BR102018003030B1

BR102018003030B1 - Evaporador

Info

Publication number: BR102018003030B1
Application number: BR102018003030-2A
Authority: BR
Inventors: David Tiemann; Karl-Peter SCHELHAAS
Original assignee: Diehl Aerospace Gmbh
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2023-12-26
Also published as: BR102018003030A2; CN108452543A; US20180236430A1; CN108452543B; FR3063020A1; CA2994782C; DE102017001565A1; CA2994782A1; US10717064B2; DE102017001565B4; FR3063020B1

Abstract

a presente invenção refere-se a um evaporador, compreendendo um corpo de evaporador (3) circundado por uma caixa de evaporador (5), sendo que a caixa de evaporador (5) apresenta uma linha de alimentação (1) para a alimentação de um líquido para a caixa de evaporador (5) e uma saída (6) para emitir um vapor gerado, onde o corpo de evaporador (3) compreende um grande número de placas (7) que estão dispostas uma sobre a outra superficialmente, onde entre placas (7) vizinhas é respectivamente formado um espaço oco (8), onde cada um dos espaços ocos (8) está em ligação de fluxo com a saída, onde entre a linha de alimentação (1) e o corpo de evaporador (3) é interconectado um distribuidor de líquido, onde o distribuidor de líquido vai ramificando-se a partir da linha de alimentação (1) em direção ao corpo de evaporador (3) em pelo menos duas linhas de distribuição (vr), e onde cada linha de distribuição (vr) é ligada a pelo menos um espaço oco (8).

Description

[001] A presente invenção refere-se a um evaporador com um distribuidor de líquido.

[002] Um evaporador com um distribuidor de líquido é conhecido, por exemplo, de G. Kolb et. al. Green Process Synth., 2014, 3: 81-84. O distribuidor de líquido conhecido é dimensionado para um evaporador, onde o evaporador compreende um grande número de placas que estão empilhadas uma sobre a outra superficialmente, onde respectivamente entre placas vizinhas é formado um espaço oco. O distribuidor conhecido compreende uma linha de alimentação para a alimentação de um líquido, uma cavidade com ligação por fluxo à linha de alimentação, onde a cavidade é ligada a um grande número de espaços ocos.

[003] Um outro evaporador com um distribuidor de líquido é conhecido de M. O’Connel et al., 4th World Hydrogen Technologies Convention, 2011, Glasgow, U.K.. O evaporador conhecido é usado especialmente para a evaporação de combustíveis como metanol, etanol, LPG ou Diesel. No caso, o combustível é alimentado através da linha de alimentação. No final da linha de alimentação é formada uma cavidade. Esta cavidade possui uma seção transversal maior do que a linha de alimentação, a fim de distribuir o líquido sobre todas as placas do evaporador. As diversas placas do distribuidor apresentam uma microestrutura, por exemplo, na forma de ranhuras.

[004] A desvantagem dos distribuidores de líquido conhecidos é que as placas individuais são carregadas com o líquido de modo desigual, especialmente o combustível. Em decorrência disso, a capacidade do evaporador não pode ser aproveitada completamente. Em especial, uma fração pequena demais do líquido é transformada em vapor. O carregamento desigual causa uma evaporação desigual e produz uma distribuição de temperatura desigual no evaporador. Uma regulação da temperatura dentro do evaporador é dificultada dessa forma, de modo que uma temperatura de saída do gás do evaporador é em especial alta demais.

[005] Do documento DE 100 39 592 A1 é conhecido um dispositivo para a alimentação de edutos para espaços, separados paralelamente um do outro, com uma unidade de distribuição, onde meios de saída da unidade de distribuição são conjugados aos espaços, e onde são previstas estruturas de evaporador para a evaporação de fluidos líquidos nos espaços, onde respectivamente um meio de saída da unidade de distribuidor projeta-se para dentro de um espaço e o ponto de ebulição do fluido na unidade de distribuição situa-se acima da temperatura do fluido na unidade de distribuição.

[006] A presente invenção tem a tarefa de eliminar as desvantagens do estado da técnica. Em especial deve ser indicada uma estrutura de distribuição que possibilita uma pressão do líquido uniforme ao longo da altura de um evaporador.

