一种水蒸气发生器的制作方法

本发明涉及水蒸气生成的技术领域，特别是涉及一种水蒸气发生器。

背景技术：

水蒸气在sofc发电系统中具有非常重要的作用，主要表现在：进入重整器气流中水蒸气和碳的比例是重整中关键影响因素；进入燃料电池燃料流中稳定的水蒸气和碳的比例可以阻止碳沉积，延长sofc系统寿命；水蒸气的压力和流量会影响下游燃烧器内燃烧组分的变化，影响燃烧器的稳定运行。所以保持水蒸气流量的稳定和精确控制水蒸气与碳比例是sofc系统中水蒸气发生器设计的重要考虑因素。

现有技术中的水蒸气发生器存在液体流动沸腾发生过程中，水蒸气发生器内的膨胀空间不足供液态水蒸发为水蒸气，导致水蒸气发生器内的流道内的压力过大及流道内流量波动较大的技术问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种水蒸气发生器，用于解决现有技术中的水蒸气发生器存在的液体流动沸腾发生过程中，水蒸气发生器内的膨胀空间不足供液态水蒸发为水蒸气，导致水蒸气发生器内的流道内的压力过大及流道内压力和流量波动较大的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的实施例采用了如下技术方案：

本发明的实施例提供了一种水蒸气发生器，所述水蒸气发生器包括蒸发器板和换热结构，所述换热结构与所述蒸发器板相连接；

所述蒸发器板包括入口流道、出口流道和至少两条并行设置的蒸发流道，相邻所述蒸发流道的第一端相互连通，相邻所述蒸发流道的第二端相互连通，至少一条所述蒸发流道的第一端与所述入口流道相连通，至少一条所述蒸发流道的第二端与所述出口流道相连通，相邻所述蒸发流道之间设置有用于连通当前两条所述蒸发流道的连通器。

进一步地，所述水蒸气发生器还包括第一连接管，所述第一连接管与所述入口流道相连接，所述第一连接管上设置有节流装置。

进一步地，所述水蒸气发生器还包括入口分流器，所述入口分流器上开设有液态水入口，所述液态水入口一端与所述第一连接管相连通，所述液态水入口的另一端与所述入口流道相连通。

进一步地，所述节流装置的流阻与所述水蒸气发生器的流阻之比的范围为2:1至10:1。

进一步地，所述水蒸气发生器还包括第二连接管，所述第二连接管与所述出水口流道相连通，所述第二连接管上设置有稳压装置。

进一步地，所述水蒸气发生器还包括出口汇流器，所述出口汇流器上设置有水蒸气出口，所述水蒸气出口的一端与所述第二连接管相连接，所述第二连接管的另一端与所述出口流道相连通。

进一步地，所述蒸发流道至少三条时，所述连通器错位布置。

进一步地，所述水蒸气发生器还包括隔板，所述入口流道、所述出口流道和所述蒸发流道均开设在蒸发器板的表面上，所述隔板盖合在所述入口流道、所述出口流道和所述蒸发流道所在的表面上。

进一步地，所述换热结构包括第一键条、第二键条和翅片，所述蒸发器板包括第一蒸发器板和第二蒸发器板，所述入口分流器上还开设有热流体出口，所述出口汇流器上还热流体入口；

