DE10010400C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger MedienInfo
- Publication number
- DE10010400C2 DE10010400C2 DE10010400A DE10010400A DE10010400C2 DE 10010400 C2 DE10010400 C2 DE 10010400C2 DE 10010400 A DE10010400 A DE 10010400A DE 10010400 A DE10010400 A DE 10010400A DE 10010400 C2 DE10010400 C2 DE 10010400C2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- channels
- flow
- heating
- medium
- flow channels
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01D—SEPARATION
- B01D1/00—Evaporating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01B—BOILING; BOILING APPARATUS ; EVAPORATION; EVAPORATION APPARATUS
- B01B1/00—Boiling; Boiling apparatus for physical or chemical purposes ; Evaporation in general
- B01B1/005—Evaporation for physical or chemical purposes; Evaporation apparatus therefor, e.g. evaporation of liquids for gas phase reactions
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/0093—Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J19/24—Stationary reactors without moving elements inside
- B01J19/248—Reactors comprising multiple separated flow channels
- B01J19/249—Plate-type reactors
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
- C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
- C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
- C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
- C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
- C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
- F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
- B01J2219/00051—Controlling the temperature
- B01J2219/00054—Controlling or regulating the heat exchange system
- B01J2219/00056—Controlling or regulating the heat exchange system involving measured parameters
- B01J2219/00058—Temperature measurement
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
- B01J2219/00051—Controlling the temperature
- B01J2219/00074—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids
- B01J2219/00076—Controlling the temperature by indirect heating or cooling employing heat exchange fluids with heat exchange elements inside the reactor
- B01J2219/00085—Plates; Jackets; Cylinders
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
- B01J2219/00051—Controlling the temperature
- B01J2219/00121—Controlling the temperature by direct heating or cooling
- B01J2219/00128—Controlling the temperature by direct heating or cooling by evaporation of reactants
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
- B01J2219/00051—Controlling the temperature
- B01J2219/00132—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
- B01J2219/00135—Electric resistance heaters
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
- B01J2219/00051—Controlling the temperature
- B01J2219/00157—Controlling the temperature by means of a burner
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00819—Materials of construction
- B01J2219/00835—Comprising catalytically active material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00873—Heat exchange
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/00891—Feeding or evacuation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
- B01J2219/0095—Control aspects
- B01J2219/00952—Sensing operations
- B01J2219/00954—Measured properties
- B01J2219/00961—Temperature
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
- B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
- B01J2219/245—Plate-type reactors
- B01J2219/2451—Geometry of the reactor
- B01J2219/2453—Plates arranged in parallel
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
- B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
- B01J2219/245—Plate-type reactors
- B01J2219/2451—Geometry of the reactor
- B01J2219/2456—Geometry of the plates
- B01J2219/2458—Flat plates, i.e. plates which are not corrugated or otherwise structured, e.g. plates with cylindrical shape
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
- B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
- B01J2219/245—Plate-type reactors
- B01J2219/2461—Heat exchange aspects
- B01J2219/2462—Heat exchange aspects the reactants being in indirect heat exchange with a non reacting heat exchange medium
- B01J2219/2464—Independent temperature control in various sections of the reactor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/24—Stationary reactors without moving elements inside
- B01J2219/2401—Reactors comprising multiple separate flow channels
- B01J2219/245—Plate-type reactors
- B01J2219/2461—Heat exchange aspects
- B01J2219/2467—Additional heat exchange means, e.g. electric resistance heaters, coils
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F2260/00—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures
- F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen
flüssiger oder gasförmiger Medien gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen
flüssiger oder gasförmiger Medien gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 16.
Schließlich betrifft die Erfindung auch eine besondere Verwendung der Vorrichtung und
des Verfahrens.
Vorrichtungen zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien
sind bereits bekannt und werden für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt. Eine
vorteilhafte, beispielhafte Anwendungsmöglichkeit für Verdampfer liegt im Bereich der
Brennstoffzellentechnologie. Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und
haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich
an Bedeutung gewonnen.
Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf
chemischem Wege, wobei aber die einzelnen Reaktanten von außen kontinuierlich
zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den
Brennstoffzellen das Funktionsprinzip zu Grunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle
oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen.
Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die
Oxidations- und Reduktionsprozesse über eine Membran räumlich voneinander
getrennt. Die eingesetzten Membranen haben die Eigenschaft, Protonen
auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen
Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten,
beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise
Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Will man die
Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leicht zu speichernden Kraftstoff wie
Erdgas, Methanol, Benzin oder dergleichen betreiben, muß man diese
Kohlenwasserstoffe in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs
zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Bei wenigstens einem der
Reaktorelemente der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs handelt
es sich um einen Verdampfer. Der Verdampfer hat die Aufgabe, den Ausgangsstoff
(Kraftstoff und/oder Wasser) zur Gewinnung des für die Brennstoffzelle geeigneten
Brennstoffs zunächst zu verdampfen, bevor dieser in dampfförmigem Zustand zur
weiteren Behandlung in das nächste Reaktorelement, beispielsweise in einen
Reformer eingeleitet wird.
Die bekannten Vorrichtungen zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder
dampfförmiger Medien, haben jedoch eine Reihe von Nachteilen, insbesondere dann,
wenn sie als Verdampfer verwendet werden.
Üblicherweise weisen die bekannten Vorrichtungen wenigstens eine
Durchströmeinrichtung für das zu behandelnde Medium mit einer oder mehreren
Durchströmschichten auf, wobei die Durchströmschicht jeweils mit einer Anzahl von
Durchströmkanälen versehen sind. Die Durchströmkanäle verfügen an ihrer
Eintrittsseite jeweils über eine Eintrittsöffnung und an ihrer Ausgangsseite über jeweils
eine Austrittsöffnung. Das zu verdampfende oder zu erhitzende Medium tritt über die
Eintrittsöffnung in die Durchströmkanäle ein, durchströmt diese, wobei es mittels einer
Erhitzungseinrichtung erhitzt beziehungsweise verdampft wird, und tritt dann an der
Ausgangsseite über die Austrittsöffnung aus dem jeweiligen Durchströmkanal aus. Die
Durchströmkanäle sind über ihre Eintrittsöffnungen mit einer Zuleitung für das zu
erhitzende und/oder zu verdampfende Medium und über ihre Austrittsöffnungen mit
einer entsprechenden Ableitung verbunden. In dieser Zuleitung ist in der Regel eine
Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, vorgesehen, die das Medium in die
Durchströmkanäle hineinpumpt. Diese Fördereinrichtung ist üblicherweise so
ausgelegt, daß sie nur einen geringen Überdruck gegenüber dem Druck an den
Austrittsöffnungen der Durchströmkanäle erzeugt.
Die Bereitstellung der zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigten
Wärmeenergie erfolgt über wenigstens eine Erhitzungseinrichtung, die aus einer oder
mehreren Schichten gebildet ist und die mit der Durchströmeinrichtung im Sinne eines
Wärmeaustauschers verbunden ist. Die Erhitzungseinrichtung kann beispielsweise
eine Reihe von elektrisch betriebenen Heizpatronen aufweisen. Die Heizpatronen
werden alle mit gleicher Leistung angesteuert, so daß die über die Heizpatronen in den
Durchströmkanälen erzeugte Oberflächentemperatur, über die das die
Durchströmkanäle durchströmende Medium erhitzt beziehungsweise verdampft wird,
entlang der gesamten Durchströmeinrichtung durch die Durchströmkanäle in etwa
gleich hoch ist, wenn das Medium noch nicht durch die Durchströmkanäle strömt.
Auf Grund des geringen Überdrucks der Pumpe kann sich insbesondere beim
Anfahren der Vorrichtung im Eintrittsbereich um die Eintrittsöffnungen der
Durchströmkanäle eine Dampfblase bilden, da das Medium auf Grund der hohen
Oberflächentemperaturen bereits im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle zu
verdampfen beginnt. Der Druck in der Dampfblase kann infolge des
Strömungswiderstands im stromaufwärts gelegenen Teil eines Durchströmkanals, in
dem beispielsweise noch nicht verdampfte Tröpfchen vorhanden sein können, so hoch
werden, dass er den Pumpendruck erreicht oder sogar übersteigt. Dadurch kann unter
Umständen die Flüssigkeitssäule entgegen der eigentlichen Strömungsrichtung
zurückgedrückt werden oder zum Stillstand kommen. Je kleiner der Querschnitt der
Durchströmkanäle wird, desto größer wird der Strömungswiderstand und somit die
Gefahr, dass die Durchflußrate durch die Vorrichtung erheblich reduziert wird. Im
schlimmsten Fall kann die Situation auftreten, daß der Durchfluß durch die Vorrichtung
sogar vollständig unterbunden wird.