[007] A tarefa da presente invenção é solucionada com as características da reivindicação 1. Realizações apropriadas da presente invenção resultam das características das reivindicações 2 a 10.

[008] De acordo com o ensinamento da presente invenção é sugerido um evaporador, compreendendo um corpo de evaporador circundado por uma caixa de evaporador, onde a caixa de evaporador é equipada com uma linha de alimentação para a alimentação de um líquido na caixa de evaporador e uma saída para a emissão de um vapor gerado. O corpo de evaporador compreende um grande número de placas que estão dispostas superficialmente uma sobre a outra, onde entre placas vizinhas é formado respectivamente pelo menos um espaço oco, onde cada um dos espaços ocos está em ligação de fluido com a saída. Entre a linha de alimentação e o corpo de evaporador está interconectado um distribuidor de líquido, aonde o distribuidor de líquido vai ramificando-se a partir da linha de alimentação em direção ao corpo de evaporador em pelo menos duas linhas de distribuição, e onde cada linha de distribuição é ligada a pelo menos um espaço oco.

[009] Dispensando-se a cavidade única de grande volume, através do uso do distribuidor de líquido sugerido, o líquido agora pode ser conduzido de modo dirigido a áreas parciais do corpo de evaporador. Em especial pode o líquido ser conduzido de modo dirigido, por exemplo, a uma parte superior das placas e a uma parte inferior das placas. O evaporador com as placas dispostas paralelamente uma sobre a outra pode ser operado em orientação horizontal como também em uma outra orientação, por exemplo, de modo inclinado ou até mesmo verticalmente. De uma maneira geral, o evaporador pode ser operado em qualquer orientação em relação à força de gravidade ou à soma de forças.

[0010] Nisso, uma superfície de seção transversal da linha de alimentação corresponde em essência à soma das superfícies de seção transversal das linhas de distribuição. Dessa forma, alterações da velocidade de fluxo do líquido são reduzidas.

[0011] Uma perda de pressão entre uma extremidade voltada para o corpo de evaporador das linhas de alimentação e uma extremidade de cada linha de distribuição voltada para o corpo de evaporador, com vantagem é essencialmente igual. Dessa forma, o líquido de cada linha de distribuição pode ser conduzido ao/aos espaços ocos com uma pressão essencialmente igual. Portanto, pode ser obtido um carregamento mais uniforme do corpo de evaporador.

[0012] Uma perda de pressão igual dentro das linhas de distribuição é obtida através de um volume igual da respectiva linha de alimentação. Apropriadamente, as linhas de distribuição apresentam um comprimento essencialmente igual e uma seção transversal igual. Através de uma perda de pressão igual, o líquido é conduzido com uma velocidade essencialmente igual aos espaços ocos no corpo de evaporador.

[0013] Com vantagem, uma estrutura pré-distribuidora é conectada entre a linha de alimentação e as linhas de distribuição, na qual a linha de alimentação vai ramificando-se, nos moldes de uma árvore, em um grande número de linhas finais de alimentação, onde cada uma das linhas finais de alimentação ramifica-se em pelo menos duas linhas de distribuição. Uma ramificação múltipla das linhas de alimentação é vantajosa especialmente no caso de evaporadores muito grandes, de modo que em cada ramificação é garantida uma distribuição de líquido uniforme.

[0014] Em uma outra configuração, cada linha de distribuição desemboca em uma cavidade, sendo que a cavidade é ligada a um grande número de espaços ocos. A cavidade apresenta uma seção transversal maior do que a linha de distribuição conectada a ela. Apropriadamente, existem n cavidades, onde n é um número natural, sendo que cada uma das cavidades é respectivamente ligada com respectivamente cerca de 1/n do número total dos espaços ocos. Se, por exemplo, n = 4, então cada cavidade é ligada a um quarto dos espaços ocos.

[0015] Em uma outra configuração, as linhas de distribuição estendem-se em um plano vertical em relação à linha de alimentação e desembocam nas cavidades verticalmente em relação ao sentido de extensão. A extensão das linhas de distribuição em um plano vertical possibilita ajustar o comprimento das linhas de distribuição que respectivamente conduzem às cavidades de tal modo que nelas ocorre respectivamente a mesma perda de pressão. Além disso, através da configuração pode ser reduzido o tamanho do distribuidor de líquido.

