BR102018003000A2

BR102018003000A2 - evaporador e disposição de célula de combustível

Info

Publication number: BR102018003000A2
Application number: BR102018003000A
Authority: BR
Inventors: Tiemann David; Kolb Gunther; Schürer Jochen
Original assignee: Diehl Aerospace Gmbh
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2018-10-30
Also published as: US20180238629A1; DE102017001567B4; CA2995189A1; FR3063021B1; FR3063021A1; US11112184B2; CN108452541A; DE102017001567A1; CN108452541B

Abstract

a presente invenção refere-se a um evaporador (v), que compreende um corpo de evaporador (3), que está envolto por uma carcaça de evaporador (5), que apresenta uma entrada (1) para alimentação de um líquido à carcaça de evaporador (5) e uma saída (6) para emissão de vapor gerado, sendo que o corpo de evaporador (3) compreende uma pluralidade de placas (7), que estão dispostas de modo plano uma sobre a outra, sendo que entre a entrada (1) e o corpo de evaporador (3) está disposto um distribuidor de líquido (2) para distribuição do líquido sobre a pluralidade de placas (7), sendo que cada uma das placas (7) compreende sobre uma primeira superfície uma estrutura distribuidora de líquido (10), com linhas distribuidoras (20, 21, 22), uma superfície de evaporador (11) e uma estrutura coletora de gás (12). além disso, a invenção refere-se a uma disposição de célula de combustível.

Description

(54) Título: EVAPORADOR E DISPOSIÇÃO DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL (51) Int. Cl.: B01D 1/22; C01B 3/34; H01M 8/0606 (30) Prioridade Unionista: 20/02/2017 DE 10 2017 001 567.8 (73) Titular(es): DIEHL AEROSPACE GMBH (72) Inventor(es): DAVID TIEMANN; JOCHEN SCHÜRER; GUNTHER KOLB (85) Data do Início da Fase Nacional:

16/02/2018 (57) Resumo: A presente invenção refere-se a um evaporador (V), que compreende um corpo de evaporador (3), que está envolto por uma carcaça de evaporador (5), que apresenta uma entrada (1) para alimentação de um líquido à carcaça de evaporador (5) e uma saída (6) para emissão de vapor gerado, sendo que o corpo de evaporador (3) compreende uma pluralidade de placas (7), que estão dispostas de modo plano uma sobre a outra, sendo que entre a entrada (1) e o corpo de evaporador (3) está disposto um distribuidor de líquido (2) para distribuição do líquido sobre a pluralidade de placas (7), sendo que cada uma das placas (7) compreende sobre uma primeira superfície uma estrutura distribuidora de líquido (10), com linhas distribuidoras (20, 21, 22), uma superfície de evaporador (11) e uma estrutura coletora de gás (12). Além disso, a invenção refere-se a uma disposição de célula de combustível.

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Relatório Descritivo da Patente de Invenção para EVAPORADOR E DISPOSIÇÃO DE CÉLULA DE COMBUSTÍVEL.

[0001] A invenção refere-se a um evaporador e a uma disposição de célula de combustível com um evaporador de acordo com a invenção.

[0002] Um evaporador é conhecido a partir do documento WO 2006/108796 A1. O evaporador conhecido apesenta pelo menos uma placa de evaporador com canais de evaporador dispostos em uma região trapezoidal. Os canais de evaporador são chamados de microcanais de evaporador, com uma seção transversal abaixo de 100 pm². O evaporador convencional, porém, não é apropriado para grandes capacidades de evaporação, uma vez que, nesse caso, ocorre uma geração de vapor inconstante. Particularmente um pequeno fluxo de massa de líquido leva à formação das chamadas bolhas de vapor e impede uma evaporação eficiente.

[0003] Da Patente US 4.470.455 é conhecida uma tubulação para líquido para um permutador de calor, que está formado por um par de placas, cujas regiões de borda estão conectadas, para criar um envoltório de agente refrigerante entre seções centrais de placas para uma permeação. Linhas coletoras para entrada e saída de líquido estão formadas em cada placa por disposições estiradas, deslocadas para fora. Entre as linhas coletoras estão formadas de modo similar fileiras de nervuras separadas, sendo que cada nervura está posicionada obliquamente ao caminho de corrente entre os distribuidores e cada fileira estende-se transversalmente à normal do caminho e corrente. As nervuras em cada fileira estão escalonadas e sobrepõem-se a outras nervuras na direção da corrente, para impedir uma corrente linear sobre todas as fileiras transversais entre a linha coletora de entrada e a linha coletora de saída, mas pôr à disposição um caminho de corrente linear, interrompido ou um by-pass (passagem secundária) sobre o

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2/10 centro das fileiras transversais, adicionalmente a caminhos de contorno diante das extremidades das fileiras, para aperfeiçoar a eficiência da transferência de calor, sem aumentar substancialmente a queda de pressão.

