DE10013438C2 - Vorrichtung zum Überführen eines flüssigen Reaktant-Massenstroms in einen gasförmigen Reaktant-Massenstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überführen eines flüssigen Reaktant-Massenstroms in einen gasför­ migen Reaktant-Massenstrom nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist in der DE 44 26 692 C1 beschrieben. Die dort beschriebene, zweistufige Verdampfereinheit dient zum Überführen eines in Abhän­ gigkeit einer Lastvorgabe einstellbaren flüssigen Reaktant-Massenstroms in einen gasförmigen Reaktant-Massenstrom, wobei der flüssige Reaktant-Massenstrom mit Hilfe eines Wärmeträgermediums in einer ersten Stufe zumindest teilweise verdampft und in einer zwei­ ten Stufe gegebenenfalls vollständig verdampft und anschließend überhitzt wird.

Dabei wird vorgeschlagen, daß die Verdampfereinheit durch abwechselndes Aufeinanderstapeln von Folien mit Wärmeträgerkanälen und von Folien mit Reaktionskanälen ausgebildet ist, und daß jeweils zumindest eine erste und eine zweite Stufe in einer Folie integriert sind, wobei die erste Stufe als Kanal mit minimierter Quer­ schnittsfläche der sich direkt an die Zuströmleitung anschließt, ausgebildet ist, daß die erste Stufe bei hohen Wärmeübergangszahlen betrieben wird, und weiter daß der Gesamtquerschnitt der Reaktionskanäle in der zweiten Stufe in Strömungsrichtung zunimmt. Ein sich direkt an eine Eintrittsöffnung anschließender Kanal kann dabei quer zur Strömungsrichtung ausgebildet sein.

Der Nachteil einer derartigen Verdampfereinheit liegt darin, daß nicht sicher bestimmt werden kann, an wel­ cher Stelle im Bereich der in die Folie eingebrachten Kanäle die eigentliche Verdampfung stattfindet, wo­ durch eine gleichmäßige Verteilung des zu verdampfen­ den Reaktant-Massenstroms in der Verdampfereinheit in nachteiliger Weise beeinflußt wird. Sollte diese für die ideale Funktionsweise jedoch sehr günstige Gleich­ verteilung nicht zustande kommen, ist mit ungleichmä­ ßig erwärmten bzw. verdampften Reaktant-Massenströmen zu rechnen, welche in Teilbereichen des Verdampfers bereits überhitzt werden, wobei in anderen Teilberei­ chen und gegebenenfalls auch im Ausgangsbereich noch flüssige Tröpfchen in dem Reaktant-Massenstrom vorlie­ gen.

Außerdem kommt es durch die ungleichmäßige Verdampfung .und/oder Überhitzung des Reaktant-Massenstroms zu er­ heblichen Druckpulsationen in der Verdampfereinheit, welche sich über die daran angeschlossenen Leitungssy­ steme sowohl eingangsseitig, als auch ausgangsseitig in der Verdampfereinheit ausbreiten. Das die Verdampfereinheit aufweisende System wird damit durch die Verdampfereinheit in seiner Gesamtfunktion nachteilig beeinflußt.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrich­ tung zum Überführen eines flüssigen Reaktant- Massenstroms in einen gasförmigen Reaktand-Massenstrom zu schaffen, bei der insbesondere im Übergangsbereich von dem vergleichsweise kleinen Volumen der flüssigen Phase zu dem vergleichsweise großen Volumen der gas­ förmigen Phase eine möglichst ideale Gleichverteilung des Reaktant-Massenstroms zu erreichen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Dadurch, daß der Eingangskanal in direktem wärmelei­ tenden Kontakt zu dem Übergangsbereich steht, und da­ durch, daß der Reaktant-Massenstrom zuerst diesen Ein­ gangskanal durchströmt, ehe er in den Übergangsbereich gelangt, kann erreicht werden, daß durch den im Ein­ gangskanal noch flüssigen Reaktant-Massenstrom sowohl der Eingangskanal als auch der Übergangsbereich in der Art abgekühlt wird, daß der Reaktant-Massenstrom beim Erreichen des Übergangsbereichs seine Siedetemperatur noch nicht erreicht hat.

Durch den flüssigen Reaktant-Massenstrom in dem Über­ gangsbereich ist dann eine sehr gute Gleichverteilung des Reaktant-Massenstroms sichergestellt. Dabei wird in besonders vorteilhafter Weise erreicht, daß der Reaktant-Massenstrom den Übergangsbereich sehr gleich­ mäßig verteilt, in den sich an den Übergangsbereich anschließenden an sich bekannten Bereich, in dem die eigentliche Verdampfung stattfindet, verläßt. Damit kann eine sehr gleichmäßige und gleichförmige Verdamp­ fung und gegebenenfalls Überhitzung des flüssigen Re­ aktant-Massenstroms erreicht werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die an sich bekannten Gänge dabei als Vertiefungen in wenigstens eine der Folien einge­ bracht, wobei der Eingangskanal zu seinem überwiegend größten Teil in die andere der Folien eingebracht ist. Damit läßt sich der Eingangskanal, welcher in einer weiteren sehr günstigen Ausführungsform mäanderförmig verläuft, in der zweiten Folie direkt unter oder über dem Übergangsbereich, welcher in der anderen Folie angeordnet ist, plazieren. Damit wird der gesamte Übergangsbereich durch den im Eingangskanal noch flüs­ sigen Reaktant-Massenstrom in idealer Weise gekühlt, während der Reaktant-Massenstrom selbst vorgewärmt wird.

