DE10013437C1 - Folienpaket für einen aus Folien aufgebauten Verdampfer - Google Patents
Folienpaket für einen aus Folien aufgebauten VerdampferInfo
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Abstract
Eine Folie dient für einen aus Folien aufgebauten, insbesondere zweigängigen, Verdampfer zur Überführung eines flüssigen Medien-Massenstroms in einen gasförmigen Medien-Massenstrom, mit beheizbaren Folienpaketen. Jedes der Folienpakete weist wenigstens eine von dem Medium durchströmte Folie sowie wenigstens eine weitere Folie auf. Jedes Folienpaket weist einen Eintrittsbereich für das flüssige Medium und einen Austrittsbereich für das gasförmige Medium auf. Der Austrittsbereich ist dabei derart ausgebildet, daß ein Druckgradient in dem Medium über die wenigstens annähernd gesamte Breite des Austrittsbereichs deutlich kleiner ist als ein Druckgradient in dem Medium über die wenigstens annähernd gesamte durchströmte Länge der Medienfolie. Der Austrittsbereich ist beheizbar.
Description
Die Erfindung betrifft ein Folienpaket für einen aus
Folien aufgebauten, insbesondere zweigängigen, Ver
dampfer zur Überführung eines schlüssigen Medien-
Massenstroms in einen gasförmigen Medien-Massenstrom
nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definier
ten Art.
Ein entsprechender, in vergleichbarer Weise aus Folien
aufgebauter eingängiger Verdampfer ist in der DE 44 26 692 C1
beschrieben. Die dort beschriebene, zweistufige
Verdampfereinheit dient zum Überführen eines in Abhän
gigkeit einer Lastvorgabe einstellbaren flüssigen Re
aktand-Massenstroms in einen gasförmigen Reaktand-
Massenstrom, wobei der flüssige Reaktand-Massenstrom
mit Hilfe eines Wärmeträgermediums in einer ersten
Stufe zumindest teilweise verdampft und in einer zwei
ten Stufe gegebenenfalls vollständig verdampft und
anschließend überhitzt wird. Dabei wird vorgeschlagen,
daß die Verdampfereinheit durch abwechselndes Aufeinanderstapeln
von Folien mit Wärmeträgerkanälen und von
Folien mit Reaktionskanälen ausgebildet ist, und daß
jeweils zumindest eine erste und eine zweite Stufe in
einer Folie integriert sind, wobei die erste Stufe als
Kanal mit minimierter Querschnittsfläche an der sich
direkt an die Zuströmleitung anschließt ausgebildet
ist, und daß die erste Stufe bei hohen Wärmeübergangs
zahlen betrieben wird, und weiter daß der Gesamtquer
schnitt der Reaktionskanäle in der zweiten Stufe in
Strömungsrichtung zunimmt.
Üblicherweise wird bei derartig aufgebauten Verdamp
fern der verdampfte Reaktand-Massenstrom aus jeder der
Reaktions- bzw. Medienfolien in einen gemeinsamen Sam
melraum im Austrittsbereich austreten und von dort
wird über eine Austrittsleitung der gasförmige Re
aktand-Massenstrom abgeleitet. In dem im Austrittsbe
reich angeordneten Sammelraum kann es dabei zu einer
Durchmischung der aus den jeweiligen Reaktionsfolien
strömenden Reaktand-Massenströmen kommen, so daß am
Ausgang ein vergleichsweise gleichmäßig verdampfter
Reaktand-Massenstrom vorliegt.
Dennoch weist eine derartige Verdampfereinheit den
Nachteil auf, daß nicht sicher bestimmt werden kann in
welchem Bereich der in die Folie eingebrachten Kanäle
die eigentliche Verdampfung stattfindet, wodurch eine
gleichmäßige Verteilung des zu verdampfenden Reaktand-
Massenstroms in jeder der Folien selbst in nachteili
ger Weise beeinflußt wird. Dieser Nachteil kann zwar
durch die oben beschriebene Vermischung in dem Sammel
raum teilweise aufgehoben werden, für die Effizienz
und die bestmögliche Leistungsübertragung in der Ver
dampfereinheit wäre es jedoch wünschenswert, eine
gleichmäßige Verteilung bereits in jeder der Folien zu
bekommen. Ansonsten ist nämlich auch insgesamt mit
sehr ungleichmäßig erwärmten bzw. verdampften Re
aktand-Massenströmen zu rechnen, welche in Teilberei
chen des Verdampfers bereits überhitzt werden, wobei
in anderen Teilbereichen und gegebenenfalls auch im
Ausgangsbereich noch flüssige Tröpfchen in dem Re
aktand-Massenstrom vorliegen. Im schlimmsten Fall kön
nen sich deshalb "kalte Kanäle" in der Verdampferein
heit ausbilden durch welche vergleichsweise kalte,
gegebenenfalls sogar flüssige Anteile des Reaktand-
Massenstroms durch die Verdampfereinheit gelangen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine ideale und
daher gleichmäßige Verteilung des zu verdampfenden und
des verdampften Mediums insbesondere im Austrittsbe
reich der Folien eines aus Folien aufgebauten Verdamp
fers zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn
zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale
gelöst.