[0016] As placas podem ser equipadas com elementos de guia de fluxo. Tais elementos de guia de fluxo podem ser, por exemplo, padrões feitos nas placas, por exemplo, por meio de micro-estruturação da superfície. Para a criação da micro-estruturação podem ser usados processos conhecidos aditivos ou subtrativos, tais como separação ou cauterização, mas também processos de deformação, tais como estampar ou laminar. Apropriadamente, todas as placas apresentam microestruturas idênticas. Estas podem ser canais, padrões de espinha de peixe ou algo semelhante. A microestrutura das placas pode ser aplicada em um ou em ambos os lados de uma placa.

[0017] Em uma outra configuração, canais são formados inteiriçamente com as placas, onde placas vizinhas, em áreas entre os canais, são diretamente adjacentes, de modo que entre duas placas vizinhas são formados um grande número de espaços ocos que estão em ligação de fluxo com a linha de alimentação e a saída. Por meio da previsão dos canais, uma superfície de contato entre o líquido e as placas é aumentada. Dessa forma, o líquido ou o vapor gerado pode ser colocado e mantido em uma temperatura desejada de modo rápido e com pequenas divergências. Os canais podem em especial ser canais paralelos que se estendem ao longo das placas.

[0018] Apropriadamente, uma chapa de anteparo é disposta entre as cavidades e espaços ocos. Tal chapa de anteparo serve adicionalmente para a distribuição uniforme do líquido. A chapa de anteparo possui orifícios que são ajustados aos espaços ocos, especialmente canais, entre as placas.

[0019] Em um exemplo de uso, o distribuidor de líquido é usado para a evaporação de uma mistura de propilenglicol e água para reformadores com microestrutura em um sistema de célula de combustível. Para a geração de hidrogênio de uma mistura de propilenglicol e água, o propilenglicol primeiro precisa ser transformado na fase de vapor. Para aumentar a eficiência do sistema de célula de combustível é apropriado que toda a mistura de propilenglicol e água é transformada em vapor e disponibilizada em um reator subsequente, com uma temperatura prevista. A mistura de propilenglicol e água é trazida através da linha de alimentação. No distribuidor de líquido de acordo com a presente invenção, a mistura de propilenglicol e água é distribuída sobre as diversas linhas de distribuição, de modo que a mistura de propilenglicol e água é levada a cada cavidade com a mesma pressão. Cada uma das cavidades distribui a mistura de propilenglicol e água para os espaços ocos ligados a elas no corpo de evaporador. Apropriadamente, o evaporador é um evaporador de placas com placas com microestrutura, de modo que o líquido é levado a um grande número de outras linhas ou ranhuras em cada uma das placas com uma pressão constante. Em especial, as placas todas têm a mesma estrutura e apresentam distâncias iguais entre si. Dessa forma, todos os espaços ocos são carregados uniformemente com a mistura de propilenglicol e água e possibilitam uma evaporação uniforme da mistura de propilenglicol e água. Forma-se em essência uma frente de evaporação plana. Deste modo é relativamente simples regular a temperatura do evaporador, e com isso a temperatura da mistura de propilenglicol e água transformada em vapor. O gás assim gerado pode ser introduzido no reator seguinte.

[0020] A seguir, a presente invenção é ilustrada com a ajuda de figuras. Elas mostram:

[0021] a figura 1 mostra um distribuidor de líquido de espaço grande com um evaporador de placas, de acordo com o estado da técnica,

[0022] a figura 2 mostra um distribuidor de líquido para um evaporador de acordo com a presente invenção,

[0023] a figura 3 mostra uma vista explodida de um distribuidor de líquido,

[0024] a figura 4a mostra uma seção transversal através de placas no corpo de evaporador, e

[0025] a figura 4b mostra uma outra realização de uma seção transversal através de placas no corpo de evaporador.