[0004] Do documento DE 101 60 834 A1 é conhecido, entre outros, um dispositivo para evaporação e superaquecimento de pelo menos um meio, com pelo menos dois estágios de reação, sendo que pelo menos um primeiro estágio de reação está formado como evaporador 20 para a evaporação pelo menos parcial do pelo menos um meio. O evaporador 20 apresenta pelo menos um dispositivo de permeação para guiar o meio a ser evaporado, bem como um dispositivo de aquecimento para fornecimento de energia térmica para a evaporação pelo menos parcial do meio que está permeando o dispositivo de permeação, sendo que o dispositivo de permeação está acoplado termicamente com o dispositivo de aquecimento. Além disso, o pelo menos um segundo estágio de reação subsequente ao evaporador 20 está formado como superaquecedor 50 para superaquecer o meio evaporado. O superaquecedor 50 apresenta um dispositivo de permeação para guiar o meio que sai do evaporador 20 e um dispositivo de superaquecimento para fornecer energia térmica para superaquecer o meio que permeia o dispositivo de permeação, sendo que o dispositivo de permeação está acoplado termicamente com o dispositivo de superaquecimento. Para criar um dispositivo eficiente e, não obstante, compacto, está previsto que o pelo menos um evaporador 20 e o pelo menos um superaquecedor 50 está formado como composição de camadas de camadas individuais.

[0005] É tarefa da invenção eliminar as desvantagens de acordo com o estado da técnica. Particularmente, deve ser indicado um evaporador para um âmbito de potência no âmbito de quilowatts. Além disso, é uma tarefa da invenção indicar uma disposição de célula de

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3/10 combustível com um evaporador desse tipo.

[0006] A tarefa da invenção é solucionada pelas características das reivindicações de patente independentes 1 e 13. Configurações apropriadas da invenção evidenciam-se das reivindicações secundárias 2 a 12, bem como 14.

[0007] De acordo com a presente invenção, é proposto um evaporador, que compreende um corpo de evaporador, que está envolto por uma carcaça de evaporador, que apresenta uma entrada para alimentação de um líquido à carcaça de evaporador e uma saída para emissão de vapor gerado.

[0008] O corpo de evaporador compreende uma pluralidade de placas, que estão dispostas de modo plano uma sobre a outra. Entre a entrada e o corpo de evaporador está disposto um dispositivo de líquido, para distribuição do líquido sobre a pluralidade de placas. Cada uma das placas compreende sobre uma primeira superfície uma estrutura distribuidora de líquido com linhas distribuidoras, uma superfície de evaporador e uma estrutura coletora de gás. A estrutura distribuidora de líquido, a superfície de evaporador e a estrutura coletora de gás são limitadas pela placa, em cada caso, adjacente, de modo que espaços ocos formados estão conectados em fluido um com o outro, exclusivamente, através do distribuidor de líquido e a jusante da estrutura coletora de gás.

[0009] O evaporador de acordo com a invenção apresenta a vantagem de que a formação de bolhas de vapor pode ser evitada. O evaporador pode ser usado para geração de vapor saturado ou vapor superaquecido. O líquido a ser evaporado é distribuído muito uniformemente sobre as placas individuais e o vapor pode fluir sem empecilhos. A superfície do evaporador pode estar configurada, substancialmente, de maneira retangular. Pela estrutura distribuidora de líquido, um líquido a ser evaporado pode correr, substancialmente, de maneira

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4/10 uniforme sobre a superfície de evaporador. Em um lado oposto ao dispositivo de líquido da superfície de evaporador, está disposta a estrutura coletora de gás, que está conectada com a saída da carcaça de evaporador. O vapor gerado é guiado da superfície de evaporador pela estrutura coletora de gás para a saída da carcaça de evaporador. [0010] Pela distribuição de líquido sobre uma pluralidade de placas, por meio do distribuidor de líquido também pode ser obtida uma evaporação uniforme.

[0011] Convenientemente, a estrutura distribuidora de líquido está formada em uma peça com a placa. Em uma configuração conveniente, a estrutura distribuidora de líquido compreende uma linha adutora de distribuidor, que se ramifica em pelo menos duas primeiras linhas distribuidoras. Com a divisão em pelo menos duas primeiras linhas distribuidoras, é obtida uma distribuição aperfeiçoada do líquido sobre a superfície de evaporador. A estrutura distribuidora de líquido pode compreender, particularmente, outras linhas distribuidoras, de modo que existe uma estrutura ramificada à maneira de árvore.