In einer weiteren sehr günstigen Ausführungsform der Erfindung wird die Folie mit den Gängen und die Folie mit dem überwiegend größten Teil des Eingangskanals zusammen mit einer Abdeck- oder einer Zwischenfolie zu einem Folienpaket zusammengefaßt. Diese Folienpakete werden dann abwechselnd mit entsprechenden Räumen für ein Heizmedium angeordnet, so daß eine Verdampferein­ heit entsteht. Die Räume für das Heizmedium sind dabei untereinander ebenso verbunden, wie die reaktant-massenstrom-seitigen Bereiche der Folien.

Selbstverständlich kann dabei die zweite Folie, welche den Eingangskanal im Bereich des Übergangsbereichs der anderen Folie enthält, in ihrem weiteren Verlauf für weitere Zwecke, wie beispielsweise das weitere Erhit­ zen oder Erwärmen eines zweiten Reaktant-Massenstroms, beispielsweise für zweigängige Verdampfer, genutzt werden.

Bei sämtlichen Anordnungen ist es dabei vollkommen unwichtig, wie weit das Heizmedium ein flüssiges oder gasförmiges Heizmedium ist. Da sich die Vorteile der Erfindung durch die Anordnung des Eingangskanals zur Kühlung des Übergangsbereichs erschließen und hierfür die Art der Beheizung der Vorrichtung, mittels eines flüssigen oder gasförmigen Heizmediums oder als direkt beheiztes Folienpaket mittels eines katalytischen Brenners oder dergleichen, unerheblich ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungs­ beispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen Teil einer Ver­ dampfereinheit; und

Fig. 2 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung gemäß der Linie II-II aus Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Teil einer Verdampfereinheit 1 er­ kennbar, welcher aus mehreren Folienpaketen 2, von denen hier drei Stück dargestellt sind, und entspre­ chenden Zwischenräumen 3 für ein Heizmedium aufgebaut ist. Zwischen den Folienpaketen 2 sind dabei die Zwischenräume 3 seitlich begrenzende Abstandshalter 4 angeordnet. In einem seitlichen Bereich weisen die Folienpakete 2 eine Eintrittsöffnung 5 für den Reaktant-Massenstrom auf. Diese Eintrittsöffnung 5 ist durch sämtliche Folienpakete 2 und durch die Zwischen­ räume 3 in der Art hindurchgeführt, daß die Folienpa­ kete 2 eingangsseitig miteinander verbunden sind.

Jedes der Folienpakete 2 besteht aus einer ersten Me­ dienfolie 6, einer zweiten Medienfolie 7 und einer Zwischenfolie 8.

Die erste Medienfolie 6 weist mehrere Öffnungen 9 auf, welche hier den Übergangsbereich von einem Eingangska­ nal 10, welcher zu seinem überwiegend größten Teil in der zweiten Medienfolie 7 angeordnet ist, zu dem Be­ reich in welchem die Verdampfung stattfinden wird, darstellen.

In Fig. 1 ist außerdem erkennbar, daß der flüssige Reaktant-Massenstrom bzw. das Medium durch die Ein­ gangsöffnung 5 in den in der zweiten Medienfolie 7 angeordneten Eingangskanal 10 einströmt.

In Fig. 2 ist in einer prinzipmäßigen Draufsicht gemäß der Linie II-II in Fig. 1 erkennbar, daß der Eingangs­ kanal 10, hier gestrichelt dargestellt, mäanderförmig in der zweiten Medienfolie 7 verläuft. Durch eine Durchtrittsöffnung 11 gelangt der Reaktant-Massenstrom 4 dann in den eigentlichen Übergangsbereich, welcher in der ersten Medienfolie 6 angeordnet ist. Dieser Über­ gangsbereich besteht aus einem Kanalabschnitt 12, wel­ cher über die Öffnungen 9 mit dem weiteren Bereich der ersten Medienfolie 6 verbunden ist. Dieser weitere Bereich der ersten Medienfolie 6 enthält dabei die Gänge 13, welche an sich bekannt und daher nicht ex­ plizit dargestellt sind. Bei diesen Gängen 13 kann es sich jedoch um entsprechende Kanäle, gegebenenfalls auch mit Querverbindungen untereinander, handeln. In diesem Bereich wird sich zumindest im Mittel eine be­ vorzugte Strömungsrichtung 14 gemäß der prinzipmäßig angedeuteten Pfeilrichtung einstellen.

Der flüssige Reaktant-Massenstrom, welcher durch die Eintrittsöffnung 5 in den Eingangskanal 10 gelangt, wird dadurch, daß der Eingangskanal 10 direkt bzw. über die Zwischenfolie 8 von dem Übergangsbereich in der ersten Medienfolie 6 getrennt ist, diesen Über­ gangsbereich entsprechend kühlen.