Dies hat auch zur Folge, dass die von den Heizpatronen erzeugte Wärmeenergie nicht
in ausreichendem Maß abgeleitet werden kann, so daß sich die gesamte Vorrichtung
unerwünscht stark erhitzt.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art
derart weiterzubilden, daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, mit
der/dem auf einfache und dennoch zuverlässige Weise eine Erhitzung und/oder
Verdampfung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums möglich gemacht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst
durch eine Vorrichtung zum Erhitzten und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger
Medien, mit wenigstens einer Durchströmeinrichtung, die eine oder mehrere
Durchströmschichten mit jeweils einem oder mehreren Durchströmkanälen für das
Medium aufweist, wobei die Durchströmkanäle jeweils eine Eintrittsöffnung und eine
Austrittsöffnung aufweisen und die Eintrittsöffnung mit einer Zuleitung und die
Austrittsöffnung mit einer Ableitung für das Medium verbindbar ist, und mit wenigstens
einer aus einer oder mehreren Schichten gebildeten Erhitzungseinrichtung zum
Bereitstellen der zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigten
Wärmeenergie, die mit der Durchströmeinrichtung im Sinne eines Wärmetauschers
verbunden ist. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß
die Erhitzungseinrichtung derart ausgebildet ist, daß die Oberflächentemperatur der
Durchströmkanäle zumindest in einzelnen Bereichen der Durchströmkanäle in
Strömungsrichtung (D) des Mediums unabhängig von anderen Bereichen einstellbar
sind.
Durch die Einstellbarkeit der Oberflächentemperatur in Durchströmungsrichtung des
Mediums durch die Durchströmkanäle kann zuverlässig verhindert werden, daß sich
die weiter oben beschriebene nachteilige Dampfblase im Bereich der Eintrittsöffnungen
der Durchströmkanäle bilden kann. Die Vermeidung einer solchen Dampfblase kann
insbesondere dann vorteilhaft verhindert werden, wenn das
Oberflächentemperaturprofil derart ausgebildet ist, daß die Temperatur im
Eintrittsbereich der Durchströmkanäle deutlich geringer ist als in deren übrigen
Bereichen. Vorteilhafte Ausführungsformen, wie ein geeignetes Temperaturprofil
eingestellt werden kann, werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist grundsätzlich dazu geeignet, Medien zu erhitzen
und/oder zu verdampfen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die
Durchströmungsschicht jeweils in Mikrotechnik mit Mikrokanälen für die Durchleitung
des zu behandelnden Mediums ausgebildet ist.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu verwendet werden,
gasförmige oder flüssige Medien zu erhitzen. Die Erhitzung der Medien erfolgt derart,
daß über die Erhitzungseinrichtung entlang der Durchströmungseinrichtung auf den
Oberflächen der Durchströmkanäle ein solches Temperaturprofil eingestellt wird, daß
im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle eine ausreichend niedrige Temperatur im
Medium vorherrscht, bei der die Bildung einer Dampfblase zuverlässig verhindert wird.
In den dem Eintrittsbereich folgenden Bereichen der Durchströmkanäle kann dann eine
höhere Temperatur eingestellt werden, so daß das gasförmige oder flüssige Medium
auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird.
Eine andere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt
beispielsweise in deren Verwendung als Verdampfer für ein flüssiges Medium. In
diesem Fall wird das Temperaturprofil auf den Oberflächen der Durchströmkanäle
wieder so eingestellt, daß die Temperatur im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle so
gering ist, daß die Bildung einer Dampfblase verhindert wird. In den anschließenden
Bereichen wird in ausreichendem Abstand vom Eintrittsbereich über die
Erhitzungseinrichtung aber soviel Wärmeenergie zur Verfügung gestellt, daß das die
Durchströmkanäle durchströmende Medium verdampft werden kann. In den sich daran
anschließenden Bereichen wird dann Wärmeenergie entsprechend der geforderten
Austrittstemperatur des Dampfes zugeführt.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer als Verdampfer ausgebildeten
Vorrichtung beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf
diese spezielle Ausgestaltung beschränkt ist.
Der Verdampfer weist wenigstens eine Durchströmeinrichtung auf, durch die das zu
verdampfende flüssige Medium hindurchgeleitet wird. Die Durchströmeinrichtung
umfaßt eine oder mehrere Durchströmschichten mit jeweils einem oder mehreren
Durchströmkanälen. Das zu verdampfende flüssige Medium tritt an den
Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle ein, durchströmt diese und verläßt die
Durchströmkanäle über deren Austrittsöffnungen. Während das zu verdampfende
flüssige Medium die Durchströmkanäle der wenigstens einen Durchströmeinrichtung
durchströmt, wird es durch die weiterhin vorgesehene wenigstens eine
Erhitzungseinrichtung erhitzt und verdampft.
Die Erhitzungseinrichtung, die mit der Durchströmeinrichtung verbunden ist, besteht
aus einer oder mehreren Schichten und kann auf verschiedene Weisen ausgebildet
sein. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf eine bestimmt Ausgestaltungsform der
Erhitzungseinrichtung beschränkt. Vielmehr muß diese lediglich geeignet sein, die zum
Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigte Wärmeenergie zur Verfügung
zu stellen.
Vorteilhaft können jeweils mehr als eine Durchströmeinrichtung und eine
Erhitzungseinrichtung vorgesehen sein. Vorzugsweise sind jeweils eine
Durchströmeinrichtung und eine Erhitzungseinrichtung abwechselnd übereinander
angeordnet, so daß eine Schichtabfolge entsteht. Die Anzahl der für die Vorrichtung,
beispielsweise den Verdampfer, verwendeten Durchströmeinrichtungen und
Erhitzungseinrichtungen ergibt sich insbesondere aus der Leistungsanforderung an die
Vorrichtung.
Die Durchströmeinrichtung und die Erhitzungseinrichtung sind so miteinander
verbunden, daß die von der Erhitzungseinrichtung erzeugte Wärmeenergie auf das die
Durchströmkanäle der Durchströmeinrichtung durchströmende Medium übertragen
werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Erhitzungseinrichtung derart ausgebildet, daß in den
Durchströmkanälen entlang der Durchströmungseinrichtung die
Oberflächentemperatur zumindest in einzelnen Bereichen unabhängig von anderen
Bereichen einstellbar ist. Da das Medium aus einer Zuleitung an den Eintrittsöffnungen
der Durchströmkanäle in diese eintritt, die Durchströmkanäle über deren gesamte
Länge durchströmt und anschließend an den Austrittsöffnungen am Ende der
Durchströmkanäle wieder in eine Ableitung austritt, ist das Temperaturprofil des
Wärme aufnehmenden Mediums auch über die Länge der Durchströmkanäle
beeinflußbar.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Zufuhr der zum
Erhitzen und/oder Verdampfen der Medien bereitgestellten Wärmeenergie so gezielt
gesteuert werden, daß eine Dampfblase im Bereich der Eintrittsöffnungen der
Durchströmkanäle sicher verhindert wird, wobei das Medium dennoch auf die
gewünschte Temperatur gebracht werden kann.
Wie im Hinblick auf den Stand der Technik bereits ausgeführt wurde, trat bei
bekannten Verdampfern der Fall auf, daß sich während der Aufheizung des
Verdampfers vor diesem eine Art Dampfpfropfen bildete. Dieser wurde durch
Verdampfen des Mediums direkt am Eintrittsbereich der Durchströmkanäle erzeugt.
Der so erzeugte Dampf wurde nicht sofort entlang der Durchströmungsrichtung
abgeführt, sondern staute sich vor den Kanälen auf. Gegen diesen Pfropfen, der einen
Überdruck bildete, kam die Fördereinrichtung nur beschränkt bis gar nicht an, so daß
sich die an der Fördereinrichtung eingestellte Fördermenge drastisch reduzierte.
Im Rahmen der Weiterentwicklung der bekannten Verdampfer wurde nun
überraschenderweise herausgefunden, daß sich nach dem Abschalten der
Erhitzungseinrichtung der Eintrittsbereich der Vorrichtung beziehungsweise der
Durchströmkanäle schnell soweit abkühlt, daß kein Dampfpfropfen vor den
Durchströmkanälen mehr aufgebaut wird. Das Medium wird dabei soweit vom
Eintrittsbereich entfernt im Inneren des Verdampfers verdampft, daß es den
Verdampfer in Durchströmungsrichtung verläßt, ohne daß ein zur nennenswerten
Behinderung der Flüssigkeitszufuhr führender Überdruck des entstehenden Dampfes,
beispielsweise durch Flüssigkeitstropfen in Mikrokanälen, aufgebaut wird. Die
Fördereinrichtung kann deshalb die eingestellte Fördermenge durch den Verdampfer
leiten. Dieser Effekt wurde in der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt.
