DE10020088A1 - Vorrichtung zum kontinuierlichen dosierten Einbringen von Flüssigkeit in einen Raum - Google Patents

Vorrichtung zum kontinuierlichen dosierten Einbringen von Flüssigkeit in einen Raum

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Abstract

Die Vorrichtung dient zum kontinuierlichen dosierten Einbringen von Flüssigkeit in einen Raum, insbesondere einen Verdampfer und/oder Reaktor in einem Gaserzeugungssystem zur Reformierung von Kohlenwasserstoffen, mit wenigstens einem Flüssigkeitsfördermittel. Das Flüssigkeitsfördermittel versorgt wenigstens zwei Zerstäuberdüsen für jede der einzubringenden Flüssigkeiten. In Abhängigkeit des zum jeweiligen Zeitpunkt zu zerstäubenden Volumenstroms der jeweiligen Flüssigkeit ist jeweils die eine der Zerstäuberdüsen, eine der anderen der Zerstäuberdüsen oder mehrere der wenigstens zwei Zerstäuberdüsen für jede der einzubringenden Flüssigkeiten nutzbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum kontinu­ ierlichen dosierten Einbringen von Flüssigkeit in ei­ nen Raum, insbesondere einen Reaktor zur Reformierung von Kohlenwasserstoffen.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, Flüssigkeiten oder flüssige Dispersionen über Düsen fein zerstäubt in einen Raum einzubringen oder auf eine Fläche aufzubringen. Diese Technik wird z. B. im Bereich der Lackiertechnik genutzt, wobei hier flüssi­ ge Dispersionen aus Wasser und/oder Lösungsmitteln und Lackpartikeln fein zerstäubt, kontinuierlich und do­ siert auf Oberflächen aufgebracht werden.
Das deutsche Gebrauchsmuster DE-GM 92 03 187 U1 be­ schreibt eine Vorrichtung zum Behandeln eines Mediums auf flüssiger Basis, welches in eine Röhre oder ein Behältnis einströmt oder diese(s) durchströmt und wäh­ rend einer Verweilzeit konditioniert wird. Die entsprechende Vorrichtung weist einen Einspritzkopf auf, der mehrere düsenartige, verstellbare Einlaßeinrich­ tungen besitzt, welche insbesondere so angeordnet sind, daß sie eine Strahlströmung erzeugen, und daß über sie die Verweilzeit des flüssigen Mediums, insbe­ sondere eines zu reinigenden bzw. zu entkeimenden Was­ sers, in dem Behälter bzw. der Röhre beeinflußbar ist.
Für das bevorzugte Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung, nämlich die Beschickung eines Reaktors zur Reformierung eines Kohlenwasserstoffs, insbesondere für ein Gaserzeugungssystem in einer Brennstoffzellen­ anlage, beschreibt die US 5,980,569 ein Mehrfachein­ spritzsystem, welches über zahlreiche im Bereich eines Reformers angeordnete Öffnungen eine sehr gleichmäßige Beschickung des Reformers mit den zu reformierenden Edukten erreicht.
Außerdem ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, daß Düsen bzw. Zerstäuberdüsen in der durch sie zu erzielenden Zerstäubungsqualität stark von dem jeweiligen Vordruck der zu zerstäubenden Flüssigkeit abhängig sind. Für die Zerstäubungsqualität wird im allgemeinen die zu erzielende Tröpfchengröße als Qua­ litätsparameter verwendet, wobei die Qualität der Zer­ stäubung um so besser ist, je kleiner die Größe der Tröpfchen ist. Die entsprechende Kenngröße hierfür ist der "Sauter Mean Diameter" SMD, welcher den Durchmes­ ser der zu erzielenden Tröpfchengröße in Mikrometer [µm] angibt. Je höher dabei der Druck der die Zerstäu­ berdüse erreichenden, zu zerstäubenden Flüssigkeit ist, desto kleiner wird dieser SMD und desto besser wird die Zerstäubungsqualität.
Es ist nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche das kontinuierli­ che dosierte Einbringen von Flüssigkeit in einen Raum in einer zerstäubten Form erlaubt, wobei über eine sehr große Lastspreizung, also eine sehr große Varia­ tion des jeweils einzubringenden Volumenstroms der Flüssigkeit, eine sehr hohe Zerstäubungsqualität er­ reicht werden soll.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrich­ tung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die Verwendung von wenigstens zwei Zerstäuberdü­ sen können diese jeweils so ausgelegt werden, daß jede der Zerstäuberdüsen für sich oder zumindest eine der wenigstens zwei Zerstäuberdüsen bereits bei einem Teil des zu erwartenden maximalen Volumenstroms nahe bei oder an ihrem jeweiligen Vollastvolumenstrom arbeitet. Damit können die Zerstäuberdüsen über weite Lastberei­ che ihres Betriebs mit einer vergleichsweise hohen Zerstäubungsqualität betrieben werden, da es möglich ist, die wenigstens zwei Zerstäuberdüsen bei dem für die jeweilige Zerstäuberdüse relativ hohen Druck, und damit bei einer vorgewählten Düsengeometrie guten Zer­ stäubung, zu betreiben.