Damit ist sichergestellt, daß durch die Durchtritts­ öffnung 11 ein flüssiger Reaktant-Massenstrom mit ei­ ner Temperatur unterhalb seines Siedepunkts in dem Kanalabschnitt 12 eintritt und sich damit als Flüssig­ keit gleichmäßig über die Öffnungen 9 verteilen und in die Gänge 13 eindringen kann. Dabei ist auch die An­ ordnung der Durchtrittsöffnung 11 von Nutzen, die in der Art ausgebildet ist, daß sich der Reaktant-Massenstrom entgegen seiner späteren Strömungsrichtung 12, in dem Kanalabschnitt 12 verteilt.

Erst nachdem der flüssige Reaktant-Massenstrom sich gleichmäßig über die Öffnungen 9 verteilt hat bzw. in die Gänge 13 eingedrungen ist, wird er einer hohen Temperatur ausgesetzt, daß es zu der endgültigen Ver­ dampfung des Reaktant-Massenstroms, gegebenenfalls mit einer anschließenden Überhitzung, kommen wird.

Der Eingangskanal 10 übernimmt hier also eine Doppel­ funktion, indem er den flüssigen Reaktant-Massenstrom einerseits vorwärmt und andererseits den Übergangsbe­ reich des jeweiligen Folienpakets 2 in der Art kühlt, daß eine Gleichverteilung des Reaktant-Massenstroms über die zur Verfügung stehende Übertragungsfläche im Bereich der Gänge 13 sichergestellt ist.

Prinzipiell wäre für die Folienpakete 2 auch ein ande­ rer Aufbau denkbar, beispielsweise der Einsatz von zwei Medienfolien, welche mit einer weiteren Abdeckfo­ lie abgedeckt wären, oder der Einsatz von zwei Medien­ folien und einer sich daran anschließenden Folie für das Heizmedium, was insbesondere bei mit flüssigen Heizmedien, beispielsweise einem Thermoöl, beheizten Verdampfern sinnvoll wäre. Der prinzipielle Aufbau des einzelnen Folienpakets wird dadurch in seiner Funkti­ onsweise jedoch nicht beeinflußt.

Bei den eingesetzten Folien 6, 7, 8 kann es sich bei­ spielsweise um dünne Platten bzw. Folien aus einem hochlegierten Stahlwerkstoff handeln, in die die Gänge 13 eingeätzt sind.

Claims (7)

1. Vorrichtung zum Überführen eines flüssigen Re­ aktant-Massenstroms in einen gasförmigen Reaktant-Massenstrom, wobei der Reaktant-Massenstrom durch wenigstens einen Eingangskanal in Gänge zwischen wenigstens zwei Folien einströmt, wobei die Folien durch Zufuhr von thermischer Energie beheizbar sind, wobei die Folien den wenigstens einen zu ei­ nem großen Teil seiner Länge, wenigstens annähernd quer zu einer im größten Teil der Gänge vorherr­ schenden Strömungsrichtungen des Reaktant-Massenstroms verlaufenden Eingangskanal aufweisen, und wobei sich das Volumen der Gänge in einem Übergangsbereich von dem wenigstens einen Ein­ gangskanal zu den in Strömungsrichtung des Reaktant-Massenstroms verlaufenden Gängen stark ver­ größert, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskanal (10) in direktem wärmeleitendem Kontakt zu dem Übergangsbereich steht, wobei der Reaktant-Massenstrom in Strömungsrichtung (14) nach dem Durchströmen des wenigstens einen Ein­ gangskanals (10) den Übergangsbereich erreicht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gänge (13) als Vertiefungen in wenigstens eine der Folien (6) eingebracht sind, wobei der Ein­ gangskanal (10) zu seinem überwiegend größten Teil in die andere der Folien (7) eingebracht ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskanal (10) in der einen der Folien (7) mäanderförmig verläuft, wobei der mäanderförmige Verlauf direkt unter oder über dem Übergangsbe­ reich in der anderen Folie (6) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (6) mit den Gängen (13), die Folie (7) mit dem überwiegend größten Teil des Eingangska­ nals (10) und einer Abdeck- oder Zwischenfolie (8) zu einem Folienpaket (2) zusammengefaßt sind, wo­ bei durch die abwechselnde Anordnung von reaktant-massenstrom-seitig parallelgeschalteten Folienpa­ keten (2) und Räumen (3) für das Heizmedium eine Verdampfereinheit (1) gebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergangsbereich durch einen quer zu der im größten Teil der Gänge (13) vorherrschenden Strö­ mungsrichtung (14) des Reaktant-Massenstroms ver­ laufenden Kanalabschnitt (12) gebildet wird, wel­ cher durch zahlreiche Öffnungen (9) mit den Gängen (13) verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskanal (10) zentral in den Kanalab­ schnitt (12) mündet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gänge (13), Öffnungen (9) und Kanäle (10, 12) durch ein Ätzverfahren in die Folien (6, 7, 8) ein­ gebracht sind.