Dadurch, daß der Druckgradient in dem Medium aufgrund
der Tatsache, daß der durchströmte Querschnitt über
die wenigstens annähernd gesamte Breite des Austritts
bereichs deutlich größer ist als über die durchströmte
Länge der Medienfolie, deutlich kleiner ist, als der
Druckgradient über die durchströmte Länge der Medien
folie, wird eine sehr gleichmäßige Verteilung des ver
dampften Mediums in dem Austrittsbereich erreicht.
Letztlich wird dies auch dadurch in besonders vorteil
hafter Weise unterstützt, daß der Austrittsbereich
beheizbar ist.
Durch die sehr gleichmäßige Verteilung des Mediums
über den gesamten Bereich, inbesondere über die gesam
te Breite des Austrittsbereichs, welche durch den dort
erheblich kleineren Druckgradienten als der Druckgra
dient über die durchströmte Länge, erreicht wird, kann
sichergestellt werden, daß sich das Medium in dem Aus
trittsbereich sehr gleichmäßig verteilt, und daß keine
Totzonen entstehen, in denen keine oder nur eine sehr
geringe Medienströmung vorliegt. Damit kann erreicht
werden, daß auch in dem in Strömungsrichtung direkt
vor dem Austrittsbereich angeordneten Bereich der Me
dienfolie eine gleichmäßige Strömung und damit eine
gleichmäßige Ausnutzung der zur Verfügung stehenden
Energie stattfindet, da es hier nicht durch sich im
Austrittsbereich sammelndes, stehendes Medium zu einem
"Rückstau" in dem Bereich der Medienfolie kommen kann.
Außerdem wird der Austrittsbereich in dem beheizten
Bereich der Medienfolien angeordnet, so daß der Aus
trittsbereich über die reine Funktion eines Sammel
raums hinausgeht und eine Durchmischung der über die
Breite der jeweiligen Medienfolie austretenden gasför
migen Medienanteile in dem beheizten Austrittsbereich
erfolgen kann. Damit kommt es zu einer sehr gleichmä
ßigen Verteilung des in der jeweiligen Folie verdamp
fenden Mediums, bevor dieses die Folie in einen Sam
melraum verläßt welcher dann mehrere derartige Folien
und eine Austrittsleitung miteinander verbindet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand
der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungs
beispiel.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil eines zwei
gängigen Verdampfers, und
Fig. 2 einen prinzipmäßigen Schnitt gemäß der Linie
II-II in Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Folienpaket 1 eines in seiner Ge
samtheit nicht dargestellten Verdampfers erkennbar.
Der Verdampfer ist hier zweigängig aufgebaut. Dies
bedeutet, daß der Verdampfer wenigstens zwei getrennte
Eingänge für zwei Medien-Massenströme aufweist, ent
sprechend weist hier jedes der Folienpakete 1 eine
erste Medienfolie 2 und eine zweite Medienfolie 3 auf.
Zwischen den beiden Medienfolien 2, 3 ist hier eine
Zwischenfolie 4 angeordnet. Diese drei Folien 2, 3, 4
sind dann zu dem Folienpaket 1 zusammengefaßt.
Auf wenigstens zwei Seiten des Folienpakets 1 sind
dann weitere Räume 5 in denen einen Heizmedium strömt
oder in denen die thermische Energie zur Beheizung der
Folienpakete 1 in irgendeiner anderen Art, beispiels
weise durch eine katalytische Verbrennung oder der
gleichen, zur Verfügung stellt wird. Ein denkbarer
Aufbau wäre beispielsweise das abwechselnde Übereinan
derstapeln von Folienpaketen 1 und Räumen 5, wie dies
hier ansatzweise dargestellt ist.