Wird der dosiert einzubringende Flüssigkeitsvolumen­ strom der Flüssigkeit größer als er durch beispiels­ weise eine der Zerstäuberdüsen dosiert werden kann, so kann entweder eine weitere Zerstäuberdüse dazugeschal­ tet werden oder es kann auf eine andere, größere Zer­ stäuberdüse umgeschaltet werden.
Mit diesem erfindungsgemäßen Aufbau ist man in besonders vorteilhafter Weise in der Lage, über eine sehr hohe Lastspreizung des zu dosierenden Flüssigkeits- Volumenstroms, eine jeweils sehr gute Zerstäubungsqua­ lität zu erzielen.
Da häufig mehrere Flüssigkeiten dosiert werden, sind für jede der zu dosierenden Flüssigkeiten die wenig­ stens zwei Zerstäuberdüsen vorhanden.
Durch die damit zu erzielende über einen sehr großen Lastbereich sehr gute Zerstäubungsqualität der zudo­ sierten Flüssigkeit, kann, insbesondere im bevorzugten Ausführungsbeispiel nämlich der Reformierung eines Kohlenwasserstoffs, eine sehr gute und gleichmäßige Verteilung der zudosierten Flüssigkeiten erreicht wer­ den, was wiederum die Baugröße des Raums, hier insbe­ sondere des Reaktors und/oder Verdampfers verringert, da durch die hohe Zerstäubungsqualität die gewünschte Umsetzung schneller und auf kleinerem Raum ablaufen wird. Die Bauraumeinsparungen ziehen weitere Vorteile, wie z. B. Energieeinsparungen, beispielsweise durch eine Verringerung von Abstrahlverlusten, Materialein­ sparungen und letztendlich Kosteneinsparungen, nach sich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, sowie eine verfahrensgemäße Lösung zum Betreiben der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen prinzipmäßig dargestellten Aufbau eines Raums mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2 einen prinzipmäßig dargestellten Aufbau eines Raums mit einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 3 ein Druck-SMD-Diagramm zur Darstellung der Zerstäubungsqualität;
Fig. 4 eine Verschaltung von zwei Zerstäuberdüsen, zur besseren Zerstäubung über eine Last­ spreizung, in einem Volumenstrom-Druck Dia­ gramm;
Fig. 5 eine Verschaltung von vier Zerstäuberdüsen, zur besseren Zerstäubung über die Last­ spreizung, in einem Volumenstrom-Druck Dia­ gramm; und
Fig. 6 eine alternative Verschaltung von zwei Zer­ stäuberdüsen, zur besseren Zerstäubung über die Lastspreizung, in einem Volumenstrom-Druck Diagramm.
Fig. 1 zeigt in einer stark schematisierten Darstel­ lung einen Raum 1, beispielsweise einen Reaktor oder einen Verdampfer, speziell für ein Gaserzeugungssystem einer Brennstoffzellenanlage in einem Kraftfahrzeug. Der Raum 1 ist in einen ersten Teilraum 1a, in welchen die Flüssigkeiten kontinuierlich und dosiert einge­ bracht werden, sowie einen zweiten Teilraum 1b, in welchem die Reaktion bzw. die Verdampfung oder der­ gleichen abläuft, unterteilt.
Zur Verbesserung des in dem Teilraum 1b ablaufenden Geschehens sollten die Flüssigkeiten, in dem hier dar­ gestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich dabei um zwei Flüssigkeiten, nämlich um Wasser (H2O) und um flüssigen Kohlenwasserstoff (CnHm), kontinuierlich, lastabhängig dosiert und möglichst fein zerstäubt in den Teilraum 1a eingebracht werden. Kontinuierlich soll dabei bedeuten, daß hier keine Einspritzimpulse genutzt werden können, sondern daß, immer wenn Flüs­ sigkeit eingebracht werden soll, diese kontinuierlich zugeführt wird. Selbstverständlich schließt dies Pau­ sen in denen keine Flüssigkeit eingebracht wird, nicht aus.
