DE10137888A1 - Plattenrahmen-Wärmetauscher - Google Patents

Abstract

Bei einem Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer (100) ist eine übereinander gestapelte Anordnung einer Vielzahl von verteiler-Kopfplatten (102) und einer Vielzahl von abwechselnd angeordneten Zwischenplatten (120), die paarweise zu einheitlichen Zellen (104) zusammengefaßt sind, mit einer Vielzahl von Verteileröffnungen für die Hindurchleitung einer Frischgasströmung und einer Abgasströmung versehen, die zwischen benachbarten Zellen senkrecht zueinander ausgerichtet sind, um im wesentlichen eine wechselseitige serielle Querströmung zu erhalten, mit welcher eine Vergrößerung der Reynolds-Zahl erreichbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer der durch den Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art.

Plattenrahmen-Wärmetauscher werden generell für die Bereitstellung relativ kom­ pakter Gerätschaften mit einem niedrigen Druckabfall vorgesehen, wobei die An­ wendungsgebiete an einem kritischen Gewicht/Volumen-Verhältnis beurteilt werden. Typische Anwendungsgebiete sind Verdampfer von Klimaanlagen in Kraftfahrzeu­ gen, Gasturbinen-Rekuperatoren, Brennstoffzellen und industrielle Wärmetauscher mit einem Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten. Diese Anwendungsgebiete sind besonders sensitiv bzgl. der Größe der Wärmetauscher und auch bzgl. des Druck­ abfalls in den Fluidkanälen. Für die bekannten Plattenrahmen-Wärmetauscher kann dabei angegeben werden, daß sie typischerweise mit einer aufeinanderfolgenden Reihe von einzelnen Wärmetauscherzellen ausgeführt sind. Die Zellen sind im we­ sentlichen parallel zueinander geschaltet, sodaß jede Zelle, die an einer Seite ein heißes Fluid und einer zweiten Seite ein kaltes Fluid führt, die gleiche Temperatur­ verteilung aufweist wie jede übernächste Zelle innerhalb des Stapels der aufeinan­ derfolgenden Zellen, die einen vollständigen Wärmetauscher ergeben.

Die Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer sind bisher vielfach für die Durchführung chemischer Reaktionen benutzt worden, die eine sorgfältig konditio­ nierte Temperatursteuerung erfordern, und zwar als Folge der in Frage stehenden Produktauswahl oder auch als Folge eines streng endothermischen oder exothermi­ schen Verfahrensablaufs, wo eine rasche Erwärmung und Abkühlung benötigt wird. Als ein Beispiel von beträchtlicher Bedeutung kann das Dampfreformieren von Koh­ lenwasserstoffen und Alkoholen angeben werden. Diese Reaktion läuft mit einer re­ versiblen chemischen Umwandlung von Methan und Wasser in Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff ab, wobei die Reaktion überwiegend endothermisch ist und normal große Mengen eines Katalysators benötigt, um die Reaktion zu beschleunigen. Bei der Verwendung von Plattenrahmen-Wärmetauschern ergibt sich dabei die Schwie­ rigkeit, daß ein wirksamer Wärmeaustausch zwischen der kühleren Strömung des Reforming-Produkts und den heißeren Verteilungsprodukten stattfinden muß, um einen vertretbaren thermischen oder thermodynamischen Wirkungsgrad des Refor­ mersystems zu erzielen. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers wird dabei mit der Temperatur definiert, die in dem Fluid vorliegt, welches einem maximalen Tempera­ turwechsel unterliegt, geteilt durch die Differenz zwischen den höchsten und niedrig­ sten Temperaturen in dem Wärmetauscher.

Die gegenwärtigen Technologien befassen sich hauptsächlich mit Plattenrahmen- Wärmetauschern oder -Reformern mit einer parallelen Anordnung von kleinen Re­ aktoren. Diese Gestaltung erweist sich als wesentlich kompakter, leichter und weni­ ger teuer als Reformer des Röhrentyps, die immer noch generell im Einsatz sind. Solche Mehrfach-Reformer haben jedoch wesentliche Nachteile.

Als Folge der massiven Parallelanordnung einer Vielzahl von kleineren Reaktoren wird eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit und damit auch ein entsprechend nied­ rige Reynolds-Zahl erhalten sowie eine niedrige laminare Strömung. Dieser Nachteil ist deshalb kritisch, weil eine niedrigere laminare Strömung die Wärmeübertragungs­ raten verringert und auch das Vermischen der Reaktionspartner in den Reaktor­ strukturen, womit die Faktoren angesprochen sind, die gemeinsam mit der Reynolds- Zahl die Abmessungen eines Reformers bestimmen. Eine niedrigere Reynolds-Zahl erfordert grundsätzlich einen größeren Reformer, wodurch die Kosten des Reformer­ systems erhöht werden.

Die Vervielfachung der Systembauteile ergibt andererseits auch eine entsprechend komplexe Ausführung, die dazu führen kann, daß die Verteilung eines Fluids nicht gleichbleibend ist und es zur Ausbildung von Tatzonen kommt, in welchen die Strö­ mung des Fluids äußerst schwach ist und daher ein Wärmeaustausch wenn über­ haupt nur äußerst gering ist. Schließlich ist für die bekannten Systeme auch noch auf den Nachteil hinzuweisen, daß eine kontrollierte innere Freigabe eines beliebigen Reaktionspartners sehr schwierig ist, da die kurz bemessene Reaktionszone nur von einem der beiden Enden einer Platte zugänglich ist. Dieser Gesichtspunkt ist beson­ ders wichtig, bei einer Verwendung der Wärmetauscherstruktur als ein katalytischer Brenner, wobei dazu bekannt ist, daß ein katalytisches Verbrennen an Wärmetau­ scherwänden die Wärmeübertragung örtlich verbessert durch Verhütung einer kon­ vektiven Wärmeübertragung von der Gasphase zu der Wand als Folge der Kataly­ satoren, die an der Wand angeordnet sind. Wenn das Ausmaß der Brennstoffe oder Oxydationsmittel nicht kontrolliert wird, dann kann aber eine katalytische Verbren­ nung zu einem sehr hohen Ausmaß stattfinden, wodurch lokale Erhöhungen der Temperatur des Metalls verursacht werden können, die als Heißstellen bezeichnet werden. Solche Heißstellen ergeben eine beträchtliche Schwächung der Struktur und können zu einem mechanischen Ausfall führen. Die Systeme mit einer katalytischen Verbrennung an der Wand müssen deshalb exotische Materialien verwenden und müssen die Verbrennungsgase auf niedrigere Temperaturen bis hin zu einer an­ nehmbaren Größe verdünnen, wodurch sowohl die Kosten als auch der Wirkungs­ grad negativ beeinflußt werden.

Es besteht folglich die Forderung nach der Bereitstellung eines Plattenrahmen- Wärmetauschers oder -Reformers, der diese kritischen Nachteile der bisherigen Sy­ steme mit einer massiven parallelen Anordnung einzelner Zellen vermeidet.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer mit den Merkmalen bereitgestellt, die durch den Patentanspruch 1 ange­ geben sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer wird im wesentlichen eine Erhöhung der Reynolds-Zahl der beiden maßgeblichen Strömun­ gen erhalten, wodurch die Wärmeübertragungskritierien wesentlich verbessert wer­ den ebenso wie auch die Mischungskriterien der Reaktionspartner. Die Baugröße des Wärmetauschers bzw. Reformers oder Reaktors kann daher um mehr als die Hälfte verkleinert werden. Gemäß der Erfindung wird weiterhin auch eine Konstrukti­ on bereitgestellt, die entlang des seriellen Strömungsweges der beiden Strömungen an jeder beliebigen Stelle ein Zuleitung eines Reaktionspartners erlaubt, wobei nur einfache mechanische Maßnahmen zu treffen sind, um das Erscheinen von Heiß­ stellen und anderen unerwünschten chemischen Reaktionen zu kontrollieren und zu vermeiden. Mit der vorliegenden Erfindung wird auch eine Komplexität der Strömun­ gen weitestens vermieden und wird die Anzahl der unterschiedlichen Komponenten verringert, die für den Aufbau des Wärmetauschers benötigt werden. Auch kann die Geometrie der Platten eine wesentliche Vereinfachung erfahren, wobei gleichzeitig Vorkehrungen getroffen sind, um für eine wechselseitige Gegenströmung einen ho­ hen Wirkungsgrad erzielen zu lassen.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den ein­ zelnen Patentansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Plattenrahmen-Wärme­ tauschers oder -Reformers, der mit einer Geometrie für die Bereitstellung einer seriellen Querströmung ausgebildet ist,

Fig. 2A eine Draufsicht auf eine Verteiler-Kopfplatte zur Verwendung bei dem Plat­ tenrahmen-Wärmetauscher gemäß Fig. 1,

Fig. 2B eine Draufsicht auf eine Zwischenplatte zur Verwendung bei dem Platten­ rahmen-Wärmetauscher gemäß Fig. 1,

Fig. 2C eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der übereinander gesta­ pelten Anordnung der Verteiler-Kopfplatten gemäß Fig. 2A und der Zwi­ schenplatten gemäß Fig. 2B in abwechselnder Reihenfolge,

Fig. 2D eine Perspektivansicht in auseinandergezogener Darstellung eines Wär­ metauschers mit einer Anordnung der Platten der Schemadarstellung in Fig. 2C,

Fig. 3 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Strömungsverhältnisse, die für die Ausbildung einer seriellen Querströmung bei dem Plattenrah­ men-Wärmetauscher gemäß Fig. 1 bzw. gemäß Fig. 2D vorgegeben sind,

Fig. 4 eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der Strömungsverhältnisse zur Vorgabe einer seriellen Querströmung in einem Plattenrahmen- Wärmetauscher oder -Reformer gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 5 eine Schemadarstellung zur Darstellung der Strömungsverhältnisse, die bei einem Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer gemäß einer weite­ ren alternativen Ausführungsform der Erfindung für die Vorgabe einer seri­ ellen Querströmung und einer Parallelströmung ausgebildet sind.

In Fig. 1 ist ein Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer 12 schematisch dar­ gestellt, der in einem System 10 zur Umwandlung von Kohlenwasserstoff-Brenn­ stoffen zu Wasserstoff eingesetzt wird, welcher von elektrochemischen Brennstoff­ zellen für die Erzeugung von Elektrizität benutzt wird. Der Reformer 12 besteht aus einer Reihe von übereinander gestapelten Zellen 14, von denen jede Zelle eine Ver­ teiler-Kopfplatte 16 und eine Zwischenplatte 18 aufweist, die also in abwechselnder Reihenfolge gestapelt sind. Der Reformer 12 ist mit einem Einlaßverteiler 20 verse­ hen, über welchen der gestapelten Plattenanordnung ein Frischgas zugeleitet wird, nämlich typischerweise Benzin, natürliches Gas oder ein anderer Kohlenwasserstoff, wobei die Zuleitung an den Verteiler 20 aus einem Vorratsspeicher stattfindet. Die Frischgasströmung wird am anderen Ende des Reformers 12 über eine Sammelaus­ laß 22 abgeführt, wobei die Abführung mit der Ausbildung einer erwärmten refor­ mierten Gasströmung als Folge eines stattgefundenen Wärmeaustausches vorliegt. Die Frischgasströmung kann neben den vorerwähnten Gasen auch aus einer Kom­ bination von Wasser, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasser­ stoff und teilweise reagiertem Brennstoff bestehen. Um für diese Frischgasströmung einen Wärmeaustausch zu erhalten, weist der Reformer 12 deshalb einen weiteren Einlaßverteiler 24 auf, über welchen ein heißes Brennerauslaßgas und/ oder ein nur teilweise oder vollständig nicht zur Reaktion gebrachtes Gemisch aus Brennstoff und einem Oxidationsmittel zugeleitet wird. Diese nachfolgend so bezeichnete heiße Abgasströmung wird über einen Sammelauslaß 26 aus dem Reformer 12 entfernt, dann in der Ausbildung einer gekühlten Gasströmung wegen des in dem Reformer stattgefundenen Wärmeaustauschers mit der sich zu einer reformierten Gasströmung fortlaufend ausbildenden Frischgasströmung. Das Strömungsbild der beiden Gasströmungen durch den Reformer 12 hindurch wird nachfolgend näher erläutert.

In Fig. 2 A ist zunächst eine Verteiler-Kopfplatte 102 mit einer Draufsicht gezeigt, die einen zentralen Bereich 106 für die Anordnung einer Rippenplatte 108 und einen Randbereich aufweist, in welchem mehrere Verteileröffnungen 110 ausgebildet sind. Die Rippenplatte 108 ist mit Rippen 111 oder anderen gleichwertigen Ausformungen ausgebildet, um eine verstärkte Fluidströmung quer über die Fläche des zentralen Bereichs 106 der Verteiler-Kopfplatte 102 zu erhalten. Diese verstärkte Flächenströ­ mung ist auch mit anderen Maßnahmen zu erreichen, wie bsp. mit einem gewellten Blech oder auch mit einer Metallbeschäumung als alternative Vorkehrung zur Erzie­ lung eines verbesserten Wärmeübergangs. Die Realisierung solcher Hilfsmaßnah­ men ist generell bekannt, und ebenso bekannt ist auch das randseitige Vorsehen der Verteileröffnungen 110, die in Fig. 2A mit einer Anordnung entlang der linken Be­ grenzungskante der Platte 102 gezeigt sind. Solche Verteileröffnungen können bei der Verteiler-Kopfplatte 102 auch anders positioniert werden, so bsp. entlang der vorderen oder entlang der hinteren oder auch entlang der rechten Plattenkante, so­ daß zur Unterscheidung dieser verschiedenen Positionierungsmöglichkeiten die Verteileröffnungen in der Darstellung gemäß Fig. 3 mit unterschiedlichen Indizes an­ gegeben sind. Mit dieser unterschiedlichen Positionierung der Verteileröffnungen 110l an der linken Plattenkante, 110r an der rechten Plattenkante, 110f an der vorderen Plattenkante und 110b an der hinteren Plattenkante wird somit die Strömungsrich­ tung der Frischgasströmung für die Hindurchleitung durch die gestapelte Anordnung der Verteiler-Kopfplatten 102 vorgegeben, wobei an dieser vorgegebenen Strö­ mungsrichtung auch entsprechende Verteileröffnungen 122 gemäß der Darstellung in Fig. 2B in den abwechselnd angeordneten Zwischenplatten 120 mitwirken. Auch diese Zwischenplatten 120 können mit Rippen 121 oder auch mit anderen Verfor­ mungen versehen sein, um die Flächenströmung eines Fluids über die Oberfläche dieser Zwischenplatten zu verbessern. Auch die Verteileröffnungen 122 können wie die Verteileröffnungen 110 der Verteiler-Kopfplatten 102 unterschiedliche Positionie­ rungen erhalten, nämlich sowohl entlang der linken wie auch entlang der rechten Plattenkante als Verteileröffnungen 122l und 122r oder entlang der vorderen oder auch entlang der hinteren Plattenkante als Verteileröffnungen 122f und 122b. So­ wohl die Platten 102 wie auch die Platten 120 können schließlich noch mit einem der Positionierung dienlichen Vorsprung 114 bzw. 126 versehen sein, um das Stapeln der Platten 102 und 120 sowie die wechselseitige Ausrichtung der Verteileröffnungen 110 und 122 zu koordinieren. Bzgl. der Verteileröffnungen 110 der Verteiler- Kopfplatten 102 soll dabei noch der ergänzende Hinweis erfolgen, daß wenn für die Stapelanordnung eine weitere Zuleitung einer zusätzlichen Fluidströmung eingeplant ist, so bsp. von bestimmten Reaktionspartnern und/ oder Verdünnungsmitteln, dann noch zusätzliche Verteileröffnungen vorgesehen werden, deren Positionierung dann ebenfalls wieder unterschiedlich ausfallen kann und jedenfalls so angelegt ist, daß eine damit beabsichtigte ergänzende Fluidströmung ebenso kontrolliert durch die Anordnung der übereinander gestapelten Platten hindurchgeleitet werden kann.

Die Verteiler-Kopfplatten 102 und die abwechselnd angeordneten Zwischenplatten 120 sind nun gemäß der Darstellung in den Fig. 2C und 2D paarweise zu einzelnen Zellen 104 zusammengefaßt, die zur Ausbildung eines seriellen Strömungsweges der durch die Verteileröffnungen 110 und 122 hindurchgeleiteten Gasströme aufein­ anderfolgend jeweils um 90° im Uhrzeigergegensinn zueinander versetzt sind. Die­ ses gegenseitige Versetzen der aufeinanderfolgenden Zellen 104 ist in der Darstel­ lung gemäß Fig. 2D über die zueinander versetzte Anordnung einerseits der Vor­ sprünge 114 und andererseits der Vorsprünge 126 zu verfolgen. Aus der Darstellung ist auch ableitbar, daß der jeweils für eine linke Plattenkante einer Verteiler- Kopfplatte 102 vorgesehene Vorsprung 114 mit dem Vorsprung 126 an der rechten Plattenkante einer zugeordneten Zwischenplatte 120 zusammenpaßt, wenn aus zwei Platten 102 und 120 eine gemeinsame Zelle 104 gebildet wird. Das Zusammenpas­ sen der beiden Platten 102 und 120 zur Ausbildung einer einheitlichen Zelle 104 kann bsp. durch ein Weichlöten, ein Hartlöten oder ein Verkleben vorgenommen werden. Das Hartlöten wird dabei für Hochtemperatur-Anwendungen generell bevor­ zugt. An den Platten kann außerdem eine dünne Schicht eines katalytischen Materi­ als angebracht werden, um einen verbesserten Wärmeaustausch zu erhalten, so bsp. eine Schicht eines Gamma-Aluminiumoxid-Pulvers mit dispergierten katalyti­ schen Metallteilchen zur Anbringung an einer Platte aus einer Superlegierung oder aus rostfreiem Stahl. Die Anbringung solcher katalytischer Beschichtungen an den einzelnen Platten eines Plattenrahmen-Wärmetauschers oder -Reformers ist im Umfeld der vorliegenden Erfindung allgemein bekannt und muß deshalb hier nicht näher ausgeführt werden.

Gemäß der Schemadarstellung in Fig. 3 ist für den vorbeschriebenen Wärmetau­ scher 100 davon auszugehen, daß die aus einem Einlaßverteiler 101 in den Zwi­ schenraum zwischen einer oberen Abdeckplatte 117 und der Verteiler-Kopfplatte 102 der obersten Zelle 104 zugeleitete Frischgasströmung über eine oder mehrere Ver­ teileröffnungen 110f an der vorderen Plattenkante zu einer oder mehreren Verteiler­ öffnungen 122f ebenfalls an der vorderen Plattenkante der anschließenden Zwi­ schenplatte 120 weitergeleitet wird. Anschließend erfolgt bei der nächsten Zelle 104 eine Umlenkung zu einer oder mehreren Verteileröffnungen 110b an der hinteren Plattenkante der nächsten Verteiler-Kopfplatte 102. Von dort aus wird die Frisch­ gasströmung dann zu einer oder mehreren Verteileröffnungen 122b ebenfalls an der hinteren Plattenkante der zugeordneten Zwischenplatte 120 weitergeleitet, worauf dann wieder eine Umlenkung zu einer oder mehreren Verteileröffnungen 110f an einer vorderen Plattenkante der Verteiler-Kopfplatte der nächsten Zelle stattfindet, usw. usw.. Hinter der letzten Zelle verläßt dann die aus dem Einlaßverteiler 101 zu­ geleitete Frischgasströmung dann in der Ausbildung einer reformierten Gasströmung den Reformer 100 über einen Sammelauslaß 105, der an einen Zwischenraum 105a zwischen der letzten Zelle und einer unteren Abdeckplatte 109 angeschlossen sein kann. Hier versteht sich, daß die Anzahl der hintereinander angeordneten Zellen 104 beliebig groß sein kann und sich in erster Linie nach der für das System konzipierten Zweckvorstellung bestimmt, dabei auch unter Einbeziehung der Strömungsrate, der Aktivität eines verwendeten Katalysators und einer vorgegebenen Spitzentempera­ tur, womit die hauptsächlichen Faktoren angegeben werden können, welche die An­ zahl der Zellen 104 bestimmen.

In den vorerwähnten Zwischenraum 105a zwischen der untersten Zelle und der un­ teren Abdeckplatte 109 wird andererseits eine heiße Abgasströmung zugeleitet, die somit an dem Wärmeaustausch mit der Frischgasströmung beteiligt ist. Diese heiße Abgasströmung wird über eine oder mehrere Verteileröffnungen 110l an der linken Plattenkante einer untersten Verteiler-Kopfplatte 102, die für die Darstellung in Fig. 3 nicht mit einer Zwischenplatte vereinigt ist, an eine oder mehrere Verteileröffnungen 122l an der linken Plattenkante der Zwischenplatte 120 der darüber angeordneten Zelle weitergeleitet, von wo sie dann eine Umlenkung zu der einen bzw. zu den meh­ reren Verteileröffnungen 110r an der rechten Plattenkante der zugeordneten Vertei­ ler-Kopfplatte 102 erfährt. Anschließend wird die heiße Abgasströmung zu einer oder mehreren Verteileröffnungen 122r an der rechten Plattenkante der Zwischenplatte 120 der nächsten Zelle weitergeleitet, um von dort aus umgelenkt zu werden zu der einen bzw. zu den mehreren Verteileröffnungen 110l an der linken Plattenkante der zugeordneten Verteiler-Kopfplatte 102, usw. usw. Die heiße Abgasströmung wird schließlich aus dem Zwischenraum 103a zwischen der oberen Abdeckplatte 117 und der Verteiler-Kopfplatte 102 der obersten Zelle in der Ausbildung einer dann gekühl­ ten Gasströmung abgeführt.

Aus der Schemadarstellung der Fig. 3 wie vorbeschrieben ist somit speziell ableitbar, daß die Frischgasströmung einerseits und die Abgasströmung andererseits durch benachbarte Reformerbereiche 103 und ebenfalls benachbarte Brennerbereiche 105 senkrecht zueinander ausgerichtet sind und dafür insgesamt eine Gegenströmung vorgegeben ist. Dieses Strömungsbild für die beiden Gasströmungen kann als eine serielle Querströmung definiert werden, bei welcher ein Wärmeaustausch haupt­ sächlich über die Zwischenplatten 120 der einzelnen Zellen besorgt wird. Die Frisch­ gasströmung wird daher allmählich erwärmt und zur Reaktion gebracht, während gleichzeitig die anfänglich heiße Abgasströmung innerhalb des Reformers 100 all­ mählich gekühlt wird. Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Gasströmungen wird dabei durch das Vorsehen von Rippen 111 bzw. 121 oder auch von separaten Rippenplatten 108 verbessert und kann weiter noch dadurch gefördert werden, daß die Frischgasströmung noch zusätzlich über einen zweiten separaten Einlaßverteiler 180 zugeleitet wird. Daneben findet auch eine separate Zuleitung einer zusätzlichen Abgasströmung statt, wofür andererseits ebenfalls ein zweiter Einlaßverteiler 190 vorgesehen ist. Neben einem verbesserten Wärmeaustausch kann damit auch eine verbesserte chemische Reaktion in einem oder mehreren ausgewählten Reformerbe­ reichen 103 und in einem oder mehreren Brennerbereichen 105 erhalten werden, um so bsp. unerwünschte Heißstellen zu vermeiden und unerwünschte chemische Re­ aktionen zu begrenzen. Es versteht sich auch hier, daß die Anzahl solcher sekundä­ rer Einlässe 180 und 190 für die Frischgasströmund und die Abgasströmung nach oben nicht begrenzt zu werden braucht und auch hier wieder abhängig ist von der mit dem Reformer verfolgten Zweckvorstellung.

In Fig. 4 ist für eine alternative Ausführungsform eines Reformers 200 ein Strö­ mungsbild für die aus einem Einlaßverteiler 201a zugeleitete Frischgasströmung ei­ nerseits und für die aus einem weiteren Einlaßverteiler 207a zugeleitete Abgasströ­ mung andererseits gezeigt, daß hier eine serielle Parallelströmung mit zwei zueinan­ der parallelen Zellen verfolgt wird. Die örtlich zueinander senkrecht ausgerichteten Strömungswege der Frischgasströmung einerseits und der Abgasströmung anderer­ seits wie vorbeschrieben für den Reformer 100 gemäß der Ausbildung in Fig. 3 ist hier beibehalten, jedoch dahin abgewandelt, daß bei jeder übernächsten Zelle die Reformerbereiche 203 einerseits und die Brennerbereiche 213 andererseits mit un­ terschiedlichen Strömungsrichtungen und damit auch mit unterschiedlichen Tempe­ raturverteilungen behaftet sind, weil die Zellen zu paarweisen Gruppen zusammen­ gefaßt sind, die jeweils im wesentlichen gleiche Strömungsrichtungen und gleiche Temperaturverteilungen haben.

Zu der Ausführungsform des Reformers 200 gemäß der Darstellung in Fig. 4 kann speziell folgendes festgehalten werden. Die kalte Frischgasströmung wird hier aus einem primären Einlaßverteiler 201a und daneben aus einem sekundären Einlaß­ verteiler 201b zugeleitet, wobei die Zuleitung in einem ersten Reformerbereich 203a an wenigstens eine Verteileröffnung 210f an der vorderen Plattenkante der Verteilerkopfplatte 202a der obersten Zelle stattfindet. Parallel dazu wird eine zweite Teilmenge der Frischgasströmung in einen zweiten Reformerbereich 203b ebenfalls an wenigstens eine vordere Verteileröffnung 210f an der vorderen Plattenkante der Verteiler-Kopfplatte 202 der anschließenden zweiten Zelle zugeleitet. Von der Ver­ teileröffnung 210f der Verteiler-Kopfplatte 102 wird die Frischgasströmung in den ersten Reformerbereich 203a an eine vordere Verteileröffnung 222f der zugeord­ neten Zwischenplatte 220 weitergeleitet und von dort an die vordere Verteileröffnung 210f der Verteiler-Kopfplatte 202 der in dem nächsten Reformerbereich 203b ange­ ordneten Zelle, um dann gemeinsam mit der dort parallel zugeleiteten Frisch­ gasströmung an eine vordere Verteileröffnung 222f der zugeordneten Zwischen­ platte 220 weitergeleitet zu werden. In dem nächsten Reformerbereich 203c wird dann die primäre Frischgasströmung an eine Verteileröffnung 210b an der hinteren Plattenkante der nächsten Verteiler-Kopfplatte 202 umgelenkt, während die sekundä­ re Frischgasströmung eine Hinführung zu einer Verteileröffnung 210f an einer vorde­ ren Plattenkante der gleichen Verteiler-Kopfplatte erfährt. Die beiden Gasströmungen werden anschließend durch eine hintere Verteileröffnung 222b und eine vordere Verteileröffnung 222f der zugeordneten Zwischenplatte hindurchgeleitet, um dann wieder an einer hinteren Verteileröffnung 210b der Verteiler-Kopfplatte 202 zusam­ mengeführt zu werden, nachdem die sekundäre Frischgasströmung hier eine ent­ sprechende Umlenkung erfahren hat wie zuvor die primäre Frischgasströmung in dem Reformerbereich 203c. Der weitere Verlauf der beiden Frischgasströmungen ist entsprechend vorgegeben bis hin zu zwei getrennten Sammelauslässen 205a und 205b, über welche die dann vollständig reformierten Gasströme getrennt abgeleitet werden.

Bzgl. der Durchleitung der heißen Abgasströmung durch den Reformer 200 kann an­ dererseits vorausgesetzt werden, daß auch hier zwei Teilströme über zwei Einlaß­ verteiler 207a und 207b an dem untersten Brennerbereich 213a und an dem un­ mittelbar darüber angeordneten Brennerbereich 213b zugeleitet werden. Die Zulei­ tung der einen Abgasströmung wird über wenigstens eine Verteileröffnung 210l an der linken Plattenkante der untersten Verteilerkopfplatte 210 an eine entsprechende Verteileröffnung 222l an der linken Plattenkante der Zwischenplatte 222 des Bren­ nerbereichs 213b weitergeleitet und dann über eine Verteileröffnung 210l an der linken Plattenkante der zugeordneten Verteiler-Kopfplatte 202 einer Verteileröffnung 222l an der linken Plattenkante der Zwischenplatte 220 des anschließenden Bren­ nerbereichs 213c zugeführt, wo dann aber die Abgasströmung umgelenkt wird hin zu wenigstens einer Verteileröffnung 210r an der rechten Plattenkante der zugeord­ neten Verteiler-Kopfplatte 202 usw. usw., um erst später wieder in dem übernächsten Brennerbereich von den Verteileröffnungen der rechten Plattenkanten zu den Ver­ teileröffnungen der linken Plattenkanten im Anschluß an die Zwischenplatte 220 des Brennerbereichs 213e umgelenkt zu werden. Die weite Abgasströmung, die aus dem Einlaßverteiler 207b zugeleitet wird, erfährt andererseits eine gleichartige Durchleitung durch die Verteileröffnungen an den linken Plattenkanten, beginnend mit der Verteileröffnung 210l der Verteiler-Kopfplatte 202 des Brennerbereichs 213b, sodaß erst in dem übernächsten Brennerbereich 213d eine Umlenkung stattfindet hin zu den Verteileröffnungen an den rechten Plattenkanten, beginnend mit der Ver­ teileröffnung 210 r der Verteiler-Kopfplatte 202 des Brennerbereichs 213d. Erst in dem übernächsten Brennerbereich 213f wird dann wieder eine Umlenkung hin zu den Verteileröffnungen an den linken Plattenkanten vorgenommen. Diese Durchlei­ tung der beiden Abgasströme durch den Reformer 200 kann schon in den Brenner­ bereichen 213e und 213f beendet werden, wenn dort die entsprechenden Sam­ melauslässe 211a und 211b vorgesehen sind. Bei einer größeren Bauausführung des Reformers 200 werden jedoch diese Sammelauslässe erst bei späteren Bren­ nerbereichen eingeplant sein in Abhängigkeit davon, wie weit die beiden Abgasströ­ mungen dann bereits als Folge des stattgefundenen Wärmeaustausches mit den beiden Frischgasströmungen abgekühlt sind.

Das Strömungsprinzip, das für die alternative Ausführungsform des Reformers 200 realisiert ist, kann noch weiter variiert werden, wenn anstelle von nur zwei Frisch­ gasströmungen und ebenfalls nur zwei Abgasströmungen drei oder auch vier und noch mehr parallele Strömungen eingesetzt werden. Anstelle von jeweils nur zwei seriell geschalteten Reformer- und Brennerbereichen wird dann eine dreifache oder vierfache serielle Schaltung für diese weiteren Teilströmungen vorgesehen, wobei als Vorteil dann eine weitere Vergrößerung der Reynolds-Zahl erhalten wird. Dane­ ben sind auch noch solche Varianten denkbar, bei denen das Strömungsprinzip der Fig. 3 bei dem Reformer 100 mit dem Strömungsprinzip der Fig. 4 bei dem Reformer 200 kombiniert wird und eine weitere Kombination auch mit solchen mehrfachen Strömungen für einen Reformer eingeplant wird, mit welchen bestimmte Zweckvor­ stellungen verfolgt werden.

Gemäß der Schemadarstellung in Fig. 5 ist für eine weitere alternative Ausführungs­ form eines Reformers 300 eine Kombination von zwei Reformern verwirklicht, von denen bei dem einen Reformer eine serielle Durchleitung der Frischgasströmung und der Abgasströmung durch die Verteileröffnungen der einzelnen Platten stattfindet, während bei dem zweiten Reformer eine parallele Strömungsverteilung vorliegt. Der eine Reformer kann dabei die Ausbildung des Reformers 100 gemäß der Darstellung in Fig. 3 aufweisen, wo also eine Frischgasströmung 301 durch die Verteileröffnun­ gen der einzelnen Platten von oben nach unten bis hin zu einem Sammelauslaß 305 hindurchgeleitet wird, während eine Abgasströmung 311 von unten nach oben im Gegenstrom durch andere Verteileröffnungen der Platten hindurchgeleitet wird. Bei dem zweiten Reformer mit der parallelen Strömungsverteilung wird die Frisch­ gasströmung aus einem Einlaßverteiler 304a unterhalb der Bodenplatte 309 des ei­ nen Reformerbereichs mit der seriellen Strömungsverteilung zugeleitet und an einer oberen Verteiler-Kopfplatte 311a hin zu einem Sammelauslaß 306a weitergeführt. Gleichzeitig wird eine zweite Teilmenge der Frischgasströmung aus einem weiteren Einlaßverteiler 104b an der Verteiler-Kopfplatte 311 der nächsten Zelle dieses zweiten Reformerbereichs hin zu einem weiteren Sammelauslaß 306b weitergeführt, wobei diese Parallelströmung zu einer Abgasströmung entgegengesetzt ist, die an den zugeordneten Zwischenplatten 313a und 313 dieser beiden Zellen aus zwei entsprechenden Einlaßverteilern 308a und 308b zugeleitet und hin zu entsprechen­ den Sammelauslässen 310a und 310b weitergeführt ist. Für diese Kombination zweier unterschiedlicher Reformerbereiche kann vorausgesetzt werden, daß hier ei­ ne Optimierung des einen Bereichs zugunsten des anderen Bereichs wieder von der verfolgten Zweckvorstellung abhängt, mit der als wahrscheinlich annehmbaren Vor­ gabe, daß wenn das einem Wärmeaustausch unterliegende Massenvolumen und der Kostenfaktor überwiegen, dann eher der eine Reformerbereich mit der seriellen Durchleitung der beiden Gasströmungen eine Optimierung erfahren sollte.

Für die vorliegende Erfindung können somit im wesentlichen die folgenden Zweck­ vorstellungen verfolgt werden. Es ist einmal eine wesentliche Vergrößerung der Reynolds-Zahl erreichbar, sodaß damit die Wärmeübertragung zwischen den durch­ geleiteten Gasströmungen stark verbessert wird. Auch die Kennlinien der Massen­ übertragung können damit stark verbessert werden, womit die Größe des Wärmetau­ schers um mehr als die Hälfte verringert werden kann und somit beträchtliche Ein­ sparungen an dem Gewicht, dem Volumen und den Kosten erzielbar sind. Durch die Möglichkeit einer Zuleitung der Reaktionspartner an beliebig vielen Stellen kann die Ausbildung von Heißstellen verhindert werden, sodaß auch unerwünschte chemische Reaktionen vermieden werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil wird auch über die Vereinfachung des Strömungsprinzips erhalten, weil damit das Bauvolumen des Wärmetauschers verkleinert werden kann bei gleichzeitiger Verringerung der Bau­ teile, womit für ein bevorzugtes Einsatzgebiet die Dampfreformierung von Kohlen­ wasserstoffen oder Alkoholen angegeben werden kann, bei welchen die Reaktorgrö­ ße hauptsächlich durch den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung bestimmt wird und eine kontrollierte Freigabe von Oxidationsmitteln das Risiko der Ausbildung von Heißstellen wesentlich verringern kann. Als weiterer bevorzugter Anwendungsbe­ reich der Erfindung kann die Oxidation von Kohlenmonoxid angegeben werden, wo­ bei dafür eine enge Kontrolle der Temperatur, eine kontrollierte Freigabe der Oxidati­ onsmittel und eine verbesserte Massenübertragung bzw. ein verbesserter Stoffaus­ tausch erreichbar ist.

Claims (9)

1. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer,
mit einer übereinander gestapelten Anordnung einer Vielzahl von Verteiler- Kopfplatten, die eine Vielzahl von Verteileröffnungen aufweisen und in einem zentralen Bereich jeweils mit einer Wärmeübertragungsfläche versehen sind,
mit einer gleichen Vielzahl von jeweils abwechselnd angeordneten Zwi­ schenplatten, die eine korrespondierende Vielzahl von Verteileröffnungen aufweisen und mit einer jeweils benachbarten Verteiler-Kopfplatte eine ein­ heitliche Zelle bilden,
mit einer Frischgasströmung, die aus einem Einlaßverteiler zugeleitet und über Reformerkanäle in aufeinanderfolgenden Reformerbereichen der ein­ heitlichen Zellen weitergeleitet wird, wobei jeder Reformerkanal für eine Um­ wandlung der Frischgasströmung in eine reformierte Gasströmung mit dem nächsten Reformerkanal über wenigstens eine Verteileröffnung einer Vertei­ ler-Kopfplatte und wenigstens eine Verteileröffnung einer Zwischenplatte verbunden ist,
mit einer heißen Abgasströmung, die aus einem weiteren Einlaßverteiler zu­ geleitet und über Brennerkanäle in aufeinanderfolgenden Brennerbereichen der einheitlichen Zeilen weitergeleitet wird, wobei jeder Brennerkanal für eine Umwandlung der heißen Abgasströmung in eine gekühlte Gasströmung mit dem nächsten Brennerkanal über wenigstens eine Verteileröffnung einer Verteiler-Kopfplatte und wenigstens eine Verteileröffnung einer Zwischen­ platte verbunden ist,
wobei die Reformerkanäle und die Brennerkanäle an zwei getrennte Sam­ melauslässe zum Sammeln und Entfernen der reformierten Gasströmung und der gekühlten Gasströmung angeschlossen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Frischgasströmung zwischen benachbarten Zellenpaaren (104, 211, 306) im wesentlichen senkrecht zu der Abgasströmung ausgerichtet ist und die beiden Strömungen in den Reformerbereichen (103, 203, 303) und in den Brennerbereichen (105, 205, 305) im wesentlichen einer Querströmung aus­ gesetzt sind.

2. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens ein zweiter Einlaßverteiler (180) für die Zuleitung einer zweiten Teilmenge der Frischgasströmung an einen der Reformerkanäle in dem Zwischenraum zwischen einer Verteiler-Kopfplatte (102) und einer zuge­ ordneten Zwischenplatte (120) angeschlossen ist.

3. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eine zweiter Einlaßverteiler (190) für die Zuleitung einer zweiten Teilmenge der heißen Abgasströmung an einen der Brennerkanäle in dem Zwischenraum zwischen einer Verteiler-Kopfplatte (102) und der zugeordneten Zwischenplatte (120) angeschlossen ist.

4. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Schicht eines Katalysators an den Wärmeübertragungsflächen wenigstens der Zwischenplatten (120) vorge­ sehen ist.

5. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Katalysator aus Gamma-Aluminiumoxidpulver besteht, das mittels eines dispergierten katalytischen Metalls an einer metallischen Struktur wenigstens der Zwischenplatten (120) zum Anhaften gebracht ist.

6. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens die Zwischenplatten (120) aus einer Superlegie­ rung oder aus rostfreiem Stahl bestehen.

7. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Platten (102, 120) jeder einheitli­ chen Zelle (104, 211, 306) durch eine Hartlötung miteinander verbunden sind.

8. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein zweiter Reformerbereich mit einem dritten Einlaßverteiler (304) für die Zuleitung einer dritten Teilmenge der Frischgasströmung vorgesehen ist, die durch den wenigstens zweiten Refor­ merbereich (302) in eine dritte reformierte Gasströmung umgewandelt wird, wo­ bei der wenigstens zweite Reformerbereich (302) einen zweiten Reformerkanal aufweist und jeder der zweiten Reformerkanäle zwischen einer zweiten Vertei­ ler-Kopfplatte (311a) und einer zugeordneten Zwischenplatte (313a) einer Viel­ zahl von zweiten einheitlichen Zellen ausgebildet und mit einem gemeinsamen Sammelauslaß (306) verbunden ist, und daß wenigstens ein zweiter Brennerbe­ reich mit dem weiteren Einlaßverteiler (310) für die Zuleitung einer zweiten Teil­ menge der heißen Abgasströmung verbunden ist, wobei der wenigstens zweite Brennerbereich einen zweiten Brennerkanal aufweist, der zwischen einer Ver­ teiler-Kopfplatte und einer zugeordneten Zwischenplatte (313) ausgebildet und mit dem gemeinsamen Sammelauslaß (308) verbunden ist, wobei die dritte Frischgasströmung und die zweite Abgasströmung durch wenigstens einen par­ allel geschalteten Strömungsbereich hindurch parallel zueinander verlaufen und entweder eine gleiche Strömungsrichtung oder eine zueinander entgegenge­ setzte Strömungsrichtung aufweisen.

9. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens jeweils zwei Reformerkanäle zu einem gekuppelten Reformerkanal verbunden sind, bei welchem jeder Refor­ merkanal mit einem benachbarten gekuppelten Reformerkanal über wenigstens eine Verteileröffnung (222) einer Verteiler-Kopfplatte (220) und wenigstens eine Verteileröffnung (210) der benachbarten Zwischenplatte (202) verbunden ist, und daß wenigstens jeweils zwei Brennerkanäle zu einem gekuppelten Brenner­ kanal verbunden sind, bei welchem jeder Brennerkanal mit einem benachbarten gekuppelten Brennerkanal über wenigstens eine Verteileröffnung (222) einer Verteiler-Kopfplatte (220) und eine Verteileröffnung (210) der benachbarten Zwi­ schenplatte (202) verbunden ist, wobei die Frischgasströmung in einem gekup­ pelten Reformerkanal entgegengesetzt ausgerichtet ist zu der Frischgasströ­ mung in dem jeweils benachbarten gekuppelten Reformerkanals und wobei die Abgasströmung in einem gekuppelten Brennerkanal jeweils entgegengesetzt ausgerichtet ist zu der Abgasströmung in einem benachbarten gekuppelten Brennerkanal.