Um zu vermeiden, daß die Erhitzungseinrichtung zunächst betätigt und dann
abgeschaltet werden muß, damit eine störungsfreie Erhitzung und/oder Verdampfung
des Mediums erfolgen kann, ist die Vorrichtung erfindungsgemäß dahingehend
weitergebildet worden, daß an der Oberfläche der Strömungskanäle ein
Temperaturprofil in Strömungsrichtung gezielt eingestellt werden kann, so daß ein
kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung möglich wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Vorteilhaft können die Durchströmschichten in Mikrostrukturtechnik und die
Durchströmkanäle als Mikrokanäle ausgebildet sein. Durch die Ausgestaltung der
Vorrichtung in Mikrostrukturtechnik wird erreicht, daß diese bei hoher
Leistungsfähigkeit besonders platzsparend ausgebildet werden kann. Dabei ist im
allgemeinen vorgesehen, daß auf einem kleinen Bauraum im Kubikzentimeterbereich
eine große Anzahl von mehreren tausend Mikrokanälen angeordnet ist. Durch diese
Mikrokanäle, die jeweils eine Höhe und Breite von nur wenigen µm aufweisen, werden
große spezifische Oberflächen, das heißt hohe Verhältnisse von Kanaloberfläche zu
Kanalvolumen, geschaffen, über die der Wärmeaustausch besonders effektiv erfolgt.
Dadurch sind solche Vorrichtungen, insbesondere wenn sie als Verdampfer eingesetzt
werden, außerordentlich leistungsfähig.
Wenn ein Verdampfer in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem, etwa einem
Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, verwendet werden soll, steht in der Regel nur
ein geringes Platzangebot zur Verfügung. Aus diesem Grund müssen die einzelnen
Komponenten des Brennstoffzellensystems möglichst klein ausgebildet werden. Zu
diesem Zweck kann beispielsweise ein Verdampfer in Mikrostrukturtechnik verwendet
werden.
Die Erhitzungseinrichtung ist regelmäßig derart ausgebildet, daß die Temperatur der
Innenoberfläche zumindest in einzelnen Bereichen der Durchströmkanäle frei und
unabhängig von anderen Bereichen einstellbar ist. Dadurch kann das Temperaturprofil
den aktuellen Gegebenheiten angepaßt werden. Bei herkömmlichen
Wärmeaustauschern und Verdampfern läßt sich die Leistung der Wärmequelle
üblicherweise nur als ganzes beeinflussen, so dass im Fall einer Drosselung die
Oberflächentemperatur über die gesamte Länge der Durchströmkanäle abgesenkt
wird.
Erfindungsgemäß ist die Erhitzungseinrichtung derart ausgebildet, daß in den
Durchströmkanälen entlang der Durchströmungseinrichtung ein Temperaturprofil im
Medium nach der Beziehung T1 < T2 < T3 einstellbar ist, mit T1 = Temperatur im
Eintrittsbereich der Durchströmkanäle, T3 = Temperatur im Austrittsbereich der
Durchströmkanäle und T2 = Temperatur im Bereich zwischen dem Eintrittsbereich und
dem Austrittsbereich der Durchströmkanäle. Dies wird durch eine geeignete Wahl der
Oberflächentemperatur in den Durchströmungskanälen erreicht und soll anhand eines
Beispiels verdeutlicht werden.
Wenn in der Vorrichtung beispielsweise Wasser verdampft werden soll, muß über die
von der Erhitzungseinrichtung erzeugte Oberflächentemperatur ein solches
Temperaturprofil im Medium eingestellt werden, daß die im Eintrittsbereich der
Durchströmkanäle vorherrschende Temperatur T1 so klein ist, daß sich eine
Dampfblase vor den Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle nicht bilden kann.
Beispielsweise kann die Temperatur T1 so gewählt werden, daß das Wasser im
Eintrittsbereich der Durchströmkanäle eine Temperatur von 80°C nicht übersteigt. Im
weiteren Durchströmungsverlauf der Durchströmkanäle muß das Wasser auf
Siedetemperatur T2 erhitzt und verdampft werden. Hierzu sollte die
Oberflächentemperatur der Durchströmkanäle in dem Bereich, der sich dem
Eintrittsbereich der Durchströmkanäle anschließt die Verdampfungstemperatur deutlich
übersteigen. Beispielsweise kann die Oberflächentemperatur so gewählt werden, daß
das Wasser beziehungsweise der bereits gebildete Wasserdampf je nach Druck bis auf
eine Temperatur T2 von 150°C erwärmt wird.
Die Auswahl der Länge des Eintrittsbereichs und des zweiten Bereichs erfolgt
vorzugsweise derart, daß die Verdampfung des Wassers erst möglichst weit im
Inneren der Durchströmkanäle stattfindet. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß
immer eine ausreichend große Menge an Flüssigkeit in die Durchströmkanäle
nachströmen kann, so daß sich im Eintrittsbereich der Kanäle kein Überdruck
aufbauen kann, der die Durchströmrate verringert.
Um das mittlerweile verdampfte Wasser so zu überhitzen, daß der austretende Dampf
eine für weitere Prozeßschritte erforderliche Temperatur T3 hat, muß die im
Austrittsbereich der Durchströmkanäle eingestellte Oberflächentemperatur deutlich
höher eingestellt werden. Beispielsweise kann eine Erhitzung des Dampfs in den
Durchströmkanälen auf eine Temperatur T3 von etwa 230°C angestrebt werden, wozu
die Kanaloberfläche im Austrittsbereich auf beispielsweise 350°C erhitzt werden
müßte.
Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel handelt es sich um rein exemplarische
Werte, die den grundlegenden Gedanken der Einstellung eines Temperaturprofils
verdeutlichen sollen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Temperaturwerte
beschränkt. Vielmehr hängt die Einstellung der jeweils erforderlichen Temperaturen
von den zu erhitzenden und/oder verdampfenden Medien sowie der Struktur der
Durchströmkanäle ab. Über die Struktur der Durchströmkanäle, die vorzugsweise als
Mikrokanäle ausgebildet sind, wird die Oberfläche festgelegt, die mit dem zu
erhitzenden beziehungsweise zu verdampfenden Medium in Kontakt kommt. Je größer
der Kontaktbereich zwischen Medium und Oberfläche ist, desto besser kann Wärme
übertragen werden.
Vorteilhaft weist die Erhitzungseinrichtung mehrere Schichten auf, in denen zur
Einstellung des Temperaturprofils jeweils eine elektrische Heizeinrichtung,
insbesondere jeweils zwei oder mehr elektrische Heizelemente vorgesehen sind.
Derartige Heizelemente können beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, als
Heizdrähte, Heizpatronen oder dergleichen ausgebildet sein. Bei Betrieb einer mit den
Heizelementen verbundenen elektrischen Leistungsquelle wird in den Heizelementen
Wärme erzeugt, die dann an das zu erhitzende beziehungsweise verdampfende
Medium übertragen werden kann.
Zumindest einzelne Heizelemente sind frei und unabhängig von den anderen
Heizelementen regelbar. Dadurch wird eine einfache und dennoch genaue Einstellung
des Temperaturprofils in verschiedenen Bereichen der Durchströmkanäle im
durchströmenden Medium über die jeweils vorhandene Oberflächentemperatur in den
Durchströmkanälen möglich.
Dies soll anhand eines Beispiels beschrieben werden. Bei diesem Beispiel werden in
Anlehnung an die weiter oben beschrieben drei einzustellenden Temperaturen T1 bis
T3 insgesamt drei elektrische Heizelemente eingesetzt. Es ist jedoch
selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von
Heizelementen beziehungsweise von einzustellenden unterschiedlichen
Temperaturbereichen des Temperaturprofils beschränkt ist. Vielmehr ergibt sich die
Anzahl der erforderlichen Heizelemente wie die Anzahl unterschiedlicher
Temperaturbereiche des Temperaturprofils nach der jeweiligen konkreten Anforderung
an die Vorrichtung.
Wenn, wie beschrieben, drei Heizelemente verwendet werden, ist das erste
Heizelement vorzugsweise derart in der Erhitzungseinrichtung angeordnet, daß die von
diesem abgegebene Wärmeenergie die Temperatur T1 des Mediums im
Eintrittsbereich der Durchströmkanäle beeinflußt. Das dritte Heizelement ist
vorzugsweise derart in der Erhitzungseinrichtung angeordnet, daß es die Temperatur
T3 des Temperaturprofils im Austrittsbereich der Durchströmkanäle bestimmt. Das
zweite Heizelement ist vorzugsweise zwischen dem ersten und dem dritten
Heizelement angeordnet und bestimmt die Temperatur T2 des Temperaturprofils des
Mediums, die in demjenigen Bereich der Durchströmkanäle eingestellt wird, der sich
zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich befindet.