Um diese Vorgabe über eine relativ große vorgegebene Lastspreizung eines Volumenstroms dV/dt der jeweiligen Flüssigkeit realisieren zu können, wird der Raum 1 über hier jeweils zwei Zerstäuberdüsen 2a, 2b für die Zerstäubung des Wassers und zwei Zerstäuberdüsen 3a, 3b für die Zerstäubung des flüssigen Kohlenwasser­ stoffs mit den Flüssigkeiten beschickt. Die Gründe für die Existenz mehrerer Zerstäuberdüsen 2a, 2b bzw. 3a, 3b für die jeweilige Flüssigkeit wird im Nachfolgenden noch näher erläutert, ebenso die Verschaltung und die Art und Weise, auf welche die hohe Zerstäubungsquali­ tät erzielt werden kann.
In den Aufbau gemäß Fig. 1 sind die Zerstäuberdüsen 2a, 2b bzw. 3a, 3b jeweils mit Zuleitungen 4 versehen, wobei diese Zuleitungen 4 in jeweils einem Verzwei­ gungspunkt 5 zusammenlaufen. Der jeweilige Verzwei­ gungspunkt 5 wird in dem hier dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel von jeweils einem Fördermittel 6 bzw. einer Pumpe 6 mit der jeweiligen Flüssigkeit (H2O bzw. CnHm) versorgt.
Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Raums 1 mit den Zerstäuberdüsen 2a, 2b, wobei hier auf weitere Zerstäuberdüsen verzichtet wird. Dafür weist die Zuleitung 4 in einem Bereich vor dem Erreichen der Zerstäuberdüsen 2a, 2b eine Mischeinrichtung 7 auf, so daß die zu dosierenden Flüssigkeiten bereits vor dem Erreichen der Zerstäuberdüsen 2a, 2b zu einem Flüssig­ keitsgemisch vermischt werden. Dadurch ist dann ledig­ lich ein Aufbau mit den zwei Zerstäuberdüsen 2a, 2b, mit einem der Verzweigungspunkte 5 und ggf. auch nur mit einer Pumpe 6 erforderlich. Dies senkt außerdem den Aufwand bezüglich der Zuleitungen 4 und der Steue­ rung der Anlage und trägt damit zu einer weiteren Ver­ einfachung des Aufbaus bei.
Grundsätzlich gilt für Zerstäuberdüsen 2a, 2b, 3a, 3b, daß die mit ihnen zu erzielende Zerstäubungsqualität von dem Vordruck, mit welchem die Flüssigkeit zu der Zerstäuberdüse 2a, 2b, 3a, 3b gelangt, abhängig ist. Dabei kann die Geometrie der jeweiligen Zerstäuberdüse 2a, 2b, 3a, 3b auf den jeweiligen Maximaldruck pmax bzw. den jeweiligen maximal förderbaren Volumenstrom dV/dt der zu zerstäubenden Flüssigkeit abgestimmt wer­ den. Jede Zerstäuberdüse 2a, 2b, 3a, 3b wird bei die­ sen "Vollast-Bedingungen" die ideale mit ihr zu erzie­ lende Zerstäubungsqualität liefern. Es ist jedoch auch in einem Bereich unterhalb dieser "Vollast- Bedingungen" bereits eine recht annehmbare Zerstäu­ bungsqualität zu erzielen, nur im kleinen Teillastbe­ reich ist im allgemeinen eine gravierende Verschlech­ terung der Zerstäubungsqualität zu beobachten.
Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Druck p in [bar] und der Zerstäubungsqualität anhand des Tröpf­ chendurchmessers in [µm], dem SMD ("Sauter Mean Diame­ ter"). Dieser SMD, hier in der doppelt-logarithmischen Auftragung eine Gerade, bestimmt zusammen mit der Dü­ sengeometrie die Zerstäubungsqualität der jeweiligen Zerstäuberdüse 2a, 2b, 3a, 3b.
Um über die vorgegebene hohe Lastspreizung, z. B. einem Verhältnis von 10 : 1 des maximalen einzubringenden Vo­ lumenstroms dVmax/dt zu dem minimalen einzubringenden Volumenstroms dVmin/dt, eine hohe Zerstäubungsqualität, also einen durchgehend sehr geringen Tröpfchendurch­ messer der zerstäubten Flüssigkeit zu erreichen, wer­ den die beiden Zerstäuberdüsen 2a, 2b bzw. 3a, 3b für die jeweilige Flüssigkeit entsprechend ausgelegt. Dazu wird eine für einen kleinen Vollaststrom dV1/dt ausge­ legte Zerstäuberdüse 2b mit einer für den maximal zu erwartenden Volumenstrom dVmax/dt ausgelegte Zerstäu­ berdüse 2a kombiniert. Vergleichbares gilt selbstver­ ständlich auch für die Zerstäuberdüsen 3b, 3a für die jeweils andere zu zerstäubende Flüssigkeit.