所述液态水入口分别连通所述第一蒸发器板的入口流道和所述第二蒸发器板的入口流道，所述水蒸气出口分别连通所述第一蒸发器板的出口流道和所述第二蒸发器板的出口流道；

所述第一键条、所述第二键条、所述入口分流器、所述出口汇流器、所述第一蒸发器板和所述第二蒸发器板相互连接形成换热腔，所述翅片置于所述换热腔内。

进一步地，所述换热结构还包括第三键条和第四键条；

所述第三键条置于换热腔内，所述第三键条的两端分别接触第一蒸发器板和第二蒸发器板，所述第三键条阻挡于所述液态水入口上；

所述第四键条置于换热腔内，所述第四键条的两端分别接触第一蒸发器板和第二蒸发器板，所述第四键条阻挡于所述水蒸气出口上。

相比于现有技术，本发明的实施例的有益效果在于：

本发明实施例提供的一种水蒸气发生器，所述水蒸气发生器包括蒸发器板和换热结构，所述换热结构与所述蒸发器板相连接；水从所述进口流道流入到所述连通流道内，通过换热结构对所述蒸发器板进行供热，使得水在蒸发器板上发生汽化，蒸发成为水蒸气，蒸发流道通过相邻所述蒸发流道的第一端相互连通，相邻所述蒸发流道的第二端相互连通的并联方式可减缓压力波动，能够预留足够的膨胀体积供发生汽化，所述连通器可以减缓由于不同并联的蒸发流道内相同时刻发生的沸腾状态不同，而导致流动阻力不同造成的压力波动；所述连通器起到压力再分配的作用，从而缓解整个水蒸气发生器的进出口的压力和流量波动。蒸发器板上的并联连通的蒸发流道和连通器的组合既可以给蒸发器板留足够的膨胀体积，解决压力和流量波动问题，又让单位体积内有较大的传热面积，解决了水蒸气发生器紧凑度问题。有效的解决了现有技术中的水蒸气发生器存在的液体流动沸腾发生过程中，水蒸气发生器内的膨胀空间不足供液体蒸发为水蒸气，导致水蒸气发生器内的流道内的压力过大及流道内流量波动较大的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种水蒸气发生器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种水蒸气发生器的爆炸图；

图3是本发明实施例提供的一种水蒸气发生器的第一蒸发器板的结构示意图。

其中：

100、蒸发器板；110、第一蒸发器板；111、入口流道；112、蒸发流道；113、出口流道；120、第二蒸发器板；210、入口分流器；211、液态水入口；212、热流体出口；220、出口汇流器；221、水蒸气出口；222、热流体入口；231、隔板；241、第一键条；242、第二键条；251、第三键条；300、第一连接管；301、节流装置；400、第二连接管；401、稳压装置；500、热端翅片。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，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申请实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可更换连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种水蒸气发生器的结构示意图；

如图1、图2和图3所示，所述水蒸气发生器包括蒸发器板100和换热结构，所述换热结构与所述蒸发器板100相连接；

所述蒸发器板100包括入口流道111、出口流道113和至少两条并行设置的蒸发流道112，相邻所述蒸发流道112的第一端相互连通，相邻所述蒸发流道112的第二端相互连通，至少一条所述蒸发流道112的第一端与所述入口流道111相连通，至少一条所述蒸发流道112的第二端与所述出口流道113相连通，相邻所述蒸发流道112之间设置有用于连通当前两条所述蒸发流道112的连通器。

所述蒸发器板100上的所述入口流道111、所述出口流道113、所述蒸发流道112和所述连通器可以为开设在所述蒸发器板100内的槽，可以将所述入口流道111、所述出口流道113、所述蒸发流道112和所述连通器设置在所述蒸发器板100内，为了能够更加方便加工、节约成本和提升制造效率，所述水蒸气发生器还包括隔板231，所述入口流道111、所述出口流道113、所述蒸发流道112和所述连通器均为开设在蒸发器板100的表面上的凹槽，所述隔板231盖合在蒸发器板100设有所述入口流道111、所述出口流道113、所述蒸发流道112和所述连通器所在的表面上。通过隔板231来进行将所述所述入口流道111、所述出口流道113和所述蒸发流道112盖封住，使水汽化过程在蒸发器板100内进行。本实施例中的蒸发器板100具体为，所述蒸发器板100包括五条蒸发流道112，所述五条蒸发流道112平行等间隙的排布在所述蒸发器板100的表面上，五条蒸发流道112为第一蒸发流道112、第二蒸发流道112、第三蒸发流道112、第四蒸发流道112和第五蒸发流道112，所述第一蒸发流道112一端连通入口流道111，另一端连通出口流道113，所述第一蒸发流道112位于所述蒸发器板100表面的中间，所述第二蒸发流道112并联在所述第一蒸发流道112上，所述第三蒸发流道112并联在所述第二蒸发流道112上，所述第四蒸发流道112并联在所述第一蒸发流道112上，所述第五蒸发流道112并联在所述第四蒸发流道112上。在实际中，所述蒸发器板100上的蒸发流道112还可以为其他的数量，可以通过并行且通过并联的方式布置在所述蒸发器板100的表面上。

蒸发器板100上入口流道111、出口流道113、蒸发流道112和连通器均为细通道，以达到紧凑高效的进行液态水的汽化蒸发，入口流道111、出口流道113和蒸发流道112的通道的当量直径≧200um，优选值为200um-4000um，通常通道小于200um属于微通道，微通道与细通道、常规通道的换热机理不同，细通道形式的水蒸气发生器在单位体积内具有较高的换热面积，一般为200m²/m³-5000m²/m³，因此单位体积能进行换热的热负荷较高。

在所述水蒸气发生器工作的过程中，水从所述进口流道流入到所述连通流道内，通过换热结构对所述蒸发器板100进行供热，使得水在蒸发器板100上发生汽化，蒸发成为水蒸气，蒸发流道112通过相邻所述蒸发流道112的第一端相互连通，相邻所述蒸发流道112的第二端相互连通的并联方式可减缓压力波动，能够预留足够的膨胀体积供发生汽化。

