減少させる。また、有利には、高い金属温度に耐えるのに必要とされる材料使用量を減少させる。また、有利には、管および支持スリープ用の異なる材料の使用を許容する。かくして、第２の流体の条件下における高い耐劣化性を有する材料が、支持スリーブ用に選択さ得、第１の流体の条件のために最適な材料が、管自身用に選択され得る。
【００４３】
本願では、第１の流体に対する熱伝達の降下なしに第２の流体の流量の減少を見込むためにバーナーの火炎温度を（米国特許第６，４９７，８５６号に記載の方法と比較して）１０５０℃と１２５０℃との間の範囲まで高めることが好適である。第２の流体の流量を減少させることによって、熱交換器と通る圧力降下が有利に減少される。流体の温度が非常に高い場合、熱伝達は、ほとんどすべて放射であり、かくして（圧力降下を増す）熱伝達フィンが必要ではない。かくして、本発明の好適な実施の形態の補強された管６００の帯域には、熱伝達フィンが示されていない。補強外側スリーブ６０２の使用は、第２の流体の温度が約９００℃より高い、好ましくは１０００℃より高いときに好適である。補強外側スリーブ６０２は、強制嵌合方法、急速液圧式または機械的膨張方法、または管の外面と補強外側スリーブの内面との間の締り嵌めを生じる他の方法を使用して管の配列３２、４２の管の外面に位置されることができる。
【００４４】
図７は、種々の断熱層およびシェルカーシングを備えている熱交換器の底モジュール２０のハウジングの横断面図を示している。本発明は、断熱用耐火性ボード８００の複数のブロックで構成された第１の断熱層を有している。耐火性ボード８００のブロックは、接着剤８０２、例えば、マスクテープによりカバーパン１０２の外面に一時的に取付けられることができる。耐火性ボード８００のブロックは、ハウジング１００の全体または実質的に全体の外面が耐火性ボード８００で覆われるように、カバーパン１０２の外面に取付けられる。接着剤８０２は、第１のケーシング８１０が耐火性ボード８００の外面およびハウジング１００に取付けられるまで、耐火性ボード８００を適所に保持するようになっている。第１のケーシング８１０は、耐火性ボード８００を適所に保持する。第１のケーシングは、好ましくは、留め具を使用して互いに接合される亜鉛めっきシート金属の複数のパネルで構成されている。
【００４５】
図７に示されるように、本発明は、また、断熱用耐火性ボード８２０の複数のブロックで構成された第２の断熱層を有している。耐火性ボード８２０のこれらのブロックは、第１の断熱層における耐火性ボード８００のブロックより大きく、そして、好ましくは、ボード８００間のいずれの隙間もボード８２０により覆われるように、第１の断熱層における耐火性ボード８００のブロックと重なっている。耐火性ボード８２０のブロックは、接着剤８２２、例えば、マスクテープにより第１のケーシング８１０の外面に一時的に取付けられることができる。耐火性ボード８２０のブロックは、第１のケーシング８１０の全体または実質的に全体の外面が耐火性ボード８２０で覆われるように、第１のケーシング８１０の外面に取付けられる。接着剤８２２は、第２のケーシング８３０が耐火性ボード８２０の外面およびハウジング１００に取付けられるまで、耐火性ボード８２０を適所に保持するようになっている。第２のケーシング８３０は、耐火性ボード８２０を適所に保持する。第２のケーシングは、好ましくは、留め具を使用して互いに接合される亜鉛めっきシート金属の複数のパネルで構成されている。
【００４６】
別の好適な実施の形態では、本発明は、単一のシェルケーシングを備えた１つまたはそれ以上の断熱層を有している。例えば、本発明は、好ましくは、接着剤によりカバーパン１０２の外面に一時的に取付けられる断熱耐火性ボードの複数のブロックで構成された第１の断熱層を有している。耐火性ボードのブロックは、ハウジング１００の全体または実質的に全体の外面が耐火性ボードで覆われるように、カバーパン１０２の外面に取付けられる。更に、断熱耐火性ボードの複数のブロックで構成された第２の断熱層が、これらが好ましくは第１の層における耐火性ボードのブロックと重なるように、接着剤を使用して第１の断熱層の外面に設けられている。必要に応じて、追加の断熱層、例えば、中間多孔性シリカまたはアルミナのような最も外側のガラス繊維マット層または高性能断熱層が設けられることができる。その場合、断熱層を適所に保持するために、最も外側の断熱層の外面には、外側ケーシングが設けられる。
【００４７】
本発明は、反応器をｎ＝２またはそれ以上の独立した管束に分割している。図１および図２Ａに示される実施の形態は、２つの管束３２、４２を有する構成を示しているが、本発明は、第２の流体の流れが共通の入口により供給され、そして共通の出口を共有する２つより多い束を有する実施の形態を意図している。独立した束の数を１つより覆い数に増やすことにより、本発明は、所定の管束を通って流れる第２の流体の速度を1／ｎだけ低下させる。所定の管束を通る第２の流体の流れの速度の低下は、底モジュールにおける第２の流体の圧力降下を５０％と７５％との間だけ減少させる。また、本発明は、入口１４０に隣接した２つのコア３０、４０の中間にバーナーボックスを設けることにより、米国特許出願第１０／４３６，０６０号からの張り出しバーナーボックスを除いている。火炎は、バーナーの重量を反応器から分離するために１つまたはそれ以上の弾性部材（例えばベロー）１３２により隔離されることができる、バーナー１３０から入口１４０に通じる管に十分に発現される。バーナー１３０は、支持フレームにしっかり取付けられることができる。
【００４８】
本発明は、有利には、改質器の内側の圧力を低下させるために、改質器／底モジュール２０、過熱器部分２２０、ボイラー部分２３０およびプレヒータ部分２４０を通る自然ドラフトと、排気通気ファン２５０からの任意の強制ドラフトとを生じるために加熱された第２の流体の浮力を利用している。この効果は、より大きいな「煙突高さ」を得るために図示のような要素の垂直配置により高められる。
【００４９】
なお、ここに図示されて説明された模範的な実施の形態は、本発明の好適な実施の形態を述べているが、本発明の請求項の範囲を何ら限定しようとするものではない。
【００５０】
以上の教示を考慮して、本発明の多くの変更例および変形例が可能である。従って、本発明の範囲内で、ここに詳細に説明された以外に、本発明が実施され得ることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の熱交換器の第１の実施の形態の正面横断面図である。
【図２Ａ】図１の熱交換器の頂および底モジュールの側面図である。
【図２Ｂ】熱交換器の別の実施の形態の側面図である。
【図３Ａ】本発明の頂モジュール用の容器の概略図である。
【図３Ｂ】本発明の底モジュール用の容器の概略図である。
【図４】本発明の熱交換器の第２の実施の形態の正面横断面図である。
【図５】図１からの補強された管の帯域の一部の拡大横断面図である。
【図６】熱フィンを有する管の配列の拡大横断面図である。
【図７】種々の断熱層およびシェルケーシングを備えた熱交換器の底モジュールのハウジングの横断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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