In Fig. 1 und Fig. 2 ist dieser Aufbau durch die Größe der prinzipmäßig angedeuteten Zerstäuberdüsen 2a, 2b, 3a, 3b bzw. 2a, 2b in seinen Grundsätzen dargestellt.
Für jede der Flüssigkeiten bzw. das Flüssigkeitsge­ misch exisitiert einer der Verzweigungspunkte 5, in welchem die Verschaltung der Zerstäuberdüsen 2a, 2b bzw. 3a, 3b über schaltbare Ventile (nicht darge­ stellt) von einer Steuerung bzw. Regelung 8 über Schaltsignale 9 entsprechend veranlaßt und koordiniert wird. Als Eingangsgrößen 10 für die Steuerung bzw. Regelung 9 stehen dabei die aktuellen, kontinuierlich zu messenden Werte der Drücke p und Volumenströme dV/dt in den jeweiligen Zuleitungen 4 zur Verfügung.
Prinzipiell sind sämtliche Kombinationen bei der Ver­ schaltung der Zerstäuberdüsen 2a, 2b bzw. 3a, 3b mög­ lich, so daß die jeweils eine Zerstäuberdüse 2a bzw. 3a einzeln betrieben werden kann, die jeweils andere Zerstäuberdüse 2b bzw. 3b einzeln betrieben werden kann, oder daß eine Kombination der beiden Zerstäuber­ düsen 2a, 2b bzw. 3a, 3b genutzt werden kann.
Die bevorzugte Ausführung der Verschaltung der beiden Zerstäuberdüsen 2a, 2b bzw. 3a, 3b gemäß der prinzip­ mäßigen Darstellung in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 wird durch das in Fig. 4 darge­ stellte Volumenstrom-Druck Diagramm am Beispiel der Kennlinien 11, 12 der Zerstäuberdüsen 2a, 2b näher erläutert.
Die Druckachse des Volumenstrom-Druck Diagramms spie­ gelt den von der Pumpe 6 erzeugten Druck p wieder, wobei durch die gestrichelte Linie das maximal mögli­ che Druckniveau pmax der Pumpe 6 dargestellt ist. Die kleinere der Zerstäuberdüsen 2b mit ihrer Kennlinie 11 ist auf einen Vollastvolumenstrom dV1/dt ausgelegt. Die Kennlinie 11 schneidet bei diesem Vollastvolumen­ strom dV1/dt das maximale Druckniveau pmax. Durch die Geometrie der Zerstäuberdüse 2b und den entsprechen­ den, darüber mit dem Vollastvolumenstrom dV1/dt korre­ spondierenden Druck pmax, kann in diesem Bereich eine hervorragende Zerstäubungsqualität der Zerstäuberdüse 2b erreicht werden.
Wenn der kontinuierlich dosiert einzubringende Volu­ menstrom dV/dt größer wird als dieser Vollastvolumen­ strom dV1/dt der kleineren Zerstäuberdüse 2b, so wird in einem Umschaltpunkt 13 über die Steuerung bzw. Re­ gelung 8 und das Schaltsingal 9 in dem Verzweigungs­ punkt 5 auf die größere Zerstäuberdüse 2a umgeschal­ tet. Diese Zerstäuberdüse 2a, welche für den maximal erforderlichen Volumenstrom dVmax/dt ausgelegt ist, liefert dann für alle Volumenströme dV/dt, welche grö­ ßer als der Vollastvolumenstrom dV1/dt der kleineren Zerstäuberdüse 2b sind, eine gute Zerstäubungsquali­ tät.
Ab einem bestimmten zur Funktion der Vorrichtung über­ haupt erforderlichen Druck pmin, welcher hier durch eine weitere gestrichelte Linie angedeutet ist, kann also zwischen einem minimalen Volumenstrom dVmin/dt und einem maximalen Volumenstrom dVmax/dt eine für die Funktion der ablaufenden Reaktion, Verdampfung oder dergleichen geeignete Zerstäubungsqualität erreicht werden. Dabei wird über die Steuerung bzw. Regelung 8 die für den jeweiligen Volumenstrom dV/dt geeignetere Zerstäuberdüse 2a, 2b ausgewählt, so daß die jeweils eingesetzte Zerstäuberdüse 2a, 2b praktisch immer in der oberen Hälfte ihrer Vollast-Volumenstromauslegung betrieben werden kann.
Selbstverständlich ist auch die Kombination von mehr als zwei Zerstäuberdüsen je einzubringender Flüssig­ keit denkbar. Dies ist in Fig. 5 prinzipmäßig angedeu­ tet, wobei hier vier Zerstäuberdüsen erkennbar sind, und wobei eine Verschaltung der Zerstäuberdüsen gemäß deren Kennlinien 14, 15, 16, 17 erfolgt, wobei Umschaltpunkte 18, 19 und 20 prinzipmäßig analog zu dem in Fig. 4 erläuterten Ausführungen bei den jeweiligen Vollastvolumenströmen dV1/dt, dV2/dt und dV3/dt gewählt werden.
Eine weitere Möglichkeit der Kombination von zwei Zer­ stäuberdüsen mit Ihren Kennlinien 21 und 22 zeigt das Diagramm in Fig. 6. Bei Betrieb dieses Verschaltungs­ typs wird zu der Kennlinie 21, der ersten Zerstäuber­ düse bereits vor den Erreichen ihres Vollastvolumen­ stroms dV1/dt in einem Umschaltpunkt 23 die zweite Zerstäuberdüse mit ihrer Kennlinie 22 zugeschaltet. Für den Betreib dieser Verschaltung ergibt sich damit praktisch eine neue, strichpunktiert dargestellte Kennlinie 24.
Selbstverständlich sind auch weitere Verschaltungsmög­ lichkeiten und sinnvolle Kombinationen der oben be­ schriebenen Verschaltungsmöglichkeiten denkbar.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum kontinuierlichen dosierten Ein­ bringen von Flüssigkeit in einen Raum, insbesonde­ re in einen Verdampfer und/oder Reaktor in einem Gaserzeugungssystem zur Reformierung von Kohlen­ wasserstoffen, mit wenigstens einem Flüssigkeits­ fördermittel (6), welches wenigstens zwei Zerstäu­ berdüsen (2a, 2b bzw. 3a, 3b) für jede der einzu­ bringenden Flüssigkeiten versorgt, wobei in Abhän­ gigkeit des zum jeweiligen Zeitpunkt zu zerstäu­ benden Volumenstroms (dV/dt) der jeweiligen Flüs­ sigkeit jeweils die eine der Zerstäuberdüsen (2a bzw. 3a), die andere der Zerstäuberdüsen (2b bzw. 3b) oder mehrere der wenigstens zwei Zerstäuberdü­ sen (2a, 2b bzw. 3a, 3b) für jede der einzubringen­ den Flüssigkeiten nutzbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der wenigstens zwei Zerstäuberdü­ sen (2b bzw. 3b) für die jeweilige Flüssigkeit auf einen wesentlich kleineren zu zerstäubenden Vollastvolumenstrom (dV1/dt) der jeweiligen Flüs­ sigkeit ausgelegt ist, als wenigstens eine andere der wenigstens zwei Zerstäuberdüsen (2a bzw. 3a) für die jeweilige Flüssigkeit.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitszuleitungen (4) zu den jeweiligen Zerstäuberdüsen (2a, 2b bzw. 3a, 3b) steuer- oder regelbar betätigbare Ventilelemente (Verzweigungs­ punkte 5)aufweisen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Flüssigkeitszuleitungen (4) vor den Zerstäuberdüsen (2a, 2b bzw. 3a, 3b) eine Mischein­ richtung (7) zur Erzeugung eines Flüssigkeitsge­ mischs angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das wenigstens eine Flüssigkeitsfördermittel (6) als Pumpe ausgebildet ist.
6. Verfahren zum kontinuierlichen dosierten Einbrin­ gen von Flüssigkeit in einen Raum mit einer Vor­ richtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Änderung des Volumenstroms (dV/dt) der jeweiligen Flüssigkeit ein Betriebspunkt auf einer Volumenstrom-Druck-Kennlinie (11, 12, 14, 15, 16, 17, 21, 22) einer der Zerstäuberdüsen (2a, 2b bzw. 3a, 3b) ausgewählt wird, so daß der Vollastvolumen­ strom (dV1/dt, dV2/dt, dV3/dt, dVmax/dt) der jeweiligen Zerstäuberdüse größer oder gleich dem Volumenstrom (dV/dt) der jeweiligen Flüssigkeit nach der Änderung ist, und daß der Volumenstrom (dV/dt) der je­ weiligen Flüssigkeit nach der Änderung größer als der Vollastvolumenstrom (dV1/dt, dV2/dt, dV3/dt, dVmax/dt) der auf den nächstkleineren Vollastvolu­ menstrom (dV1/dt, dV2/dt, dV3/dt) ausgelegten Zer­ stäuberdüse (2b bzw. 3b) ist.
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