[0026] A figura 1 mostra um distribuidor de líquido F de grande volume para um evaporador de placas, com uma caixa de evaporador 5 e uma saída 6, de acordo com o estado da técnica. A linha de alimentação 1 vai alargando-se para dentro da cavidade de grande volume 2 como distribuidor de líquido F. A cavidade de grande volume 2 é ligada ao corpo de evaporador 3 que apresenta um grande número de placas 7 dispostas uma sobre a outra. Cada uma das placas 7 apresenta tipicamente uma microestrutura, por exemplo, na forma de canais que se estendem a partir da cavidade de grande volume 2 até uma saída do evaporador. Para a operação do evaporador de acordo com o estado da técnica é necessário que a cavidade de grande volume 2 seja completamente enchida com líquido, a fim de impedir um esvaziamento de alguns espaços ocos 8 no evaporador. Com o distribuidor conhecido não é possível regular uma pressão do líquido na passagem individual entre a cavidade e os espaços ocos.

[0027] A figura 2 mostra um distribuidor de líquido de acordo com a presente invenção. O líquido é introduzido através da linha de alimentação 1. A linha de alimentação 1 do presente exemplo de execução divide-se em quatro linhas de distribuição. As linhas de distribuição são marcadas com VR1 para a primeira linha de distribuição até VR4 para a quarta linha de distribuição. Cada uma das linhas de distribuição VR1 a VR4 é respectivamente ligada a uma cavidade VK1 a VK4. As cavidades VK1 a VK4 estão dispostas uma sobre a outra, de modo que cada uma das cavidades VK1 a VK4 é respectivamente ligada a uma parte dos espaços ocos 8 entre as placas 7 do corpo de evaporador 3. Apropriadamente uma linha de alimentação que consiste, por exemplo, da linha de alimentação 1, da primeira linha de distribuição VR1 e da primeira cavidade VK1, apresenta uma perda de pressão igual. Uma perda de pressão igual é obtida através de comprimentos e seções transversais essencialmente iguais das linhas de distribuição VR1 a VR4, e através de um volume igual das cavidades VK1 a VK4. A inserção da chapa de anteparo B1 entre as cavidades VK1 a VK4 e o corpo de evaporador 3 serve para ajustar a seção transversal das cavidades VK às entradas dos espaços ocos 8 entre as placas 7, especialmente dos canais K. Entre as linhas de distribuição VR e as cavidades VK ainda podem ser ligadas linhas de alimentação (não mostrado).

[0028] A figura 3 mostra uma vista explodida de um distribuidor de líquido. A linha de alimentação 1, no exemplo de execução mostrado, divide-se em quatro linhas de distribuição VR. A primeira linha de distribuição VR1 e a quarta linha de distribuição VR4 conduzem respectivamente à primeira cavidade VK1 e à quarta cavidade VK4 que estão mais externas. A segunda linha de distribuição VR2 e a terceira linha de distribuição VR3 estendem-se no mesmo plano. A segunda linha de distribuição VR2 e a terceira linha de distribuição VR3, porém, são configuradas de tal modo que conduzem até a segunda cavidade VK2 e terceira cavidade VK3 internas. Em virtude das formas de execução curvada da segunda linha de distribuição VR2 e da terceira linha de distribuição VR3 pode ser obtido um comprimento igual com a primeira linha de distribuição VR1 e a quarta linha de distribuição VR4. Cada uma das linhas de distribuição VR1 a VR4 desemboca verticalmente em relação à direção de extensão das linhas de distribuição VR1 até VR4 nas cavidades VK1 a VK4. As cavidades VK1 a VK4 apresentam uma mesma forma e tamanho. Sobre cada uma das cavidades VK1 a VK4 é disposta uma chapa de anteparo B1 que possui uma abertura retangular para cada uma das cavidades VK1 a VK4.

[0029] Um distribuidor de líquido deste tipo é disposto de tal modo que, por exemplo, a primeira cavidade VK1 é ligada a uma primeira parte inferior das placas 7 e os espaços ocos 8 que se encontram entre elas. Uma segunda cavidade VK2 é ligada com a área da próxima pilha de placas, uma terceira cavidade VK3, com a próxima área de pilha de placas disposta sobre esta e, finalmente, a quarta cavidade VK4, com a área da pilha de placas superior do corpo de evaporador 3. Mesmo que neste exemplo de execução é mostrada a divisão em quatro cavidades VK1 a VK4, um número menor ou maior de cavidades VK e das linhas de alimentação pertencentes e eventualmente linhas finais de alimentação interconectadas é possível, dependendo da altura do evaporador e do número de placas 7 ligadas a ele.