[0012] Convenientemente, a estrutura distribuidora de líquido sai na superfície de evaporador.

[0013] A superfície de evaporador do evaporador de acordo com a invenção está formada, convenientemente, como depressão e/ou elevação da placa. Uma placa de evaporador formada como depressão apresenta um quadro que circunda a superfície de evaporador. A superfície de evaporador pode ser, particularmente, um rebaixo substancialmente retangular. De preferência, a superfície de evaporador compreende uma região estruturada, com um padrão elevado e/ou aprofundado. O padrão esbarra nas regiões elevadas na placa disposta diretamente acima, de modo que as regiões elevadas vedam com a placa disposta por cima. A região estruturada também pode compreender apenas uma parte da superfície de evaporador. Em uma confiPetição 870180012497, de 16/02/2018, pág. 38/48

5/10 guração conveniente, a superfície de evaporador compreende três regiões sucessivas, que s regiões adjacentes uma à outra, dispostas uma depois da outra, estendidas em uma primeira direção, que se estende da estrutura distribuidora de líquido para a estrutura coletora de gás. A região adjacente à estrutura distribuidora de líquido não apresenta, de preferência nenhuma superfície estruturada com um padrão. À mesma, segue-se a região estruturada com um padrão. O padrão pode ser, por exemplo, um padrão em espinha de peixe, um padrão ondulado ou um padrão em ziguezague. Em direção à estrutura coletora de gás pode estender-se novamente uma região formada sem padrão. A região com padrão estende-se, de preferência, em superfície total, em uma segunda direção disposta perpendicularmente à primeira direção.

[0014] Em uma configuração do evaporador de acordo com a invenção, o padrão é um padrão em espinha de peixe. Esse padrão em espinha de peixe tem a vantagem de que a estruturação da superfície de evaporador está completamente aberta e, assim, bolhas de gás, que impedem uma passagem de massa de líquido, não podem encravar-se.

[0015] Em uma outra configuração, a superfície de evaporador compreende em uma direção nervuras ou canais partindo da estrutura distribuidor de líquido, com pontos de inversão. Os canais estendemse, de preferência, de forma ondulada. Assim, pode ser obtida uma eficiência aumentada do evaporador.

[0016] Em uma outra configuração, a estrutura coletora de gás compreende pelo menos duas linhas coletoras de gás, que são reunidas, e um canal de saída curvo. A estrutura coletora de gás do evaporador de acordo com a invenção favorece uma saída sem empecilhos do vapor formado.

[0017] Convenientemente, pelo menos algumas das placas comPetição 870180012497, de 16/02/2018, pág. 39/48

6/10 preendem canais de aquecimento sobre uma área oposta à primeira superfície, ou as placas estão formadas de maneira chata.

[0018] Por canais de aquecimento no lado posterior da placa, pode ser guiado um meio de aquecimento ao longo da placa para evaporação do líquido. Esses canais de aquecimento estão depois conectados em fluido por uma outra entrada e uma outra saída previstas na carcaça de evaporador.

.[0019] Convenientemente, duas placas adjacentes estão empilhadas em linha uma sobre a outra. Particularmente, as bordas da estrutura distribuidora de líquido, da superfície de evaporador e da estrutura coletora de gás podem formar uma vedação com as placas dispostas de modo adjacente, de modo que espaços ocos situados entre, em cada caso, duas placas, estão separados um do outro.

[0020] Além disso, é proposta uma disposição de célula de combustível, que compreende pelo menos um evaporador de acordo com a invenção, um reformador, um reator de PrOx e uma célula de combustível. A disposição de célula de combustível compreende, particularmente, uma ligação em série do evaporador, de um reformador, de um reator de mudança de água - gás (water-gas-shift-Reaktor) e reator de PrOx e uma célula de combustível. O reformador o reator de mudança de água - gás e o reator de PrOx são reatores, nos quais o combustível evaporado no evaporador é reagido em três reações sucessivas, opcionalmente, sob adição de ar, para um outro combustível, com um teor de monóxido de carbono baixo, que pode ser de utilidade para a célula de combustível. Convenientemente, a dispositivo de célula de combustível está configurada para a operação com propilenoglicol. Assim, é evaporada no evaporador uma mistura de propilenoglicolágua.