Um die Bildung einer schädlichen Dampfblase an den Eintrittsöffnungen der
Durchströmkanäle zu verhindern, sollte die erste Heizpatrone mit vergleichsweise
geringer Heizleistung betrieben werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß das zu
erhitzende beziehungsweise zu verdampfende Medium im Eintrittsbereich der
Durchströmkanäle die Verdampfungstemperatur nicht erreicht und in flüssigem
Zustand verbleibt. Es kann auch eine Lösung vorgesehen sein, bei der auf ein
Heizelement im Eintrittsbereich vollständig verzichtet wird. Das dritte Heizelement
kann mit hoher Heizleistung beaufschlagt werden, während durch eine
Leistungsvariation bei dem mittleren, zweiten Heizelement das Temperaturprofil variiert
werden kann, so dass der Eintritt des zu verdampfenden Mediums in den
Verdampfungsbereich in den Durchströmkanälen gezielt und je nach Bedarf individuell
entlang der Kanallängsachse verschoben werden kann.
Bei einer solchen Ausführungsform ist das zweite Heizelement vorteilhaft frei regelbar
ausgebildet, während das erste und das dritte Heizelement jeweils nicht regelbar
ausgebildet sein können. Es ist jedoch auch möglich, daß alle Heizelemente frei und
damit unabhängig voneinander regelbar sind. Dies läßt eine sehr genaue und gezielte
Einstellung des Temperaturprofils und der Dampfaustrittstemperatur zu.
Vorzugsweise können sich die Heizelemente quer, insbesondere senkrecht zur
Durchströmungsrichtung des Mediums über mehrere Durchströmkanäle erstrecken.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Erhitzungseinrichtung eine oder
mehrere Schichten aufweisen, die zur Einstellung des Temperaturprofils jeweils eine
Anzahl von Kanälen für ein Wärmeträgermedium umfassen.
Diese Schichten sind vorzugsweise in Mikrostrukturtechnik und die entsprechenden
Kanäle als Mikrokanäle ausgebildet. Zu den Vorteilen wird auf die vorstehenden
Ausführungen im Zusammenhang mit der Durchströmeinrichtung für das Medium
verwiesen.
Bei dieser Ausführungsform wird die zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums
erforderliche Wärmeenergie nicht über elektrische Heizelemente sondern über ein
entsprechendes Wärmeträgermedium, das beispielsweise als Flüssigkeit wie Öl oder
dergleichen ausgebildet sein kann, bereitgestellt. Wenn das zu erhitzende
beziehungsweise zu verdampfende Medium die Durchströmkanäle der
Durchströmeinrichtung durchströmt, wird es durch das die Kanäle der Schichten der
Erhitzungseinrichtung durchströmende Wärmeträgermedium erhitzt und bei Bedarf
verdampft.
Vorteilhaft können die Kanäle der Schichten und die Durchströmkanäle der
Durchströmschichten winklig, vorzugsweise senkrecht zueinanderausgerichtet sein
("Kreuzstrombauweise"). Wenn die Vorrichtung als Verdampfer verwendet wird,
bedeutet dies, daß die zu verdampfende Flüssigkeit in einer Strömungsrichtung durch
die entsprechenden Durchströmkanäle strömt, die senkrecht zur Ausrichtung der
Kanäle, in denen sich das Wärmeträgermedium befindet, ausgerichtet sind.
Es ist jedoch auch denkbar, daß die Kanäle der Schichten und die Durchströmkanäle
der Durchströmschichten parallel zueinander ausgerichtet sind. In einer solchen
Bauweise können das zu erhitzende beziehungsweise zu verdampfende Medium und
das Wärmeträgermedium, wenn es beispielsweise flüssig oder gasförmig ausgebildet
ist, die jeweiligen Kanäle parallel oder im "Gegenstromprinzip" durchströmen.
Die einzelnen Kanäle der Schicht können zur Einstellung eines Temperaturprofils
jeweils mit Wärmeträgermedien unterschiedlicher Temperatur durchströmt werden. Bei
einer solcher Ausgestaltung sind die einzelnen Kanäle der Schichten und die
Durchströmkanäle der Durchströmschichten vorzugsweise in "Kreuzstrombauweise"
ausgerichtet. Zur Einstellung der jeweiligen Temperaturbereiche des Temperaturprofils
im durchströmenden Medium entlang der Durchströmungseinrichtung ist in diesem Fall
vorgesehen, daß in den entsprechenden Bereichen der Erhitzungseinrichtung
vorgesehene Kanäle mit unterschiedlich heißen, den jeweiligen
Temperaturerfordernissen angepaßten Wärmeträgermedien durchströmt werden.
Die Bereitstellung unterschiedlich heißer Wärmeträgermedien kann auf verschiedene
Weise erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, verschiedene Quellen mit
unterschiedlich heißen Wärmeträgermedien vorzusehen. Bei einer solchen
Ausführungsform werden dann die jeweiligen Kanäle mit den entsprechenden Quellen
der Wärmeträgermedien verbunden.
Es ist jedoch auch denkbar, daß nur eine einzige Wärmeträgermediumquelle
vorgesehen ist, die mit allen Kanälen, die vom Wärmeträgermedium durchströmt
werden sollen, verbunden ist. Das Wärmeträgermedium kann dann außerhalb der
Vorrichtung in der jeweiligen Zuleitung zu den verschiedenen Kanälen der
Erhitzungseinrichtung durch eine geeignete Heizquelle erhitzt und in bedarfsweise
unterschiedlich erhitztem Zustand durch die dafür vorgesehenen Kanäle der
Erhitzungseinrichtung hindurchgeleitet werden. Die vom Wärmeträgermedium
gespeicherte Wärmeenergie wird dabei an das zu erhitzende beziehungsweise zu
verdampfende Medium abgegeben. Die Erhitzung des Wärmeträgermediums auf die
erforderliche Temperatur kann beispielsweise über elektrische Heizelemente,
geeignete Wärmetauscher oder dergleichen erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung können die Kanäle der Schichten katalytisch beschichtet
sein. In diesem Fall kann als Wärmeträgermedium ein unter dem Einfluß der
katalytischen Beschichtung exotherm reagierendes Reaktionsmedium vorgesehen
sein. Wenn dieses Reaktionsmedium die Kanäle durchströmt, wird durch die
entsprechende Beschichtung der Kanalwände eine Reaktion ausgelöst, wobei Wärme
entsteht. Diese Wärme kann auf das zu erhitzende beziehungsweise zu verdampfende
Medium, das die Durchströmkanäle der Durchströmeinrichtung durchströmt,
übertragen werden.
Wenn die Bereitstellung der erforderlichen Wärmeenergie auf diese Weise erfolgt, sind
die Kanäle der Erhitzungseinrichtung und die Durchströmkanäle der
Durchströmeinrichtung vorzugsweise entsprechend dem "Gegenstromprinzip"
ausgerichtet. In diesem Fall korrespondiert der Austrittsbereich der Durchströmkanäle
mit dem Eintrittsbereich der Kanäle der Erhitzungseinrichtung. Wenn das
Reaktionsmedium die katalytisch beschichteten Kanäle durchströmt, wird es im
Eintrittsbereich der Kanäle zunächst zu einer sehr heftigen Reaktion kommen, bei der
sehr viel Wärme freigesetzt wird. Auf diese Weise kann in den Durchströmkanälen in
deren Austrittsbereich eine sehr hohe Temperatur eingestellt werden. Wenn das
Reaktionsmedium die katalytisch beschichteten Kanäle im weiteren Verlauf
durchströmt, wird die Heftigkeit der auftretenden Reaktion und damit die Menge der
entstehenden Wärmeenergie immer schwächer. Im Austrittsbereich der katalytisch
beschichteten Kanäle ist die Reaktion am schwächsten, da ein Großteil des
Reaktionsmediums bereits zuvor reagiert hat. Im Austrittsbereich der katalytisch
beschichten Kanäle wird somit den Erfordernissen entsprechend nur eine relativ
geringe Menge an Wärmeenergie zur Verfügung gestellt.