所述连通器同样为所述蒸发器板100上的凹槽，用于连通相邻的所述蒸发流道112之间设置有用于连通当前两条所述蒸发流道112；所述连通器可以减缓由于不同并联的蒸发流道112内相同时刻发生的沸腾状态不同，而导致流动阻力不同造成的压力波动；所述连通器起到压力再分配的作用，减少蒸发器板100内不同蒸发流道112之间的压力差从而缓解整个水蒸气发生器的进出口的压力和流量波动。蒸发器板100上的并联连通的蒸发流道112和连通器的组合既可以给蒸发器板100留足够的膨胀体积，解决压力和流量波动问题，又让单位体积内有较大的传热面积，解决了水蒸气发生器紧凑度问题。

其中，所述蒸发流道112至少三条时，所述连通器错位布置。将所述连通器进行错位布置有利于各蒸发流道112内流量以阶梯式进行再分配，利于各蒸发流道112内的流量相对均匀，减小局部压力和流量波动，从而减小对全局压力和流量波动的影响。

其中，蒸发流道112每隔5-30mm的距离布置一段连通器，连通器要交错布置，理论上复数个蒸发管间相邻的两根连通器之间的距离至少5mm以上才算交错布置，所以每条蒸发流道112的相邻两根连通器的距离至少5mm以上。当大于30mm时，局部压力和流量波动对全局压力和流量波动的影响较大。

所述换热结构可以为多种，可以直接将蒸发器板100放到通有热源的管道里面对蒸发器板100进行换热，实现蒸发器板100上的水发生汽化，也可以将输出热源的管道与所述蒸发器板相连接，例如，将所述热源管道贴附于蒸发器板100的背面，从而实现对蒸发器板100进行换热，或者通过电加热等方式都可以实现蒸发器板100上的水发生汽化的结构。

所述水蒸气发生器还包括入口分流器210和第一连接管300，所述入口分流器210上开设有液态水入口211，所述液态水入口211一端与所述第一连接管300相连通，所述液态水入口211的另一端与所述入口流道111相连通；所述水蒸气发生器还包括出口汇流器220和第二连接管400，所述出口汇流器220上设置有水蒸气出口221，所述水蒸气出口221的一端与所述第二连接管400相连接，所述第二连接管400的另一端与所述出口流道113相连通。

所述换热结构包括第一键条241、第二键条242和翅片500，所述蒸发器板100包括第一蒸发器板110和第二蒸发器板120，所述入口分流器210上还开设有热流体出口212，所述出口汇流器220上还热流体入口222；

所述液态水入口211分别连通所述第一蒸发器板110的入口流道111和所述第二蒸发器板120的入口流道111，所述水蒸气出口221分别连通所述第一蒸发器板110的出口流道113和所述第二蒸发器板120的出口流道113；

所述第一键条241、所述第二键条242、所述入口分流器210、所述出口汇流器220、所述第一蒸发器板110和所述第二蒸发器板120相互连接形成换热腔，所述翅片500置于所述换热腔内；

所述热流体出口212与所述热流体入口222均连通所述换热腔。

所述第一键条241的一端连接在所述连通板靠近所述第一蒸发器板110的侧面上，所述第一键条241的另一端连接在所述第二蒸发器板120靠近所述第一蒸发器板110的侧面上，所述第二键条242的一端连接在所述连通板靠近所述第一蒸发器板110的侧面上，所述第二键条242的另一端连接在所述第二蒸发器板120靠近所述第一蒸发器板110的侧面上，所述第一键条241与所述第二键条242分别夹持于所述第一蒸发器板110和所述第二蒸发器板120之间，从而形成所述换热腔。

所述液态水入口211用于进液体水，所述水蒸气出口221用于出水蒸气，所述热流体出口212用于进热气或者是高温液体，所述第四通孔用于出热气或者高温液体，所述液态水入口211可以为通过在所述入口分流器210上开设的两个分别对应于第一蒸发器板110和第二蒸发器板120的小孔，为了也可以设置一个大的连通孔，所述液态水入口211可以直接连通到第一蒸发器板110的入口流道111和第二蒸发器板120的入口流道111内，通过将所述液态水入口211中间换热腔内的部分堵塞住，同样也能够实现所需要的液态水入口211连通的效果，本实施例中所采用的是：所述换热结构还包括键条251和第四键条；