[0021] A seguir, a invenção é explicada por meio de desenhos. Mostram:

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7/10 figura 1: um desenho esquemático de um evaporador de acordo com a invenção, em corte transversal, figura 2: uma primeira configuração de uma placa de evaporador de um evaporador de acordo com a invenção, figura 3: um corte transversal pela placa de evaporador de acordo com a figura 2, ao longo da linha lll-lll’, figura 4: um corte transversal pela placa de evaporador de acordo com a figura 2, ao longo da linha IV-IV’, figura 5: um corte transversal pela placa de evaporador de acordo com a figura 2, ao longo da linha VV’, figura 6: uma segunda configuração de uma placa de evaporador, figura 7: uma ampliação de detalhe da placa de evaporador de acordo com a figura 6, figura 8: um corte transversal pela placa de evaporador de acordo com a figura 7, e figura 9: uma disposição de célula de combustível de acordo com a invenção.

[0022] A figura 1 mostra um evaporador V com uma entrada 1, uma carcaça de evaporador 5 e uma saída 6. Entre a entrada 1 e um corpo de evaporador 3 está disposto um distribuidor de líquido 2, com o qual um líquido é distribuído sobre placas 7. O distribuidor de líquido 2 nesse exemplo de modalidade está formado como espaço oco 8. O distribuidor de líquido 2, porém, de acordo com uma configuração alternativa, também pode compreender uma estrutura distribuidora de líquido à maneira de árvore. As placas 7 estão dispostas uma sobre a outra de modo plano, de modo que na figura 1 é visível a pilha das placas 7.

[0023] A figura 2 mostra uma configuração de uma placa 7. A placa 7 compreende uma estrutura distribuidora de líquido 10. A estruPetição 870180012497, de 16/02/2018, pág. 41/48

8/10 tura distribuidora de líquido 10 apresenta uma linha adutora de distribuidor 20 que se divide em primeiras linhas distribuidoras 21, particularmente, duas primeiras linhas distribuidoras 21. A primeira linha distribuidora 21 pode ainda dividir-se, além disso, em segundas linhas distribuidoras 22 e, subsequentemente, em terceiras linhas distribuidoras 23, As primeiras 21, segundas 22 e terceiras 23 linhas distribuidoras 23 formam uma estrutura à maneira de árvore, de modo que a seção transversal, por exemplo, de uma primeira linha distribuidora 21 é igual à soma das segundas linhas distribuidoras 22, que saem da mesma. Por essa estrutura distribuidora de líquido 10, o líquido é aplicado com pressão uniforme e velocidade uniforme sobre uma superfície de evaporador 11.

[0024] A superfície de evaporador 11 é uma superfície substancialmente retangular. Em uma região central, em uma direção da estrutura distribuidora de líquido 10 para a estrutura coletora de gás 12, está formado um padrão 13 sobre a superfície de evaporador 11. A superfície de evaporador 11 está formada como depressão da placa 7. O padrão 13 é uma estrutura elevada, por exemplo, um padrão em espinha de peixe. O padrão em espinha de peixe impede que o líquido corra sem desvio da estrutura distribuidora de liquido 10 para a estrutura coletora de gás. O padrão 13 forma uma estrutura aberta, de modo que um entupimento de canais individuais sobre a superfície de evaporador 11 pode ser impedido de modo eficiente.

[0025] A estrutura coletora de gás 12 compreende duas linhas coletoras de gás 30. Nas linhas coletoras de gás 30 estão presentes outros elementos estruturais, que estão formados como apoios 32. As linhas coletoras de gás 30 coletam o gás e saem em um canal de saída 31. O canal de saída 31 apresenta, convenientemente, um desvio, de modo que o gás gerado, o vapor, é emitido em um lado da placa 7. [0026] A figura 3 mostra um corte transversal da placa 7 de acordo

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9/10 com a figura 2, ao logo da linha de corte ΙΙΙ-ΙΙΓ. A vista cortada corta quatro segundas linhas distribuidoras 22. As segundas linhas distribuidoras 22 apresentam, em cada caso, a mesma profundidade e, em cada caso, a mesma largura.

[0027] A figura 4 mostra um corte transversal da placa 7 de acordo com a figura 2, ao logo da linha de corte IV-IV’. Do mesmo é visível a superfície de evaporador aprofundada, com o padrão 13 que se salienta sobre a mesma. As ranhuras geradas pelo padrão 13 apresentam todas a mesma profundidade. As elevações do padrão 13 encontramse sobre o mesmo plano como a borda não estruturada da placa 7. Assim, duas placas 7 sobrepostas uma à outra, podem ser vedadas, particularmente em direção à borda e, ao mesmo tempo, ser apoiadas uma sobre a outra pelas elevações do padrão 13.

[0028] A figura 5 mostra um corte transversal pela estrutura coletora de gás 12. O apoio 32 disposto na linha coletora de gás 30 e uma borda a placa 7 apresentam a mesma altura.