Da die katalytisch beschichteten Kanäle und die Durchströmkanäle vorzugsweise im
"Gegenstromprinzip" durchströmt werden, bedeutet dies, daß dem die
Durchströmkanäle durchströmenden Medium im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle
nur wenig Wärmeenergie zugeführt wird, wobei die Menge der zugeführten
Wärmeenergie im weiteren Durchströmungsverlauf des Mediums durch die
Durchströmkanäle zunehmend größer wird. Im Endbereich der Durchströmkanäle ist
die zur Verfügung stehende Wärmeenergie am größten. Dadurch können die im
Hinblick auf die elektrischen Heizelemente bereits beschriebenen vorteilhaften Effekte
im Hinblick auf die Einstellung des Temperaturprofils erzielt werden.
Vorzugsweise können die Kanäle der Schichten einen oder mehrere Bereiche mit
jeweils unterschiedlicher katalytischer Beschichtung aufweisen. Das Temperaturprofil
kann durch eine solche Variation der katalytischen Beschichtung, beispielsweise einer
Variation in der Erhitzungseinrichtung in Richtung der Längsachse der Kanäle, gezielt
beeinflußt werden.
In der Zuleitung zur Eintrittsöffnung der Durchströmungskanäle kann wenigstens eine
Fördereinrichtung, insbesondere eine Pumpe, vorgesehen sein. Durch die
erfindungsgemäße Möglichkeit, in den Durchströmkanälen ein Temperaturprofil frei
einzustellen, kann eine Fördereinrichtung verwendet werden, die gegenüber dem
Umgebungsdruck nur einen geringen Überdruck erzeugt. Solche Fördereinrichtungen
sind einfach und kostengünstig herstellbar.
In weiterer Ausgestaltung kann in der Zuleitung im Bereich der Eintrittsöffnung der
Durchströmkanäle und/oder in der Ableitung im Bereich der Austrittsöffnung der
Durchströmkanäle ein Temperatursensor vorgesehen sein. Über diesen
Temperatursensor beziehungsweise diese Temperatursensoren können die
Temperaturen des Mediums beim Eintritt in die Vorrichtung sowie beim Austritt aus der
Vorrichtung erfaßt werden. Über die Erfassung der Temperaturen kann die Einstellung
der zweckmäßigen Oberflächentemperatur in den Durchströmungskanälen gesteuert
werden. Wenn die Temperatur im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle etwa zu hoch
ist, kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Erhitzungseinrichtung,
beispielsweise der jeweiligen elektrischen Heizelemente, die Temperatur im
Eintrittsbereich gesenkt werden. Auf entsprechende Weise kann das Temperaturprofil
auch zu höheren Temperaturen hin variiert werden, wenn dies erforderlich ist.
Im Rahmen der Erfindung kann auch eine Erhitzungseinrichtung vorgesehen sein, die
außer einer mit einem Wärmeträgermedium betriebenen Heizeinrichtung im Sinne
einer Zusatzheizung auch eine elektrische Heizeinrichtung umfaßt. Auf diese Weise
könnte vorteilhaft eine Grundlast der Erwärmung über das Wärmeträgermedium
eingebracht werden, während die erforderlichen höheren Temperaturen bereichsweise
über die besonders einfach regelbare elektrische Zusatzheizung erzeugt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien unter Verwendung
einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt, bei
dem das zu erhitzende und/oder zu verdampfende Medium einen oder mehrere
Durchströmkanäle wenigstens einer Durchströmeinrichtung durchströmt und dabei
über wenigstens eine Erhitzungseinrichtung zum Bereitstellen von Wärmeenergie, die
mit der wenigstens einen Durchströmeinrichtung im Sinne eines Wärmeaustauschers
verbunden ist, erhitzt und/oder verdampft wird. Das Verfahren ist erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungseinrichtung zur Beeinflussung der
Oberflächentemperatur in den Durchströmkanälen in Strömungsrichtung des Mediums
zumindest in einzelnen Bereichen unter voneinander unabhängig einstellbaren
Betriebsbedingungen betrieben wird. Das Medium wird daher in verschiedenen
Bereichen der Durchströmkanäle in Strömungsrichtung unterschiedlich hohen
Temperaturen ausgesetzt.
Auf diese Weise wird ein Verfahren geschaffen, mit dem flüssige oder gasförmige
Medien auf einfache und dennoch zuverlässige Weise erhitzt beziehungsweise
verdampft werden können, ohne daß sich die im Stand der Technik auftretenden
nachteiligen Dampfblasen im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle bilden können. Zu
den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen
Vorrichtung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Die Erfindung sieht vor, daß das Temperaturprofil des Mediums zumindest in einzelnen
Bereichen der Durchströmkanäle frei und unabhängig von anderen Bereichen variiert
werden kann. Vorteilhaft kann die Oberflächentemperatur der Durchströmungskanäle
derart eingestellt werden, daß im Eingangsbereich der Durchströmkanäle die im
Hinblick auf das gewünschte Temperaturprofil niedrigste Temperatur vorherrscht.
Zur Einstellung der jeweils erforderlichen Oberflächentemperatur in einem Bereich der
Durchströmkanäle kann eine elektrische Erhitzungseinrichtung mit entsprechend
bereichsweise unterschiedlicher elektrischer Leistung betrieben werden. Im Falle einer
mit einem Wärmeträgermedium betriebenen Erhitzungseinrichtung kann das
Wärmeträgermedium mit einer entsprechend bereichsweise unterschiedlichen
Anfangstemperatur in die jeweilige Eintrittsöffnung der Durchströmkanäle geführt
werden. Auch über eine Variation der Strömungsgeschwindigkeit des
Wärmeträgermediums in einzelnen Durchströmkanälen gegenüber anderen läßt sich
eine Beeinflussung der Oberflächentemperatur in einem Bereich entlang der
Durchströmeinrichtung zur Ausbildung eines erwünschten Temperaturprofils im zu
behandelnden Medium bewirken. Selbstverständlich kann auch, wie vorstehend
bezüglich der Vorrichtung bereits erwähnt, durch eine elektrische Zusatzheizung die
durch eine mit einem Wärmeträgermedium betriebene Erhitzungseinrichtung
erhältliche Oberflächentemperatur bei Bedarf örtlich angehoben werden, also
insbesondere im Ausgangsbereich der Durchströmkanäle.
Besonders vorteilhaft kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße
Vorrichtung und/oder ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren
zum Erhitzen und/oder Verdampfen eines Brennstoffs und/oder eines Kraftstoffs
verwendet werden.
Ein solcher Brennstoff und/oder Kraftstoff kann beispielsweise zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems eingesetzt werden. Ein Brennstoffzellensystem besteht in der
Regel aus einer oder mehreren Brennstoffzellen, die wenigstens eine Zuleitung und
wenigstens eine Ableitung für einen Brennstoff sowie wenigstens eine Zuleitung und
wenigstens eine Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweisen. Weiterhin ist
üblicherweise eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs
vorgesehen, in der der Brennstoff aus einem Ausgangsmaterial (Kraftstoff) zunächst
hergestellt beziehungsweise aufbereitet wird.
Vorteilhaft kann die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eine
Anzahl von Reaktorelementen aufweisen, beispielsweise einen Verdampfer, einen
Reformer, einen Shift-Reaktor und einen Reaktor für eine selektive Oxidation. Die
einzelnen Reaktorelemente sind über entsprechende Leitungen miteinander
verbunden, so daß der Brennstoff während seiner Erzeugung beziehungsweise
Aufbereitung die einzelnen Reaktorelemente nacheinander durchströmt. Wenigstens
eines der Reaktorelemente, vorzugsweise der Verdampfer, ist als eine wie vorstehend
beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet. Ein solcher Verdampfer ist
etwa erforderlich, wenn Wasserstoff aus Methanol, Benzin, Erdgas, Ethanol oder
anderen flüssigen Kohlenwasserstoffen reformiert werden soll. Dem Verdampfer muß
zum Betrieb Wärme zugeführt werden.
Vorteilhaft kann ein wie vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem in einem
oder für ein Fahrzeug verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung in der
Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit
besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere
Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für
mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationären Einrichtungen wie
Kraftwerksanlagen. Besonders eignet sich die Brennstoffzellentechnik auch für die
dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit
Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen
haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen,
weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von
mechanischem Verschleiß.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in stark schematisierter und vereinfachter Ansicht eine
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen von
Medien sowie diverse Peripherieeinrichtungen,
Fig. 2 in schematischer, seitlicher Ansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Erhitzen und/oder Verdampfen von Medien und
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf den Eintrittsbereich der
erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Erhitzen und/oder Verdampfen von Medien
dargestellt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Verdampfer für flüssige
Medien ausgebildet ist. Der Verdampfer 10 kann beispielsweise Bestandteil einer nicht
dargestellten Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs für ein ebenfalls
nicht dargestelltes Brennstoffzellensystem sein. Allerdings ist die Erfindung nicht auf
diese spezielle Anwendungsform beschränkt, so daß die Vorrichtung 10 grundsätzlich
für alle Anwendungen einsetzbar ist, in denen ein flüssiges oder gasförmiges Medium
erhitzt und/oder verdampft werden soll.