Die erste Medienfolie 2 weist einen der Verdampfung
und/oder Überhitzung des ersten Medienstroms dienenden
Verdampfungsbereich 6 auf, an welchen sich in der
Strömungsrichtung des Medienstroms ein Ausgangsbereich
7 anschließt. Der Verdampfungsbereich 6 weist dabei
Strukturen, Kanäle, Gänge oder dergleichen auf, die
hier nicht explizit dargestellt sind, da sie an sich
bekannt und für die Erfindung von untergeordnetem In
teresse sind. Der Ausgangsbereich 7 der ersten Medien
folie 2 kann, muß jedoch nicht, frei von derartigen
Strukturen sein.
Einen vergleichbaren Aufbau zeigt die zweite Medienfo
lie 3 welche ebenfalls einen Verdampfungsbereich 8 und
einen Ausgangsbereich 9 aufweist.
Im Bereich des Ausgangsbereichs 7 der ersten Medienfo
lie 2 ist in der Zwischenfolie 4 eine Öffnung 10 ange
ordnet. Durch diese Öffnung 10 und eine Vertiefung 11
in der zweiten Medienfolie 3 ergibt sich somit eine
starke Querschnittsvergrößerung im Bereich des Aus
gangsbereichs 7, im Vergleich zu dem Verdampfungsbe
reich 6. Dieser Bereich der Querschnittsvergrößerung,
welcher in hier dargestelltem Ausführungsbeispiel aus
dem Ausgangsbereich 7, der Öffnung 10 und der Vertie
fung 11 besteht, bildet in seiner Gesamtheit einen
Austrittsbereich 12 für den Medien-Massenstrom in der
ersten Medienfolie 2. Durch die Querschnittsvergröße
rung wird sich im Bereich des Austrittsbereichs 12,
ein weitaus geringerer Druckgradient einstellen als
dies über die Lauflänge des Medienstroms in dem Ver
dampfungsbereich 6 der Fall ist.
In der zweiten Medienfolie 3, deren Verdampfungsbe
reich 8 hier eine geringere Lauflänge aufweist als der
Verdampfungsbereich 6 der ersten Medienfolie 2, ist
eine derartige Vergrößerung des Querschnitts im Be
reich des Ausgangsbereichs 9 aufgrund von technischen
Gegebenheiten, welche die Erfindung nicht betreffen
und welche hier nicht weiter erläutert werden sollen,
nicht erwünscht. Prinzipiell wäre es jedoch auch hier
denkbar, beispielsweise durch das Einbringen einer
punktiert angedeuteten Vertiefung 13 in die Zwischen
folie 4, einen dem Austrittsbereich 12 vergleichbaren
Bereich zu schaffen.
In Fig. 2 ist nun ein prinzipmäßger Schnitt durch die
erste Medienfolie 2 bzw. eine Draufsicht auf die dar
unter angeordnete Zwischenfolie 4 erkennbar. Dabei ist
der Austrittsbereich 9 der zweiten Medienfolie 3 ver
deckt angedeutet. Er mündet in einen mit der zweiten
Medienfolie 3 korrespondierenden Sammelraum 14, wel
cher sämtliche zweiten Medienfolien 3 der Folienpakete
1 untereinander verbindet, und welcher mit einer Aus
trittsleitung (nicht dargestellt) für den zweiten Me
dienstrom korrespondiert.
In der ersten Medienfolie 2 ist der Verdampferbereich
6 erkennbar durch welchen der erste Medienstrom gemäß
der durch den Pfeil A angedeuteten Strömungsrichtung
strömt. Im Ausgangsbereich 7 der ersten Medienfolie 2
sind dann die Öffnung 10 und die darunter angeordnete
Vertiefung 11 in der zweiten Medienfolie 3, also der
Austrittsbereich 12, erkennbar. Dieser sich in seinem
Querschnitt vergrößernde Austrittsbereich 12 korre
spondiert mit einem Sammelraum 15, welcher wiederum
mit einer Austrittsleitung (nicht dargestellt) für den
ersten Medienstrom verbunden ist.
Der Austrittsbereich 12 verläuft dabei über die gesam
te Breite des Verdampfungsbereichs 6 der ersten Medi
enfolie 2, so daß sich über die gesamte Breite des
Folienpaktes 1 der stark verringerte Druckgradient
einstellen kann. Somit kann erreicht werden, daß es in
diesem Austrittsbereich 12 zu einem sehr geringen
Druckverlust und damit zu einer sehr gleichmäßigen
Verteilung des aus dem Verdampfungsbereich 6 strömen
den Mediums kommt.