[0029] A figura 6 mostra uma outra configuração de uma placa 7. Diferentemente da primeira modalidade de acordo com a figura 2, a placa 7 apresenta um padrão 13 na forma de canais ondulados 14. Uma dimensão dos canais 14 situa-se no âmbito de cerca de 1 mm de largura com uma profundidade menor. Os canais ondulados 14 estendem-se apenas em uma região central da superfície de evaporador 11. [0030] Um detalhe desses canais 14 está representado em uma vista de cima na figura 7 e em corte transversal na figura 8. Os canais 14 apresentam a mesma profundidade.

[0031] A figura 9 mostra uma disposição de célula de combustível. A disposição de célula de combustível é uma ligação em série de um evaporador V, seguida de um reformador R, um reator de mudança de água - gás W, um reator PrOx P e uma célula de combustível B. O evaporador v é um evaporador de acordo com os exemplos de modaPetição 870180012497, de 16/02/2018, pág. 43/48

10/10 lidade precedentes. Pela ligação em série dos reatores, o combustível evaporado no evaporador V, particularmente, uma mistura de propilenoglicol-água, é preparado de tal modo que ele pode ser usado na célula de combustível B para geração de corrente. A célula de combustível B possui neste exemplo de modalidade uma potência de 5 kW. LISTA DE SINAIS DE REFERÊNCIA entrada distribuidor de líquido corpo de evaporador carcaça de evaporador saída placa espaço oco estrutura distribuidora de líquido superfície de evaporador estrutura coletora de gás padrão canal linha adutora de distribuidor primeira linha de distribuidor segunda linha de distribuidor terceira linha de distribuidor linha coletora de gás canal de saída apoio

B célula de combustível

P reator de PrOx

R reformador

V evaporador

W reator de mudança de água - gás

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Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Evaporador (V), que compreende um corpo de evaporador (3), que está envolto por uma carcaça de evaporador (5), que apresenta uma entrada (1) para alimentação de um líquido à carcaça de evaporador (5) e uma saída (6) para emissão de vapor gerado, caracterizado pelo fato de que o corpo de evaporador (3) compreende uma pluralidade de placas (7), que estão dispostas de modo plano uma sobre a outra, sendo que entre a entrada (1) e o corpo de evaporador (3) está disposto um distribuidor de líquido (2) para distribuição do líquido sobre a pluralidade de placas (7), sendo que cada uma das placas (7) compreende sobre uma primeira superfície uma estrutura distribuidora de líquido (10), com linhas distribuidoras (20, 21, 22), uma superfície de evaporador (11) e uma estrutura coletora de gás (12), sendo que a estrutura distribuidora de líquido (10) compreende, uma linha adutora de distribuidor (20), que se ramifica em pelo menos duas primeiras linhas distribuidoras (21).
2. Evaporador (V) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a estrutura distribuidora de líquido (10) está formada em uma peça com a placa (7).
3. Evaporador (V) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a estrutura distribuidora de líquido (10) sai da superfície de evaporador (11).
4. Evaporador (V) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a superfície de evaporador (11) está formada como depressão ou elevação na placa (7).
5. Evaporador (V) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a superfície de

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2/3 evaporador (11) compreende uma região estruturada, com um padrão (13) elevado e/ou aprofundado.
6. Evaporador (V) de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o padrão (13) é um padrão em espinha de peixe.
7. Evaporador (V) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a superfície de evaporador (11) compreende ranhuras estendidas em uma direção apontada para fora da estrutura distribuidora de líquido (10) com pontos de desvio ou canais (14) com pontos de desvio.
8. Evaporador (V) de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que os canais (14) se estendem de modo ondulado.
9. Evaporador (V) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a estrutura coletora de gás (12) compreende pelo menos duas linhas coletoras de gás (30), que são reunidas, e/ou um canal de saída (31) curvo.
10. Evaporador (V) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das placas (7) estão formadas de modo plano sobre uma área oposta à primeira superfície ou apresentam canais de aquecimento.
11. Evaporador (V) de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que duas placas (7) adjacentes estão empilhadas em linha uma sobre a outra.
12. Evaporador (V) de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que as bordas da estrutura distribuidora de líquido (10), da superfície de evaporador (11) e da estrutura coletora de gás (12) formam uma vedação com uma placa (7) disposta de modo adjacente às mesmas.

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13. Disposição de célula de combustível, caracterizada por compreender pelo menos um evaporador (V) como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 12, um reformador (R), um reator de PrOx (P) e uma célula de combustível (B).
14. Disposição de célula de combustível de acordo com a reivindicação 13, caracterizada por estar configurada para operação com propilenoglicol.

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