所述键条251置于换热腔内，所述键条251的两端分别接触第一蒸发器板和第二蒸发器板，所述键条251阻挡于所述液态水入口211上；

所述第四键条置于换热腔内，所述第四键条的两端分别接触第一蒸发器板110和第二蒸发器板120，所述第四键条阻挡于所述水蒸气出口221上。

其中，为了实现减小以及减少水蒸气发生器入口之前连接管的可压缩空间，阻止液体回流，所述第一连接管300上设置有节流装置301；所述节流装置301包括节流阀和毛细管。通过所述节流装置301，提供足够的流阻，以阻止液态水在沸腾膨胀过程中产生的压力，让在蒸发器板100上的液态水发生回流的现象。

其中，为了更好的实现所述节流装置301减轻或消除回流现象，所述节流装置301的流阻与所述水蒸气发生器的流阻之比的范围为2:1至10:1，可以实现水蒸气发生器最小化和消除回流的现象。所述水蒸气发生器的第一连接管300上设置的节流装置301最好限制流动状态为层流状态，通过雷诺数re进行判断(2300)，以实现调整到合适的流通横截面积，从而实现节流装置301的压降和流量成线性关系。所述节流装置301采用该范围的半径，节流装置301内部流动处于层流状态而不是湍流。

为了进一步减小水蒸气发生器输出的水蒸气的流量的和压力的波动，所述第二连接管400上设置有稳压装置401。所述稳压装置401优选为稳压罐，所述稳压装置401既可以用三通管安装在所述第二连接管400上，也可以串联直接在第二连接管400中，若想进一步减小sofc发电系统的体积，稳压罐可以和后端燃气混合的预混器或预重整器做成一体式结构。通常稳压罐容积的大小通常与水蒸气发生器容积、水的流量和水被加热的方式有关，其容积与水蒸气发生器容积相比，范围是10-100倍，最优值为30。稳压罐容积是被3个因素是互相耦合来影响的，30是sofc发电系统运行流量，加热方式下的值。

工作时，液体水通过连接管上的节流装置301调整流阻后进入到所述液态水入口211内，通过液态水入口211输入所述第一蒸发器板110和第二蒸发器板120上，所述热流体出口212通入高温烟气，高温烟气通过板翅结构、与所述第一蒸发器板110和第二蒸发器板120进行换热，所述第一蒸发器板110和第二蒸发器板120上的液态水通过入口流道111流入到蒸发流道112，在高温烟气的换热下，发生沸腾汽化，将液态水汽化为水蒸气，通过出口流道113流出至所述水蒸气出口221内，所述水蒸气出口221输出至所述第二连通管内，水蒸气流经所述第二连通管通过稳压装置401进行稳压后输入到sofc发电系统的重整装置内，所述换热后的高温烟气从所述热流体入口222内排出。

所述水蒸气发生器的蒸发器板100由适当材料制成以承受在运行过程中可能遇到的高温和高压。本实施例所采用的材料为不锈钢310s合金及相关的不锈钢合金。

设计出满足换热和体积要求的水蒸气发生器，根据该结构计算出水蒸气发生器内的压降并用实验进行校正，随后根据水蒸气发生器的压降确定节流装置301所需压降，根据工况所需的流量和节流装置301所需的压降来确定节流装置301的具体型式和尺寸。

水蒸气发生器内的所述蒸发器板100的入口流道111、出口流道113和蒸发流道112可以通过冲压，激光加工等方式制成，但需保证水蒸气发生器内蒸发流道112的一致性，比如直径，宽度，高度等参数。本实施例选择的宽度范围是0.5-3mm，高度是0.5-2mm，当量直径是指截面为其他形状时等效成圆管的直径，如使用的蒸发流道112为矩形截面的蒸发流道112，长为a，宽为b，当量直径＝2ab/(a b)，其他多边形需要计算水力半径，4倍水力半径＝当量直径。

根据本实施例中提供水蒸气发生器的进行实际实验得到下述比对表，其中，比对例是以并联蒸发流道112为基础进行比较；

由上可知，在并联蒸发流道中，增加节流装置301、连通器和稳压装置401中任一或多个装置，都能够使得水蒸气发生器的波动幅度发生较大的改变，而且通过增加连通器能够实现单位体积的换热面积的增大。

本实施例提供的所述水蒸气发生器与现有技术相比具有的优势在于，该水蒸气发生器既能提供稳定的压力和水蒸气流量，结构又比较紧凑，相同热负荷下，体积约为传统水蒸气发生器体积的1/2-1/3，而且水蒸气发生器既具有足够的汽化膨胀空间让压力波动幅度小，又有足够的换热面积以提高水蒸气发生器的紧凑度。

通过所述节流装置301在不同流量下发生流动沸腾时都有很好抑制回流的效果。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。