Die Vorrichtung 10 ist an ihrer Eingangsseite 11 mit einer Zuleitung 13 verbunden, über
die das zu verdampfende flüssige Medium, beispielsweise ein als Ausgangsmaterial für
den Brennstoff einer Brennstoffzelle dienender Kraftstoff wie Methanol, Ethanol, Benzin
oder dergleichen, in den Verdampfer 10 eingeleitet wird. An seiner Ausgangsseite 12
ist der Verdampfer 10 mit einer Ableitung 14 verbunden, über den der in den
dampfförmigen Zustand überführte Kraftstoff aus dem Verdampfer 10 abgeleitet und
anderen Reaktorelementen wie beispielsweise einem nicht dargestellten Reformer
zugeführt wird. Zur Einstellung einer vorgegebenen Fördermenge ist in der Zuleitung
13 eine als Pumpe ausgebildete Fördereinrichtung 15 vorgesehen, mit der ein
gegenüber dem Umgebungsdruck geringer Überdruck erzeugt werden kann.
Zur Temperaturmessung am Eintritt sowie am Austritt des Verdampfers 10 ist in der
Zuleitung 13 und in der Ableitung 14 jeweils ein Temperatursensor 16, 17 vorgesehen.
Der Verdampfer 10 sowie dessen Funktionsweise werden nun in Verbindung mit den
Fig. 2 und 3 näher beschrieben.
Der Verdampfer 10 ist in Mikrostrukturtechnik ausgebildet. Er verfügt über insgesamt
drei Durchströmeinrichtungen 20, die jeweils zwei Durchströmschichten 21 mit einer
Anzahl von Durchströmkanälen 22 aufweisen. Die Durchströmschichten 21 sind in
Mikrostrukturtechnik und die Durchströmkanäle 22 sind als Mikrokanäle ausgebildet. An
der oberen und unteren Seite ist der Verdampfer 10 mit einem oberen Deckelelement
40 bzw. einem unteren Deckelelement 41 abgeschlossen. Zwischen den einzelnen
Durchströmeinrichtungen 20 sind jeweils Erhitzungseinrichtungen 30 vorgesehen. Die
Erhitzungseinrichtungen 30 bestehen im vorliegenden Beispiel aus jeweils einer
Schicht 31, in der eine Anzahl von Heizelementen, im vorliegenden Fall drei elektrisch
Heizelemente 32, 33, 34, angeordnet sind.
Die Heizelemente 32, 33, 34, die z. B. als Heizwendeln, Heizpatronen oder dergleichen
ausgebildet sein können, sind mit einer nicht dargestellten elektrischen Leistungsquelle
verbunden. Bei Aufnahme elektrischer Leistung aus der elektrischen Leistungsquelle
erwärmen sich die Heizelemente 32, 33, 34. Die so erzeugte Wärmeenergie kann an
die Durchströmkanäle 22 abgegeben werden und sorgen dort für eine entsprechend
hohe Oberflächentemperatur.
Auch wenn im Beispiel gemäß den Fig. 2 und 3 jeweils drei Heizelemente pro
Schicht 31 vorgesehen sind, ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Anzahl von
Heizelementen beschränkt. Ebenso kann, wie weiter oben in der Beschreibung bereits
ausführlich dargelegt wurde, auf die Verwendung von elektrischen Heizelementen
verzichtet werden. Stattdessen können verschiedene Schichten mit Kanälen
vorgesehen sein, die in ihrem Aufbau in etwa den Durchströmschichten 21 und den
Durchströmkanälen 22 entsprechen. Durch diese Kanäle kann dann ein entsprechend
geeignetes Wärmeträgermedium mit der für die angestrebte Oberflächentemperatur
jeweils erforderlichen Temperatur hindurchgeleitet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 und 3 sind insgesamt zwei
Erhitzungseinrichtungen 30 vorgesehen, die zwischen den Durchströmeinrichtungen
20 angeordnet sind, so daß sich eine abwechselnde Schichtfolge von jeweils einer
Durchströmeinrichtung 20 und einer Erhitzungseinrichtung 30 ergibt. Die Anzahl und
Anordnung der erforderlichen Durchströmeinrichtungen 20 und
Erhitzungseinrichtungen 30 für den Verdampfer 10 ergibt sich je nach Bedarf und
Anwendungsfall.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Verdampfers 10 beschrieben.
Das zu verdampfende Medium tritt als Medium-Zustrom 42 aus der in der Fig. 1
dargestellten Zuleitung 13 über entsprechende Eintrittsöffnungen 26 in die
Durchströmkanäle 22 ein. Anschließend durchströmt es die Durchströmkanäle 22 in
Strömungsrichtung D, das heißt in Richtung der Kanallängsachsen der
Durchströmkanäle 22. Während der Durchströmung der Durchströmkanäle 22 wird das
zunächst flüssige Medium verdampft. Das in den dampfförmigen Zustand
übergegangene Medium verläßt den Verdampfer 10 beziehungsweise die
Durchströmkanäle 22 als Medium-Abstrom 43 über entsprechende Austrittsöffnungen
27 der Durchströmkanäle 22. Das nunmehr dampfförmige Medium wird anschließend
über die in Fig. 1 dargestellte Ableitung 14 weitergeleitet.
Um zu vermeiden, daß sich eine wie im Stand der Technik beschriebene nachteilige
Dampfblase im Bereich der Eintrittsöffnungen 26 der Durchströmkanäle 22 bilden
kann, wodurch ein Durchströmen der Durchströmkanäle 22 mit dem zu verdampfenden
Medium behindert oder gar unterbunden werden kann, ist erfindungsgemäß
vorgesehen, daß über die Erhitzungseinrichtung 30 in den Durchströmkanälen 22 in
Strömungsrichtung D des Mediums ein Profil der Oberflächentemperaturen eingestellt
wird, so daß das die Durchströmkanäle 22 durchströmende Medium in verschiedenen
Bereichen der Durchströmkanäle 22 abschnittsweise unterschiedlich hohen
Temperaturen ausgesetzt wird.
Dies wird im Ausführungsbeispiel durch die Heizelemente 32, 33, 34 erreicht. Diese
Heizelemente sind senkrecht zu den Durchströmkanälen 22 ausgerichtet und
erstrecken sich jeweils über alle Durchströmkanäle 22 der zugeordneten
Durchströmungsschichten 21. Auf diese Weise wird ein Verdampfer 10 geschaffen, in
dem die von den Heizelementen 32, 33, 34 erzeugte und bereitgestellte Wärmeenergie
abschnittsweise auf das die Durchströmkanäle 22 durchströmende, zu verdampfende
Medium übertragen wird. Dies entspricht in etwa einer "Kreuzstrombauweise"
allerdings mit dem Unterschied, dass die elektrischen Heizelemente über ihre gesamte
Länge hinweg eine gleich hohe Wärmeleistung abgeben können, während bei einem
mittels Wärmeträgermedium beheizten Verdampfer die Wärmeleistung wegen der
abnehmenden Temperatur des Wärmeträgermediums von Durchströmungskanal zu
Durchströmungskanal kontinuierlich abnimmt.
Die einzelnen Heizelemente 32, 33, 34 sind frei und unabhängig voneinander regelbar.
Über die Heizelemente 32, 33, 34 kann ein Temperaturprofil des Mediums in
Durchströmungsrichtung D durch die Durchströmkanäle 22 nach der Beziehung T1 <
T2 < T3 eingestellt werden, wobei mit T1 die Temperatur im Eintrittsbereich 23 der
Durchströmkanäle 22, mit T3 die Temperatur im Austrittsbereich 24 der
Durchströmkanäle 22 und mit T2 die Temperatur im Bereich 25 zwischen dem
Eintrittsbereich 23 und dem Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 bezeichnet
ist.