Durch die gute Gleichverteilung wird außerdem ein
"Rückstau" der Strömung in den Verdampferbereich 6
verhindert, welcher ansonsten insbesondere in dem dem
Sammelraum 15 abgewandten Ende des Austrittsbereichs
12 bzw. des Verdampfungsbereichs 6 auftreten könnte.
Damit kann die gesamte Fläche des Verdampfungsbereichs
6 für die bestimmungsgemäße Aufgabe, nämlich die Über
führung des flüssigen Medien-Massenstroms in den gas
förmigen Medien-Massenstrom, genutzt werden, was
letztendlich eine bessere Leistungsübertragung je Flä
cheneinheit ermöglicht, und was wiederum zu einem
kleineren Gesamt-Bauraum des Verdampfers führen kann.
Auch erhöhte Materialspannungen durch einen sehr hohen
Temperaturgradienten im Bereich von stehendem Medium
in dem Folienpaket 1 können verhindert oder zumindest
reduziert werden.
Dadurch, daß der Bereich in dem Austrittsbereich 12,
in der Art in dem Folienpaket 1 angeordnet ist, daß
er, ebenso wie die Verdampfungsbereiche 6, 8 und der
Ausgangsbereich 9, in direktem wärmeleitendem Kontakt
mit den Räumen 5 zur Beheizung steht, wird erreicht,
daß der Austrittsbereich 12 durchgehend beheizt ist,
was ebenfalls die Bildung von "kalten" Totzonen der
Strömung des Medien-Massenstroms verhindert und die
gleichmäßige Verteilung und Durchmischung des Medien-
Massenstroms vor dem Eintreten in den Sammelraum 15
stark verbessert.
Selbstverständlich sind auch andere Bauformen eines
Folienpakets 1 möglich, welche den gleichen, oder ei
nen zumindest sehr ähnlichen Effekt erreichen würden.
Beispielsweise könnten in die Zwischenfolie im Bereich
der Ausgangsbereiche 7, 9 lediglich entsprechende Ver
tiefungen eingearbeitet und auf eine Öffnung 10 in der
Zwischenfolie 4 verzichtet werden, so daß auch eine
gleiche Lauflänge der Medien-Massenströme in den bei
den Medienfolien 2, 3 durchaus denkbar wäre.
Bei den eingesetzten Folien 2, 3, 4 kann es sich bei
spielsweise um dünne Platten bzw. Folien aus einem
hochlegierten Stahlwerkstoff handeln, in die die Ver
tiefungen 11 und die Strukturen in der Verdampfungsbe
reichen 6, 8 eingeätzt sind.
Claims (4)
1. Folienpaket für einen aus Folien aufgebauten, ins
besondere zweigängigen, Verdampfer zur Überführung
eines flüssigen Medien-Massenstroms in einen gas
förmigen Medien-Massenstrom, welches beheizbar
ist, und welches wenigstens eine von dem Medium
durchströmte Medienfolie sowie wenigstens eine
weitere Folie aufweist, wobei jedes Folienpaket
einen Eintrittsbereich für das flüssige Medium und
einen Austrittsbereich für das gasförmige Medium
aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Austrittsbereich (12) derart ausgebildet ist,
daß ein Druckgradient in dem Medium über die we
nigstens annähernd gesamte Breite des Austrittsbe
reichs (12) deutlich kleiner ist, als ein Druck
gradient in dem Medium über die wenigstens annä
hernd gesamte, durchströmte Länge der Medienfolie
(2, 3), wozu ein durchströmter Querschnitt über die
wenigstens annähernd gesamte Breite des Austritts
bereichs (12) deutlich größer ist als über die
durchströmte Länge der Medienfolie (2, 3), wobei
der Austrittsbereich (12) beheizbar ist.
2. Folienpaket nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Austrittsbereich (12) im beheizbaren Bereich
des Folienpakets (1) angeordnet ist.
3. Folienpaket nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Austrittsbereich (12) durch in der wenigstens
einen weiteren Folie (3, 4) angeordnete Ausnehmun
gen (10, 11) gebildet ist.
4. Folienpaket nach Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, daß
bei einem zweigängigen Verdampfer das Folienpaket
(1) zwei Medienfolien (2, 3) und eine Zwischenfolie
(4) aufweist, wobei die Zwischenfolie (4) im Be
reich des Austrittsbereichs (12) der einen der Me
dienfolien (2) wenigstens eine Öffnung (10) auf
weist, und wobei die andere der Medienfolien (3)
im Bereich der wenigstens einen Öffnung (10) Ver
tiefungen (11) aufweist.
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Owner name: BALLARD POWER SYSTEMS AG, 70567 STUTTGART, DE |
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