[0030] A figura 4a mostra uma seção transversal através das placas 7 no corpo de evaporador. É mostrado um recorte de duas placas 7. As placas 7 apresentam uma microestrutura na forma de ranhuras. Estas ranhuras, como no caso mostrado, podem ser feitas no lado superior e no lado inferior das placas, formando canais K. As áreas elevadas das placas 7 são de tal modo juntadas que os espaços ocos 8 se formam através das ranhuras. Mesmo que esta seção transversal apenas mostra exemplarmente duas placas 7, em um corpo de evaporador estão dispostas um grande número de placas 7 de estrutura igual. A figura 4b mostra uma configuração alternativa, onde apenas um lado das placas 7 forma uma microestrutura na forma de ranhuras, formando canais K. Lista de referências: 1 Linha de alimentação 2 Cavidade de grande volume 3 Corpo de evaporador 5 Caixa de evaporador 6 Saída 7 Placa 8 Espaço oco B 1Chapa de anteparo F Distribuidor de líquido K Canal VK Cavidade VK1 Primeira cavidade VK2 Segunda cavidade VK3 Terceira cavidade VK4 Quarta cavidade VR Linha de distribuição VR1 Primeira linha de distribuição VR2 Segunda linha de distribuição VR3 Terceira linha de distribuição VR4 Quarta linha de distribuição

Claims

1. Evaporador, caracterizado por compreender um corpo de evaporador (3) circundado por uma caixa de evaporador (5), onde a caixa de evaporador (5) apresenta uma linha de alimentação (1) para a alimentação de um líquido para a caixa de evaporador (5) e depois para o evaporador, e uma saída (6) para emitir um vapor gerado, sendo que o corpo de evaporador (3) compreende um grande número de placas (7) fechadas que estão dispostas uma sobre a outra superficialmente, onde entre placas (7) fechadas vizinhas é respectivamente formado um espaço oco (8) separado, onde cada um dos espaços ocos (8) separados está em ligação de fluxo com a saída, onde entre a linha de alimentação (1) e o corpo de evaporador (3) é interconectado um distribuidor de líquido, onde o distribuidor de líquido vai ramificando-se a partir da linha de alimentação (1) em direção ao corpo de evaporador (3) em pelo menos duas linhas de distribuição (VR), e onde cada linha de distribuição (VR) é ligada a pelo menos um espaço oco (8) separado, onde uma superfície de seção transversal da linha de alimentação (1) corresponde essencialmente à soma das superfícies de seção transversal das linhas de distribuição (VR).

2. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma perda de pressão entre uma extremidade voltada para o corpo de evaporador (3) da linha de alimentação (1) e uma extremidade afastada do corpo de evaporador (3) de cada linha de distribuição (VR) é essencialmente igual.

3. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as linhas de distribuição (VR) apresentam um comprimento essencialmente igual e uma seção transversal essencialmente igual.

4. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que entre a linha de alimentação (1) e as linhas de distribuição (VR) é interconectada uma estrutura de pré-distribuidor, onde a linha de alimentação (1) ramifica- se nos moldes de uma árvore em um grande número de linhas finais de alimentação, onde cada uma das linhas de alimentação divide-se em pelo menos duas linhas de distribuição (VR).

5. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que cada linha de distribuição (VR) desemboca em uma cavidade (VK), onde a cavidade (VK) é ligada a um grande número de espaços ocos (8).

6. Evaporador, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as linhas de distribuição (VR) estendem- se em um plano vertical em relação à linha de alimentação (1) e desembocam verticalmente à direção de extensão nas cavidades (VK).

7. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que as placas (7) fechadas são equipadas com elementos de guia de fluxo.

8. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que nas placas (7) fechadas são formados inteiriçamente canais (K), onde placas (7) fechadas vizinhas em áreas entre os canais (K) são imediatamente adjacentes, de modo que entre duas placas (7) fechadas vizinhas é formado um grande número de espaços ocos (8) separados que estão em ligação de fluxo com a linha de alimentação (1) e a saída (A).

9. Evaporador, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que os canais (K) são paralelos.

10. Evaporador, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 ou 6 e 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que entre as cavidades (VK) e os canais (K) é disposta uma chapa de anteparo (B1).