Um die störende Bildung einer Dampfblase vor den Eintrittsöffnungen 26 der
Durchströmkanäle 22 zu verhindern, wird das Heizelement 32 nur gering beheizt, so
daß sich im Eintrittsbereich 23 die im Hinblick auf das Temperaturprofil geringste
Temperatur einstellt. Diese Temperatur T1 ist so zu wählen, daß das zu verdampfende
Medium zwar erhitzt, nicht jedoch bereits verdampft wird. Auf diese Weise kann das zu
verdampfende Medium vorgewärmt, aber in noch flüssigem Zustand in die
Durchströmkanäle 22 eintreten. Weiterhin wird gewährleistet, daß das flüssige Medium
auch im gesamten Eintrittsbereich 23 der Durchströmkanäle 22 in flüssigem Zustand
verbleibt. Das mit dem Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 korrespondierende
Heizelement 34 kann mit sehr hoher Heizleistung beaufschlagt werden, während durch
eine Leistungsvariation bei dem mittleren Heizelement 33 das Temperaturprofil im
Bereich 25 der Durchströmkanäle 22 variiert werden kann. Damit kann der Ort, wo das
bis dahin noch flüssige Medium in den dampfförmigen Zustand überzugehen beginnt,
je nach Bedarf innerhalb der Durchströmkanäle 22 nach vorne oder nach hinten
verschoben werden. Wenn das Heizelement 33 mit nur geringer Heizleistung
beaufschlagt wird, bedeutet dies, daß die in den Durchströmkanälen 22 herrschende
Oberflächentemperatur und folglich auch die Temperatur T2 des Mediums gering ist,
wodurch die Verdampfung des flüssigen Mediums reduziert beziehungsweise
ausgesetzt wird. Wenn hingegen das Heizelement 33 mit hoher Heizleitung
beaufschlagt wird, wird sich auch die Oberflächentemperatur in den
Durchströmkanälen 22 erhöhen, so daß im Bereich 25 ein größerer Anteil des flüssigen
Mediums verdampft wird.
Die Einstellung und Steuerung der jeweiligen Heizelemente 32, 33, 34 kann über
entsprechende Steuersignale erfolgen, die über Temperaturmessungen mit Hilfe der
Temperatursensoren 16, 17 generiert werden.
Um eine vollständige und störungsfreie Verdampfung eines flüssigen Mediums
erreichen zu können, wird das Heizelement 32 mit solch einer Heizleistung
beaufschlagt, daß das die Durchströmkanäle 22 durchströmende, noch flüssige
Medium, einer Oberflächentemperatur ausgesetzt wird, bei der es zwar auf eine
Temperatur T1 erhitzt, jedoch noch nicht verdampft wird. Nachdem das noch flüssige
Medium den Eintrittsbereich 23 der Durchströmkanäle 22 verlassen hat, kommt es in
den Einflußbereich des Heizelements 33. Dieses Heizelement 33 wird mit einer
erhöhten Heizleistung beaufschlagt, so daß das noch flüssige Medium in dem dem
Eintrittsbereich 23 folgenden Bereich 25 der Durchströmkanäle 22 einer über der
Verdampfungstemperatur T2 liegenden Oberflächentemperatur ausgesetzt wird, daß
es verdampft wird. Da aus dem Eintrittsbereich 23 immer flüssiges Medium
nachströmt, wird sicher verhindert, daß sich vor den Eintrittsöffnungen 26 der
Durchströmkanäle 22 eine störende Dampfblase bilden kann. Um zu gewährleisten,
daß der über die Austrittsöffnungen 27 aus den Durchströmkanälen 22 austretende
dampfförmige Medium-Abstrom 43 die für die weiteren Prozeßschritte erforderliche
Temperatur aufweist, kann es notwendig sein, das dampfförmige Medium im
Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 zu überhitzen. Dazu wird das mit dem
Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 korrespondierende Heizelement 34 mit
sehr hoher Heizleistung beaufschlagt. Auf diese Weise wird eine entsprechend hohe
Oberflächentemperatur erzeugt, der das bereits verdampfte Medium im
Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 ausgesetzt wird, so dass es sich auf die
Überhitzungstemperatur T3 erwärmt. Der so überhitzte gasförmige Medium-Abstrom
43 kann über die Ableitung 14 weiteren Prozeßschritten oder Reaktorelementen, wie
beispielsweise einem Reformer, zugeführt werden.
10
Vorrichtung zum Erhitzen/Verdampfen von Medien (Verdampfer)
11
Eingangsseite
12
Ausgangsseite
13
Zuleitung
14
Ableitung
15
Fördereinrichtung (Pumpe)
16
Temperatursensor
17
Temperatursensor
20
Durchströmeinrichtung
21
Durchströmschicht
22
Durchströmkanal
23
Eintrittsbereich
24
Austrittsbereich
25
Bereich zwischen Eintrittsbereich und Austrittsbereich
26
Eintrittsöffnung
27
Austrittsöffnung
30
Erhitzungseinrichtung
31
Schicht
32
Heizelement
33
Heizelement
34
Heizelement
40
Deckelelement (oben)
41
Deckelelement (unten)
42
Medium-Zustrom
43
Medium-Abstrom
D Strömungsrichtung
D Strömungsrichtung
Claims (20)
1. Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger
Medien, mit wenigstens einer Durchströmeinrichtung (20), die eine oder
mehrere Durchströmschichten (21) mit jeweils einem oder mehreren Durch
strömkanälen (22) für das Medium aufweist, wobei die Durchströmkanäle (22)
jeweils eine Eintrittsöffnung (26) und eine Austrittsöffnung (27) aufweisen und
die Eintrittsöffnung (26) mit einer Zuleitung (13) und die Austrittsöffnung (27) mit
einer Ableitung (14) verbindbar ist,
und mit wenigstens einer aus einer oder mehreren Schichten (31) gebildeten Erhitzungseinrichtung (30) zum Bereitstellen der zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigten Wärmeenergie, die mit der Durchström einrichtung (20) im Sinne eines Wärmeaustauschers verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Einstellung eines gewünschten Temperaturprofils auf den Oberflächen der Durchströmkanäle zumindest in einzelnen Bereichen (23, 24, 25) der Durchströmkanäle (22) in Strömungsrichtung (D) unabhängig von anderen Bereichen die Heizleistung der Erhitzungseinrichtung (30) bereichsweise einstellbar ist.
und mit wenigstens einer aus einer oder mehreren Schichten (31) gebildeten Erhitzungseinrichtung (30) zum Bereitstellen der zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigten Wärmeenergie, die mit der Durchström einrichtung (20) im Sinne eines Wärmeaustauschers verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Einstellung eines gewünschten Temperaturprofils auf den Oberflächen der Durchströmkanäle zumindest in einzelnen Bereichen (23, 24, 25) der Durchströmkanäle (22) in Strömungsrichtung (D) unabhängig von anderen Bereichen die Heizleistung der Erhitzungseinrichtung (30) bereichsweise einstellbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Durchströmschichten (21) in Mikrostrukturtechnik und dass die
Durchströmkanäle (22) als Mikrokanäle ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhitzungseinrichtung (30) eine oder mehrere Schichten (31) aufweist,
in denen zur Einstellung des Temperaturprofils jeweils eine elektrische Heizein
richtung vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Heizeinrichtung jeweils zwei oder mehr elektrische Heizele
mente (32, 33, 34) aufweist und zumindest einzelne Heizelemente (32, 33, 34)
frei und unabhängig von den anderen Heizelementen regelbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Heizelemente (32, 33, 34) sich quer zur Strömungsrichtung (D) des
Mediums über mehrere Durchströmkanäle (22) erstrecken.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhitzungseinrichtung (30) eine oder mehrere Schichten (31) aufweist,
die zur Einstellung des Temperaturprofils jeweils eine Anzahl von Kanälen für
ein Wärmeträgermedium umfassen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Schicht(en) (31) in Mikrostrukturtechnik und daß die Kanäle als
Mikrokanäle ausgebildet ist/sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanäle der Schicht(en) (31) und die Durchströmkanäle (22) der
Durchströmschichten (21) winklig, insbesondere senkrecht, zueinander
ausgerichtet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass einzelne Kanäle der Schicht(en) (31) zur Einstellung des Temperatur
profils mit Wärmeträgermedien unterschiedlicher Temperatur durchströmt
werden oder durchströmbar sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanäle der Schicht(en) (31) und die Durchströmkanäle (22) der
Durchströmschichten (21) parallel zueinander ausgerichtet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanäle der Schicht(en) (31) katalytisch beschichtet sind und daß als
Wärmeträgermedium ein unter dem Einfluß der katalytischen Beschichtung
exotherm reagierendes Reaktionsmedium vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Kanäle der Schicht(en) (31) einen oder mehrere Bereiche mit jeweils
unterschiedlicher katalytischer Beschichtung aufweisen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Zuleitung (13) wenigstens eine Fördereinrichtung (15),
insbesondere eine Pumpe, vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Zuleitung (13) im Bereich der Eintrittsöffnung (26) der Durchström
kanäle (22) und/oder in der Ableitung (14) im Bereich der Austrittsöffnung (27)
der Durchströmkanäle (22) ein Temperatursensor (16, 17) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhitzungseinrichtung (30) eine mit einem Wärmeträgermedium
betriebene Heizeinrichtung und zusätzliche zumindest in einzelnen Bereichen
entlang den Durchströmkanälen (22) im Sinne einer Zusatzheizung auch eine
elektrische Heizeinrichtung umfaßt.
16. Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger Medien unter
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche
1 bis 15, bei dem das zu erhitzende und/oder zu verdampfende Medium einen
oder mehrere Durchströmkanäle wenigstens einer Durchströmeinrichtung
durchströmt und dabei über wenigstens eine Erhitzungseinrichtung zum
Bereitstellen von Wärmeenergie, die mit der wenigstens einen Durchström
einrichtung im Sinne eines Wärmeaustauschers verbunden ist, erhitzt und/oder
verdampft wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Erhitzungseinrichtung zur Beeinflussung der Oberflächentemperatur in
den Durchströmkanälen in Strömungsrichtung des Mediums zumindest in
einzelnen Bereichen unter voneinander unabhängig einstellbaren Betriebsbe
dingungen betrieben wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die elektrische Erhitzungseinrichtung mit bereichsweise unterschiedlicher
elektrischer Leistung betrieben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die mit einem Wärmträgermedium betriebene Erhitzungseinrichtung
bereichsweise mit unterschiedlich hoher Temperatur und/oder mit unter
schiedlich großer Strömungsgeschwindigkeit in die jeweilige Eintrittsöffnung der
Durchströmkanäle geführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberflächentemperatur in den Durchströmungskanälen, die durch die
mit einem Wärmeträgermedium betriebene Erhitzungseinrichtung beheizt
werden, bereichsweise durch eine elektrische Zusatzheizung eingestellt wird.
20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und/oder
eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 19 zum Erhitzen und/oder
Verdampfen eines Brennstoffs und/oder eines Kraftstoffs.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10010400A DE10010400C2 (de) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien |
AU2001252100A AU2001252100A1 (en) | 2000-02-28 | 2001-02-19 | Device and method for heating and/or vaporisation of fluid or gaseous media |
PCT/DE2001/000700 WO2001065618A2 (de) | 2000-02-28 | 2001-02-19 | Vorrichtung und verfahren zum erhitzen und/oder verdampfen flüssiger oder gasförmiger medien |
EP01925289A EP1261993A2 (de) | 2000-02-28 | 2001-02-19 | Vorrichtung und verfahren zum erhitzen und/oder verdampfen flüssiger oder gasförmiger medien |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10010400A DE10010400C2 (de) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE10010400A1 DE10010400A1 (de) | 2001-09-06 |
DE10010400C2 true DE10010400C2 (de) | 2002-10-31 |
Family
ID=7633380
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE10010400A Expired - Fee Related DE10010400C2 (de) | 2000-02-28 | 2000-02-28 | Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1261993A2 (de) |
AU (1) | AU2001252100A1 (de) |
DE (1) | DE10010400C2 (de) |
WO (1) | WO2001065618A2 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006108796A1 (de) | 2005-04-15 | 2006-10-19 | INSTITUT FüR MIKROTECHNIK MAINZ GMBH | Mikroverdampfer |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6805846B2 (en) * | 2001-06-18 | 2004-10-19 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Compact reactor capable of being charged with catalytic material for use in a hydrogen generation/fuel cell system |
JP3891131B2 (ja) | 2002-03-29 | 2007-03-14 | カシオ計算機株式会社 | 化学反応装置及び電源システム |
TW592830B (en) * | 2002-03-29 | 2004-06-21 | Casio Computer Co Ltd | Chemical reaction apparatus and power supply system |
JP4048864B2 (ja) | 2002-07-29 | 2008-02-20 | カシオ計算機株式会社 | 小型化学反応装置およびその製造方法 |
JP3979219B2 (ja) | 2002-08-07 | 2007-09-19 | カシオ計算機株式会社 | 小型化学反応装置 |
DE10335451A1 (de) * | 2003-08-02 | 2005-03-10 | Bayer Materialscience Ag | Verfahren zur Entfernung von flüchtigen Verbindungen aus Stoffgemischen mittels Mikroverdampfer |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5600052A (en) * | 1994-05-02 | 1997-02-04 | Uop | Process and apparatus for controlling reaction temperatures |
US5811062A (en) * | 1994-07-29 | 1998-09-22 | Battelle Memorial Institute | Microcomponent chemical process sheet architecture |
DE19523972C1 (de) * | 1995-06-30 | 1996-08-08 | Siemens Ag | Brennstoffzellenanlage und Verfahren zu ihrem Betrieb |
US6200536B1 (en) * | 1997-06-26 | 2001-03-13 | Battelle Memorial Institute | Active microchannel heat exchanger |
ATE249687T1 (de) * | 1997-12-28 | 2003-09-15 | Klaus Rennebeck | Brennstoffzelleneinheit |
DE19963594C2 (de) * | 1999-12-23 | 2002-06-27 | Mannesmann Ag | Vorrichtung in Mikrostrukturtechnik zum Hindurchleiten von Medien sowie Verwendung als Brennstoffzellensystem |
-
2000
- 2000-02-28 DE DE10010400A patent/DE10010400C2/de not_active Expired - Fee Related
-
2001
- 2001-02-19 EP EP01925289A patent/EP1261993A2/de not_active Withdrawn
- 2001-02-19 AU AU2001252100A patent/AU2001252100A1/en not_active Abandoned
- 2001-02-19 WO PCT/DE2001/000700 patent/WO2001065618A2/de active Application Filing
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
NICHTS ERMITTELT * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2006108796A1 (de) | 2005-04-15 | 2006-10-19 | INSTITUT FüR MIKROTECHNIK MAINZ GMBH | Mikroverdampfer |
DE102005017452B4 (de) * | 2005-04-15 | 2008-01-31 | INSTITUT FüR MIKROTECHNIK MAINZ GMBH | Mikroverdampfer |
US8167030B2 (en) | 2005-04-15 | 2012-05-01 | Gunther Kolb | Micro-evaporator |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP1261993A2 (de) | 2002-12-04 |
AU2001252100A1 (en) | 2001-09-12 |
WO2001065618A2 (de) | 2001-09-07 |
WO2001065618A3 (de) | 2002-02-14 |
DE10010400A1 (de) | 2001-09-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE69806658T2 (de) | Vorrichtung für die Reformierung von Kraftstoffen | |
EP1879674B1 (de) | Mikroverdampfer | |
EP0694729B1 (de) | Verdampfereinheit | |
EP1402589B1 (de) | Vorrichtung und verfahren zum verdampfen flüssiger medien | |
DE60216875T2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen von Brennstoff für Reformer eines Brennstoffzellensystems | |
EP0831055A2 (de) | Zentrale Heizvorrichtung für ein Gaserzeugungssystem | |
EP0878442A1 (de) | Reformierungsreaktor und Betriebsverfahren hierfür | |
DE19963594C2 (de) | Vorrichtung in Mikrostrukturtechnik zum Hindurchleiten von Medien sowie Verwendung als Brennstoffzellensystem | |
DE10242020A1 (de) | Methanol-Reformierungsgerät | |
DE10010400C2 (de) | Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien | |
DE10110465B4 (de) | Reaktor | |
DE10160834B4 (de) | Vorrichtung zum Verdampfen und Überhitzen wenigstens eines Mediums sowie Brennstoffzellensystem | |
DE10013437C1 (de) | Folienpaket für einen aus Folien aufgebauten Verdampfer | |
EP1224967A2 (de) | Reaktor | |
DE10046692C2 (de) | Vorrichtung zur Verdampfung einer Flüssigkeit | |
DE19931063C2 (de) | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Kühlen und Heizen von Reaktorelementen | |
EP1180496B1 (de) | Vorrichtung zur Zuführung von Edukten zu parallelen Räumen | |
DE19958830B4 (de) | Brennstoffzellensystem sowie dessen Verwendung | |
WO2002085777A2 (de) | Vorrichtung zum erzeugen und/oder aufbereiten eines brennstoffs für eine brennstoffzelle | |
DE19904400C2 (de) | Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Erhitzen eines Reaktand-Massenstroms | |
WO2023209002A1 (de) | Wärmetauscher mit integrierter anfahrheizung | |
EP1922519A1 (de) | Wärmeübertrager-vorrichtung, verwendung einer solchen und verfahren zur erwärmung eines fluids | |
DE112019005805T5 (de) | Kompakte Brenner/Reformer-Einheit für ein Brennstoffzellensystem sowie deren Verwendung und Funktionsweise |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: P21 - POWER FOR THE 21ST CENTURY GMBH, 85649 BRUNN |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |