DE10137888C2 - Plattenrahmen-Wärmetauscher - Google Patents

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 kompakter Gerätschaften mit einem niedrigen Druckabfall vorgesehen, wobei die Anwendungsge­ biete an einem kritischen Gewicht/Volumen-Verhältnis beurteilt werden. Typische An­ wendungsgebiete sind Verdampfer von Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen, Gasturbinen- Rekuperatoren, Brennstoffzellen und industrielle Wärmetauscher mit einem Wärmeaus­ tausch zwischen Flüssigkeiten. Diese Anwendungsgebiete sind besonders sensitiv bzgl. der Größe der Wärmetauscher und auch bzgl. des Druckabfalls in den Fluidkanälen. Für die bekannten Plattenrahmen-Wärmetauscher kann dabei angegeben werden, dass sie typischerweise mit einer aufeinanderfolgenden Reihe von einzelnen Wärmetau­ scherzellen ausgeführt sind. Die Zellen sind im wesentlichen parallel zueinander ge­ schaltet, sodass jede Zelle, die an einer Seite ein heißes Fluid und einer zweiten Seite ein kaltes Fluid führt, die gleiche Temperaturverteilung aufweist wie jede übernächste Zelle innerhalb des Stapels der aufeinanderfolgenden Zellen, die einen vollständigen Wärmetauscher ergeben.

Die Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer sind bisher vielfach für die Durch­ führung chemischer Reaktionen benutzt worden, die eine sorgfältig konditionierte Tem­ peratursteuerung erfordern, und zwar als Folge der in Frage stehenden Produktauswahl oder auch als Folge eines streng endothermischen oder exothermischen Verfahrensab­ laufs, wo eine rasche Erwärmung und Abkühlung benötigt wird. Als ein Beispiel von be­ trächtlicher Bedeutung kann das Dampfreformieren von Kohlenwasserstoffen und Alko­ holen angeben werden. Diese Reaktion läuft mit einer reversiblen chemischen Um­ wandlung von Methan und Wasser in Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff ab, wobei die Reaktion überwiegend endothermisch ist und normal große Mengen eines Katalysa­ tors benötigt, um die Reaktion zu beschleunigen. Bei der Verwendung von Plattenrah­ men-Wärmetauschern ergibt sich dabei die Schwierigkeit, dass ein wirksamer Wärmeaustausch zwischen der kühleren Strömung des Reforming-Produkts und den heißeren Verteilungsprodukten stattfinden muß, um einen vertretbaren thermischen oder thermo­ dynamischen Wirkungsgrad des Reformersystems zu erzielen. Der Wirkungsgrad des Wärmetauschers wird dabei mit der Temperatur definiert, die in dem Fluid vorliegt, wel­ ches einem maximalen Temperaturwechsel unterliegt, geteilt durch die Differenz zwi­ schen den höchsten und niedrigsten Temperaturen in dem Wärmetauscher.

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

Als Folge der massiven Parallelanordnung einer Vielzahl von kleineren Reaktoren wird eine niedrige Strömungsgeschwindigkeit und damit auch ein entsprechend niedrige Reynolds-Zahl erhalten sowie eine niedrige laminare Strömung. Dieser Nachteil ist des­ halb kritisch, weil eine niedrigere laminare Strömung die Wärmeübertragungsraten ver­ ringert und auch das Vermischen der Reaktionspartner in den Reaktorstrukturen, womit die Faktoren angesprochen sind, die gemeinsam mit der Reynolds-Zahl die Abmessun­ gen eines Reformers bestimmen. Eine niedrigere Reynolds-Zahl erfordert grundsätzlich einen größeren Reformer, wodurch die Kosten des Reformersystems 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 Totzonen kommt, in welchen die Strömung des Fluids äußerst schwach ist und daher ein Wärmeaustausch wenn überhaupt 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 besonders wichtig bei einer Verwendung der Wärmetauscherstruktur als ein katalytischer Brenner, wobei dazu be­ kannt ist, dass ein katalytisches Verbrennen an Wärmetauscherwänden die Wärme­ übertragung örtlich verbessert durch Verhütung einer konvektiven Wärmeübertragung von der Gasphase zu der Wand als Folge der Katalysatoren, die an der Wand angeord­ net sind. Wenn das Ausmaß der Brennstoffe oder Oxydationsmittel nicht kontrolliert wird, dann kann aber eine katalytische Verbrennung 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 be­ trächtliche Schwächung der Struktur und können zu einem mechanischen Ausfall füh­ ren. 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 annehmbaren Größe verdünnen, wodurch sowohl die Kosten als auch der Wirkungsgrad negativ beeinflußt werden.

Ein Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer mit den Merkmalen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 ist aus der DE 196 17 396 A1 bekannt. Bei diesem bekannten Plattenrahmen-Wärmetauscher sind alle Plattenelemente einheitlich ausge­ bildet und weisen eine rechteckige Umrissform mit einer Vielzahl von Verteileröffnungen sowohl entlang der beiden langen Kanten wie auch entlang der beiden kurzen Kanten jeder Platte auf. Alle Platten sind jeweils wenigstens einseitig profiliert, um so an jeder profilierten Plattenseite parallele Strömungskanäle zu erhalten, die durch zwischen den Plattenelementen angeordnete Dichtungen gegeneinander abgedichtet werden. Auf diese Weise werden in abwechselnder Reihenfolge abgedichtete Strömungsräume für zwei verschiedene Fluide zur Verfügung gestellt, für deren profilierte Strömungskanäle die maßgeblichen Zu- und Abführkanäle durch die Verteileröffnungen und daran ange­ schlossene getrennte Einlassverteiler und ebenso getrennte Sammelauslässe bereitge­ stellt werden. Die beiden verschiedenen Fluide, die über die Plattenelemente im Wär­ meaustausch miteinander stehen, werden also dabei mit einer gleichen Strömungsrichtung durch den Wärmetauscher hindurchgeleitet, wobei die zwischen den Plattenele­ menten angeordneten Dichtungen jeweils eine um 90° gedrehte Strömungsumkehr der Fluide zwischen dem Austritt an den profilierten Strömungskanälen einer ersten Platte und dem Einlass der profilierten Strömungskanäle einer jeweils übernächsten Platte regeln. Mit den Verteileröffnungen der Plattenelemente sind daher deckungsgleiche Durchtrittsöffnungen der Dichtungen zu einer jeweils um 90° gedrehten Anordnung ge­ bracht, um eine solche durch die Dichtungen gegenseitig abgedichtete Strömungsum­ kehr der Fluide zu erhalten. Die Durchtrittsöffnungen der Dichtungen ergeben dabei jedoch eine nachteilige Beeinflussung der Strömungsverhältnisse, weil am jeweiligen Übertritt zu einem nächsten Plattenelement Verwirbelungen und Veränderungen der Druckverhältnisse erhalten werden, welche eine Verminderung der Reynolds-Zahl er­ geben.

Der Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer zu schaffen, der die vorerwähnten kritischen Nachteile der bisherigen Systeme vermeidet und bei welchem weitgehend verlustfreie Gasströmungen eingehal­ ten werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer vorgesehen, der erfindungsgemäß mit dem durch den Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen ausgebildet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer wird im wesentlichen eine Erhöhung der Reynolds-Zahl der beiden maßgeblichen Strömungen erhalten, wodurch die Wärmeübertragungskriterien wesentlich verbessert werden eben­ so wie auch die Mischungskriterien der Reaktionspartner. Die Baugröße des Wärme­ tauschers bzw. Reformers oder Reaktors kann daher um mehr als die Hälfte verkleinert werden. Gemäß der Erfindung wird weiterhin auch eine Konstruktion 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 Heißstellen und anderen uner­ wünschten chemischen Reaktionen zu kontrollieren und zu vermeiden. Mit der vorlie­ genden Erfindung wird auch eine Komplexität der Strömungen 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 we­ sentliche Vereinfachung erfahren, wobei gleichzeitig Vorkehrungen getroffen sind, um für eine wechselseitige Gegenströmung einen hohen Wirkungsgrad erzielen zu lassen.

Weitere vorteilhafte und zweckmäßige Ausbildungen der Erfindung sind in den einzel­ nen 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 ei­ ner seriellen Querströmung ausgebildet ist,

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

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

Fig. 2C eine Schemadarstellung zur Veranschaulichung der übereinander gestapelten Anordnung der Verteiler-Kopfplatten gemäß Fig. 2A und der Zwischenplatten gemäß Fig. 2B in abwechselnder Reihenfolge,

Fig. 2D eine Perspektivansicht in auseinandergezogener Darstellung eines Wärme­ tauschers 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 Plattenrahmen- 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 weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung für die Vorgabe einer seriellen Querströmung und einer Parallelströmung ausgebildet sind.

In Fig. 1 ist ein Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer 12 schematisch darge­ stellt, der in einem System 10 zur Umwandlung von Kohlenwasserstoff-Brennstoffen zu Wasserstoff eingesetzt wird, welcher von elektrochemischen Brennstoffzellen für die Erzeugung von Elektrizität benutzt wird. Der Reformer 12 besteht aus einer Reihe von übereinander gestapelten Zellen 14, von denen jede Zelle eine Verteiler-Kopfplatte 16 und eine Zwischenplatte 18 aufweist, die in abwechselnder Reihenfolge gestapelt sind. Der Reformer 12 ist mit einem Einlaßverteiler 20 versehen, über welchen der gestapel­ ten Plattenanordnung ein Frischgas zugeleitet wird, nämlich typischerweise Benzin, na­ türliches Gas oder ein anderer Kohlenwasserstoff, wobei die Zuleitung an den Verteiler 20 aus einem Vorratsspeicher stattfindet. Die Frischgasströmung wird am anderen En­ de des Reformers 12 über einen Sammelauslass 22 abgeführt, wobei die Abführung mit der Ausbildung einer erwärmten reformierten Gasströmung als Folge eines stattgefundenen Wärmeaustausches vorliegt. Die Frischgasströmung kann neben den vorerwähn­ ten Gasen auch aus einer Kombination von Wasser, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenmo­ noxid, Kohlendioxid, Wasserstoff 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 Brenneraus­ lassgas und/oder ein nur teilweise oder vollständig nicht zur Reaktion gebrachtes Ge­ misch aus Brennstoff und einem Oxidationsmittel zugeleitet wird. Diese nachfolgend so bezeichnete heiße Abgasströmung wird über einen Sammelauslass 26 aus dem Refor­ mer 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 bei­ den Gasströmungen durch den Reformer 12 hindurch wird nachfolgend näher erläutert.

In Fig. 2A ist eine Verteiler-Kopfplatte 102 mit einer Draufsicht gezeigt, die einen zent­ ralen Bereich 106 für die Anordnung einer Rippenplatte 108 und einen Randbereich aufweist, in welchem mehrere Verteileröffnungen 110 ausgebildet sind. Die Rippenplat­ te 108 ist mit Rippen 111 oder anderen gleichwertigen Ausformungen ausgebildet, um eine verstärkte Fluidströmung quer über die Fläche des zentralen Bereichs 106 der Ver­ teiler-Kopfplatte 102 zu erhalten. Diese verstärkte Flächenströmung ist auch mit ande­ ren Maßnahmen zu erreichen, wie bsp. mit einem gewellten Blech oder auch mit einer Metallbeschäumung als alternative Vorkehrung zur Erzielung eines verbesserten Wär­ meübergangs. Die Realisierung solcher Hilfsmaßnahmen ist generell bekannt. Ebenso bekannt ist auch das randseitige Vorsehen der Verteileröffnungen 110, die in Fig. 2A mit einer Anordnung entlang der linken Begrenzungskante der Platte 102 gezeigt sind. Solche Verteileröffnungen können bei der Verteiler-Kopfplatte 102 auch anders positio­ niert werden, so bsp. entlang der vorderen oder entlang der hinteren oder auch entlang der rechten Plattenkante, sodass zur Unterscheidung dieser verschiedenen Positionie­ rungsmöglichkeiten die Verteileröffnungen in der Darstellung gemäß Fig. 3 mit unter­ schiedlichen Indizes angegeben 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 Strömungsrichtung der Frischgasströmung für die Hindurchleitung durch die gesta­ pelte Anordnung der Verteiler-Kopfplatten 102 vorgegeben. An dieser vorgegebenen Strömungsrichtung sind auch entsprechende Verteileröffnungen 122 gemäß der Dar­ stellung in Fig. 2B in den abwechselnd angeordneten Zwischenplatten 120 beteiligt. Auch diese Zwischenplatten 120 können mit Rippen 121 oder auch mit anderen Ver­ formungen 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 Positionierungen 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. Sowohl die Verteiler- Kopfplatten 102 wie auch die Zwischenplatten 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 noch der ergänzende Hinweis erfolgen, dass wenn für die Stapelanordnung eine weitere Zuleitung einer zusätzlichen Fluidströmung eingeplant ist, so bsp. von be­ stimmten 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 beabsich­ tigte ergänzende Fluidströmung ebenfalls kontrolliert durch die Anordnung der überein­ ander gestapelten Platten hindurchgeleitet werden kann.

Die Verteiler-Kopfplatten 102 und die abwechselnd angeordneten Zwischenplatten 120 sind 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 aufeinanderfolgend jeweils um 90° im Uhrzeigergegensinn zueinander versetzt sind. Dieses gegenseitige Versetzen der aufeinanderfolgenden Zellen 104 ist in der Darstellung gemäß Fig. 2D über die zueinander versetzte Anordnung einerseits der Vorsprünge 114 und anderer­ seits der Vorsprünge 126 zu verfolgen. Aus der Darstellung ist ableitbar, dass der je­ weils für eine linke Plattenkante einer Verteiler-Kopfplatte 102 vorgesehene Vorsprung 114 mit dem Vorsprung 126 an der rechten Plattenkante einer zugeordneten Zwischen­ platte 120 zusammenpaßt, wenn aus zwei Platten 102 und 120 eine gemeinsame Zelle 104 gebildet wird. Das Zusammenpassen der beiden Platten 102 und 120 zur Ausbil­ dung einer einheitlichen Zelle 104 kann bsp. durch ein Weichlöten, ein Hartlöten oder ein Verkleben vorgenommen werden. Das Hartlöten wird dabei für Hochtemperatur- Anwendungen generell bevorzugt. An den Platten kann außerdem eine dünne Schicht eines katalytischen Materials angebracht werden, um einen verbesserten Wärmeaus­ tausch zu erhalten, so bsp. eine Schicht eines Gamma-Aluminiumoxid-Pulvers mit dispergierten katalytischen Metallteilchen zur Anbringung an einer Platte aus einer Su­ perlegierung oder aus rostfreiem Stahl. Die Anbringung solcher katalytischer Beschich­ tungen an den einzelnen Platten eines Plattenrahmen-Wärmetauschers oder -Reformers ist im Umfeld der vorliegenden Erfindung allgemein bekannt und muß des­ halb hier nicht näher ausgeführt werden.

Gemäß der Schemadarstellung in Fig. 3 ist für den vorbeschriebenen Wärmetauscher 100 davon auszugehen, dass die aus einem Einlaßverteiler 101 in den Zwischenraum zwischen einer oberen Abdeckplatte 117 und der Verteiler-Kopfplatte 102 der obersten Zelle 104 zugeleitete Frischgasströmung über eine oder mehrere Verteileröffnungen 110f an der vorderen Plattenkante zu einer oder mehreren Verteileröffnungen 122f ebenfalls an der vorderen Plattenkante der anschließenden Zwischenplatte 120 weiter­ geleitet wird. Anschließend erfolgt bei der nächsten Zelle 104 eine Umlenkung zu einer oder mehreren Verteileröffnungen 110b an der hinteren Plattenkante der nächsten Ver­ teiler-Kopfplatte 102. Von dort aus wird die Frischgasströmung dann zu einer oder meh­ reren 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 die aus dem Einlaßverteiler 101 zugeleitete Frischgasströmung in der Ausbildung einer re­ formierten Gasströmung den Reformer 100 über einen Sammelauslass 105, der an ei­ nen 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 vorgegebe­ nen Spitzentemperatur, womit die hauptsächlichen Faktoren angegeben werden kön­ nen, welche die Anzahl der Zellen 104 bestimmen.

In den vorerwähnten Zwischenraum 105a zwischen der untersten Zelle und der unte­ ren Abdeckplatte 109 wird eine heiße Abgasströmung 107 zugeleitet, die an dem Wär­ meaustausch mit der Frischgasströmung beteiligt ist. Diese heiße Abgasströmung wird über eine oder mehrere Verteileröffnungen 110l an der linken Plattenkante einer un­ tersten Verteiler-Kopfplatte 102, die für die Darstellung in Fig. 3 nicht mit einer Zwi­ schenplatte vereinigt ist, an eine oder mehrere Verteileröffnungen 122l an der linken Plattenkante der Zwischenplatte 120 der darüber angeordneten Zelle weitergeleitet, von wo sie eine Umlenkung zu der einen bzw. zu den mehreren Verteileröffnungen 110r an der rechten Plattenkante der zugeordneten Verteiler-Kopfplatte 102 erfährt. Anschlie­ ßend 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 Verteileröff­ nungen 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 gekühlten Gasströmung abgeführt.

Aus der Schemadarstellung der Fig. 3 wie vorbeschrieben ist somit speziell ableitbar, dass die Frischgasströmung einerseits und die Abgasströmung andererseits durch be­ nachbarte Reformerbereiche 103 und ebenfalls benachbarte Brennerbereiche 105 senkrecht zueinander ausgerichtet sind und dafür insgesamt eine Gegenströmung vor­ gegeben wird. Dieses Strömungsbild für die beiden Gasströmungen kann als eine se­ rielle Querströmung definiert werden, bei welcher ein Wärmeaustausch hauptsächlich über die Zwischenplatten 120 der einzelnen Zellen besorgt wird. Die Frischgasströmung wird daher allmählich erwärmt und zur Reaktion gebracht, während gleichzeitig die an­ fänglich heiße Abgasströmung innerhalb des Reformers 100 allmählich gekühlt wird. Der Wärmeaustausch zwischen den beiden Gasströmungen wird dabei durch das Vor­ sehen von Rippen 111 bzw. 121 oder auch von separaten Rippenplatten 108 verbessert und kann weiter noch dadurch gefördert werden, dass die Frischgasströmung noch zu­ sätzlich über einen zweiten separaten Einlaßverteiler 180 zugeleitet wird. Daneben fin­ det auch eine separate Zuleitung einer zusätzlichen Abgasströmung statt, wofür ande­ rerseits ein zweiter Einlassverteiler 190 vorgesehen ist. Neben einem verbesserten Wärmeaustausch kann damit auch eine verbesserte chemische Reaktion in einem oder mehreren ausgewählten Reformerbereichen 103 und in einem oder mehreren Brenner­ bereichen 105a erhalten werden, um so bsp. unerwünschte Heißstellen zu vermeiden und unerwünschte chemische Reaktionen zu begrenzen. Es versteht sich auch hier, dass die Anzahl solcher sekundärer Einlässe 180 und 190 für die Frischgasströmung und für 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 Strömungs­ bild für die aus einem Einlaßverteiler 201a zugeleitete Frischgasströmung einerseits und für die aus einem weiteren Einlaßverteiler 207a zugeleitete Abgasströmung ande­ rerseits gezeigt, dass hier eine serielle Parallelströmung mit zwei zueinander parallelen Zellen verfolgt wird. Die örtlich zueinander senkrecht ausgerichteten Strömungswege der Frischgasströmung einerseits und der Abgasströmung andererseits wie vorbeschrieben für den Reformer 100 gemäß der Ausbildung in Fig. 3 sind hier beibehalten, jedoch dahin abgewandelt, dass bei jeder übernächsten Zelle die Reformerbereiche 203 einerseits und die Brennerbereiche 213 andererseits mit unterschiedlichen Strö­ mungsrichtungen und damit auch mit unterschiedlichen Temperaturverteilungen behaf­ tet sind, weil die Zellen zu paarweisen Gruppen zusammengefaßt sind, die jeweils im wesentlichen gleiche Strömungsrichtungen und gleiche Temperaturverteilungen haben.

Zu der Ausführungsform des Reformers 200 gemäß der Darstellung in Fig. 4 kann spe­ ziell folgendes festgehalten werden. Die kalte Frischgasströmung wird hier aus einem primären Einlaßverteiler 201a und daneben aus einem sekundären Einlaßverteiler 201b zugeleitet, wobei die Zuleitung in einen 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 Frischgas­ strömung 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 Verteileröffnung 210f der Verteiler- Kopfplatte 102 wird die Frischgasströmung in den ersten Reformerbereich 203a an ei­ ne vordere Verteileröffnung 222f der zugeordneten Zwischenplatte 220 weitergeleitet und von dort an die vordere Verteileröffnung 210f der Verteiler-Kopfplatte 202 der in dem nächsten Reformerbereich 203b angeordneten Zelle, um dann gemeinsam mit der dort parallel zugeleiteten Frischgasströmung an eine vordere Verteileröffnung 222f der zugeordneten Zwischenplatte 220 weitergeleitet zu werden. In dem nächsten Refor­ merbereich 203c wird die primäre Frischgasströmung an eine Verteileröffnung 210b an der hinteren Plattenkante der nächsten Verteiler-Kopfplatte 202 umgelenkt, während die sekundäre Frischgasströmung eine Hinführung zu einer Verteileröffnung 210f an einer vorderen Plattenkante der gleichen Verteiler-Kopfplatte erfährt. Die beiden Gasströ­ mungen werden anschließend durch eine hintere Verteileröffnung 222b und eine vor­ dere Verteileröffnung 222f der zugeordneten Zwischenplatte hindurchgeleitet, um dann wieder an einer hinteren Verteileröffnung 210b der Verteiler-Kopfplatte 202 zusammengeführt zu werden, nachdem die sekundäre Frischgasströmung hier eine entspre­ chende Umlenkung erfahren hat wie zuvor die primäre Frischgasströmung in dem Re­ formerbereich 203c. Der weitere Verlauf der beiden Frischgasströmungen ist entspre­ chend 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 ande­ rerseits vorausgesetzt werden, dass auch hier zwei Teilströme über zwei Einlaßverteiler 207a und 207b an dem untersten Brennerbereich 213a und an dem unmittelbar dar­ über angeordneten Brennerbereich 213b zugeleitet werden. Die Zuleitung der einen Abgasströmung wird über wenigstens eine Verteileröffnung 210l an der linken Platten­ kante der untersten Verteilerkopfplatte 210 an eine entsprechende Verteileröffnung 222l an der linken Plattenkante der Zwischenplatte 222 des Brennerbereichs 213b weiter­ geleitet. Sie wird anschließend über eine Verteileröffnung 210l an der linken Platten­ kante der zugeordneten Verteiler-Kopfplatte 202 einer Verteileröffnung 222l an der lin­ ken Plattenkante der Zwischenplatte 220 des nächsten Brennerbereichs 213c zuge­ führt, wo die Abgasströmung dann hin zu wenigstens einer Verteileröffnung 210r an der rechten Plattenkante der zugeordneten Verteiler-Kopfplatte 202 usw. usw. umgelenkt wird, um erst später wieder in dem übernächsten Brennerbereich von den Verteileröff­ nungen der rechten Plattenkanten zu den Verteileröffnungen der linken Plattenkanten im Anschluß an die Zwischenplatte 220 des Brennerbereichs 213e umgelenkt zu wer­ den. Die zweite Abgasströmung, die aus dem Einlaßverteiler 207b zugeleitet wird, er­ fährt 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 Plattenkan­ ten, beginnend mit der Verteileröffnung 210r der Verteiler-Kopfplatte 202 des Brenner­ bereichs 213d. Erst in dem übernächsten Brennerbereich 213f wird dann wieder eine Umlenkung hin zu den Verteileröffnungen an den linken Plattenkanten vorgenommen.

Diese Durchleitung der beiden Abgasströme durch den Reformer 200 kann schon in den Brennerbereichen 213e und 213f beendet werden, wenn dort die entsprechenden Sammelauslässe 211a und 211b vorgesehen sind. Bei einer größeren Bauausführung des Reformers 200 werden jedoch diese Sammelauslässe erst bei späteren Brennerbe­ reichen eingeplant sein in Abhängigkeit davon, wie weit die beiden Abgasströmungen dann bereits als Folge des stattgefundenen Wärmeaustausches mit den beiden Frisch­ gasströmungen abgekühlt sind.

Das Strömungsprinzip, das für die alternative Ausführungsform des Reformers 200 rea­ lisiert ist, kann noch weiter variiert werden, wenn anstelle von nur zwei Frischgasströ­ mungen und ebenfalls nur zwei Abgasströmungen drei oder auch vier und noch mehr parallele Strömungen eingesetzt werden. Anstelle von jeweils nur zwei seriell geschalte­ ten Reformer- und Brennerbereichen wird dann eine dreifache oder vierfache serielle Schaltung für diese weiteren Teilströmungen vorgesehen, um eine weitere Vergröße­ rung der Reynolds-Zahl zu erreichen. Daneben sind auch noch solche Varianten denk­ bar, bei denen das Strömungsprinzip der Fig. 3 bei dem Reformer 100 mit dem Strö­ mungsprinzip der Fig. 4 bei dem Reformer 200 kombiniert wird und eine weitere Kombi­ nation auch mit solchen mehrfachen Strömungen für einen Reformer eingeplant wird, mit welchen bestimmte Zweckvorstellungen verfolgt werden.

Gemäß der Schemadarstellung in Fig. 5 ist für eine weitere alternative Ausführungsform eines Reformers 300 eine Kombination von zwei Reformern verwirklicht, von denen bei dem einen Reformer eine serielle Durchleitung der Frischgasströmung und der Abgas­ strömung durch die Verteileröffnungen der einzelnen Platten stattfindet, während bei dem zweiten Reformer eine parallele Strömungsverteilung realisiert ist. Der eine Refor­ mer kann dabei die Ausbildung des Reformers 100 gemäß der Darstellung in Fig. 3 aufweisen, wo also eine Frischgasströmung 301 durch die Verteileröffnungen der ein­ zelnen Platten von oben nach unten bis hin zu einem Sammelauslass 305 hindurchge­ leitet 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 Frischgasströmung aus einem Einlaßverteiler 304a unterhalb der Bodenplatte 309 des einen 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 Ver­ teiler-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 entsprechenden Sammelauslässen 310a und 310b weiterge­ führt ist. Für diese Kombination zweier unterschiedlicher Reformerbereiche kann vor­ ausgesetzt werden, dass hier eine Optimierung des einen Bereichs zugunsten des an­ deren Bereichs wieder von der verfolgten Zweckvorstellung abhängt, mit der als wahr­ scheinlich annehmbaren Vorgabe, dass wenn das einem Wärmeaustausch unterliegen­ de Massenvolumen und der Kostenfaktor überwiegen, dann eher der eine Reformerbe­ reich mit der seriellen Durchleitung der beiden Gasströmungen eine Optimierung erfah­ ren sollte.

Für die vorliegende Erfindung können somit im wesentlichen die folgenden Zweckvor­ stellungen verfolgt werden. Es ist einmal eine wesentliche Vergrößerung der Reynolds- Zahl erreichbar, sodass damit die Wärmeübertragung zwischen den durchgeleiteten Gasströmungen stark verbessert wird. Auch die Kennlinien der Massenübertragung können damit stark verbessert werden, womit die Größe des Wärmetauschers um mehr als die Hälfte verringert werden kann und somit beträchtliche Einsparungen an dem Gewicht, dem Volumen und den Kosten erzielbar sind. Durch die Möglichkeit einer Zu­ leitung der Reaktionspartner an beliebig vielen Stellen kann die Ausbildung von Heiß­ stellen verhindert werden, sodass auch unerwünschte chemische Reaktionen vermie­ den 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 Bauteile. Für ein bevorzugtes Einsatzgebiet kann daher die Dampfreformierung von Kohlenwasserstoffen oder Alko­ holen angegeben werden, bei welchen die Reaktorgröße hauptsächlich durch den Wir­ kungsgrad der Wärmeübertragung bestimmt wird und eine kontrollierte Freigabe von Oxidationsmitteln das Risiko der Ausbildung von Heißstellen wesentlich verringern kann. Ein weiterer bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung ist die Oxidation von Kohlenmonoxid, wobei dafür eine enge Kontrolle der Temperatur, eine kontrollierte Freigabe der Oxidationsmittel und eine verbesserte Massenübertragung bzw. ein ver­ besserter Stoffaustausch erreichbar ist.

Claims (9)

1. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer,
mit einer übereinander gestapelten Anordnung einer Vielzahl von Verteiler- Kopfplatten, die randseitig eine Vielzahl von Verteileröffnungen aufweisen und in einem zentralen Bereich jeweils mit einer Wärmeübertragungsfläche verse­ hen sind,
mit einer gleichen Vielzahl von jeweils abwechselnd angeordneten Zwischen­ platten, die eine korrespondierende Vielzahl von randseitigen Verteileröffnun­ gen aufweisen und mit einer jeweils benachbarten Verteiler-Kopfplatte eine einheitliche Zelle bilden,
mit einer Frischgasströmung, die aus einem Einlaßverteiler zugeleitet und ü­ ber Reformerkanäle in aufeinanderfolgenden Reformerbereichen der einheitli­ chen Zellen weitergeleitet wird, wobei jeder Reformerkanal für eine Umwand­ lung der Frischgasströmung in eine reformierte Gasströmung mit dem nächs­ ten Reformerkanal über wenigstens eine Verteileröffnung einer Verteiler- Kopfplatte und wenigstens eine Verteileröffnung einer Zwischenplatte verbun­ den ist,
mit einer heißen Abgasströmung, die aus einem weiteren Einlaßverteiler zuge­ leitet und über Brennerkanäle in aufeinanderfolgenden Brennerbereichen der einheitlichen Zellen weitergeleitet wird, wobei jeder Brennerkanal für eine Umwandlung der heißen Abgasströmung in eine gekühlte Gasströmung mit dem nächsten Brennerkanal über wenigstens eine Verteileröffnung einer Ver­ teiler-Kopfplatte und wenigstens eine Verteileröffnung einer Zwischenplatte verbunden ist,
wobei die Reformerkanäle und die Brennerkanäle an zwei getrennte Sammel­ auslässe zum Sammeln und Entfernen der reformierten Gasströmung und der gekühlten Gasströmung angeschlossen sind und die Frischgasströmung und die Abgasströmung abwechselnd jeweils in dem Raum zwischen einer Kopf­ platte und einer Zwischenplatte strömen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Frischgasströmung zwischen seriell aufeinanderfolgenden Zellenpaaren (104, 211, 306), die benachbart jeweils mit einer Verteiler-Kopfplatte (102, 220, 302) und einer direkt zugeordneten Zwischenplatte (120, 202, 320) aus­ gebildet sind, im wesentlichen senkrecht und entgegengesetzt zu der Strö­ mungsrichtung der Abgasströmung ausgerichtet ist,
die Frischgasströmung und die entgegengesetzt ausgerichtete Abgasströ­ mung in den Reformerbereichen (103, 203, 303) und in den Brennerbereichen (105, 205, 305) einer im wesentlichen senkrecht zu ihren momentanen Strö­ mungsrichtungen ausgerichteten Querströmung ausgesetzt sind, und
jede Querströmung durch eine wechselseitig um 90° versetzte Anordnung der entlang nur einer Plattenkante vorgesehenen randseitigen Verteileröffnungen (110, 122; 210, 222; 310, 320) in den Verteiler-Kopfplatten (102, 220, 302) und in den Zwischenplatten (120, 202, 320) der seriell aufeinanderfolgenden benachbarten Zellenpaare (104, 211, 306) erhalten ist.

2. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens jeweils zwei Reformerkanäle zu ei­ nem gekuppelten Reformerkanal verbunden sind, bei welchem jeder Refor­ merkanal mit einem benachbarten gekuppelten Reformerkanal über wenigs­ tens eine Verteileröffnung (222) einer Verteiler-Kopfplatte (220) und wenigs­ tens eine Verteileröffnung (210) der benachbarten Zwischenplatte (202) ver­ bunden ist, und dass wenigstens jeweils zwei Brennerkanäle zu einem gekup­ pelten Brennerkanal verbunden sind, bei welchem jeder Brennerkanal mit ei­ nem benachbarten gekuppelten Brennerkanal über wenigstens eine Verteiler­ öffnung (222) einer Verteiler-Kopfplatte (220) und eine Verteileröffnung (210) der benachbarten Zwischenplatte (202) verbunden ist, wobei die Frischgas­ strömung in einem gekuppelten Reformerkanal entgegengesetzt ausgerichtet ist zu der Frischgasströmung in dem jeweils benachbarten gekuppelten Re­ formerkanals und wobei die Abgasströmung in einem gekuppelten Brennerka­ nal jeweils entgegengesetzt ausgerichtet ist zu der Abgasströmung in einem benachbarten gekuppelten Brennerkanal.

3. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, 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 zugeordneten Zwischenplatte (120) angeschlossen ist.

4. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein 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.

5. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine dünne Schicht eines Katalysators an den Wärmeübertragungsflächen wenigstens der Zwischenplatten (120) vorgese­ hen ist.

6. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator aus Gamma-Aluminiumoxid­ pulver besteht, das mittels eines dispergierten katalytischen Metalls an einer metallischen Struktur wenigstens der Zwischenplatten (120) zum Anhaften gebracht ist.

7. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Zwischenplatten (120) aus ei­ ner Superlegierung oder aus rostfreiem Stahl bestehen.

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

9. Plattenrahmen-Wärmetauscher oder -Reformer nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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 Re­ formerbereich (302) in eine dritte reformierte Gasströmung umgewandelt wird, wobei der wenigstens zweite Reformerbereich (302) einen zweiten Reformer­ kanal aufweist und jeder der zweiten Reformerkanäle zwischen einer zweiten Verteiler-Kopfplatte (311a) und einer zugeordneten Zwischenplatte (313a) einer Vielzahl von zweiten einheitlichen Zellen ausgebildet und mit einem ge­ meinsamen Sammelauslaß (306) verbunden ist, und dass wenigstens ein zweiter Brennerbereich mit dem weiteren Einlassverteiler (310) für die Zulei­ tung einer zweiten Teilmenge der heißen Abgasströmung verbunden ist, wo­ bei der wenigstens zweite Brennerbereich einen zweiten Brennerkanal auf­ weist, der zwischen einer Verteiler-Kopfplatte und einer zugeordneten Zwi­ schenplatte (313) ausgebildet und mit dem gemeinsamen Sammelauslaß (308) verbunden ist, wobei die dritte Frischgasströmung und die zweite Ab­ gasströmung durch wenigstens einen parallel geschalteten Strömungsbereich hindurch parallel zueinander verlaufen und entweder eine gleiche Strömungs­ richtung oder eine zueinander entgegengesetzte Strömungsrichtung aufwei­ sen.