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Die
Erfindung betrifft einen Verdampfer für Flüssigkeiten, der aus einem porösen Körper besteht,
welcher von einem wärmeleitfähigen gasdichten
Material umschlossen ist.
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In
einer Vielzahl technischer Anwendungen ist eine homogene Verdampfung
von geringen Flüssigkeitsmengen
mit geringen Pulsationen und unter Vermeidung von Druckstößen zu gewährleisten.
Weitere Aufgabenstellungen betreffen die Optimierung des Energieeintrags
in das zu verdampfende Medium, eine gute Dynamik bei Veränderung
der angeforderten Dampfrate sowie ein stabiler und dauerhafter Betrieb.
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Bei
Anwendungen, in denen die Dampfrate möglichst homogen, d. h. arm
an Pulsationen sein soll, hat es sich erwiesen, dass die Verdampfung
in einem porösen
Medium vorteilhaft ist. Damit wird die Bildung großer Dampfblasen
unterdrückt,
die beim Zerfall zu einer Schwankung in der Dampfrate führen. Weiterhin
sind poröse
Körper
dazu geeignet, das Leidenfrostsche Phänomen zu verhindern, bei dem
sich auf einer heißen
Wand stabile Flüssigkeitstropfen
bilden, die nur schwer in die Dampfphase übergehen.
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In
DE 41 24 018 C1 ist
eine Vorrichtung beschrieben, die sich zum Verdampfen geringer Flüssigkeitsmengen
eignet. Diese Vorrichtung umfasst einen Behälter, in dem ein poröser Körper so
angeordnet ist, dass vor und hinter ihm je ein Hohlraum verbleibt.
Im vorgelagerten Hohlraum ist eine Zerstäubereinrichtung angeordnet.
Der nachgelagerte Hohlraum besitzt einen Ableitungsstutzen. Der
Behälter ist
mit einer Heizspirale versehen, die den Innenraum des Behälters beheizt.
Die zu verdampfende Flüssigkeit
wird der Zerstäubungseinrichtung
zugeführt,
in der sie zerstäubt
wird. Der poröse
Körper
nimmt die zerstäubte
Flüssigkeit
auf. Durch die über
die Heizspirale erzeugte Wärme
verdampft der Flüssigkeitsnebel
sukzessive und sammelt sich als Dampf im nachgelagerten Hohlraum,
um über
den Ableitungsstutzen abgeleitet werden zu können. Diese Vorrichtung weist
den Nachteil auf, dass sie durch die notwendige Zerstäubereinrichtung
mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden ist, der die Baugröße und die
Kosten erhöht.
Die Zerstäubereinrichtung sorgt
auch für
eine erhöhte
Störanfälligkeit
der Vorrichtung.
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In
DE 100 39 592 A1 wird
ein Flüssigkeitsverdampfer
beschrieben, bei dem die Verdampfung in parallel geschalteten Kapillarröhrchen stattfindet. Bei
der Verdampfung in engen Kanälen
ist es jedoch notwendig, für
eine gleichförmige
Zuführung
der flüssigen
Phase zu sorgen. Insbesondere darf die Verdampfung nicht schon im
Bereich der Verteilung einsetzen. In
DE 100 39 592 A1 wird dieses Problem mittels
einer Kühlung
des Einlassbereiches gelöst, was
ebenfalls einen hohen apparatetechnischen Aufwand darstellt. Kapillarröhrchen besitzen
weiterhin den Nachteil, dass es durch den sogenannten Siedeverzug
zu einer plötzlichen
und schlagartigen Erhöhung
der erzeugten Dampfrate innerhalb der Einzelröhrchen kommen kann, so dass
die Verdampfung inhomogen wird.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine homogene, pulsationsarme
und langzeitstabile Verdampfung von Flüssigkeiten mit einem verringerten
apparativen Aufwand zu erreichen.
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Erfindungsgemäß wird dies
erreicht, indem in einem quaderförmigen
oder zylindrischen beheizbaren Verdampferelement mit einem stirnseitigen
Zuleitungsstutzen und einem gegenüberliegenden Ableitungsstutzen
ein Metallfaserkörper
so angeordnet ist, dass zwischen dem Zuleitungsstutzen und dem Metallfaserkörper ein
Verteilungsraum verbleibt. Der Verteilungsraum hat in vorteilhafter
Ausgestaltung der Erfindung etwa eine Länge, die der Höhe des Metallfaserkörpers entspricht.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist der Metallfaserkörper mit
dem Behälter
versintert.
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Eine
weitere vorteilhafte Gestaltung der Erfindung sieht zwischen dem
Verteilungsraum und dem Metallfaserkörper eine Lochplatte vor.
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Der
Metallfaserkörper
kann eine mehrstufige Porosität
besitzen.
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Zwischen
dem Ableitungsstutzen und dem Metallfaserkörper kann ein Dampfraum freigelassen sein,
der als Beruhigungskammer dient.
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Vorteilhafterweise
besitzt der Metallfaserkörper
eine wesentlich geringere Ausdehnung senkrecht zur Strömungsrichtung
der Flüssigkeit
und parallel zum Wärmeeintrag
als parallel zur Strömungsrichtung.
Der Wärmeeintrag
in den Verdampfungsraum kann mittels einer auf der begrenzenden
Wand angebrachten elektrischen Heizung, z. B. einer Heizwendel erfolgen,
durch einen Wärmeübertrag
von einem Fluid, das eine höhere
Temperatur als die Siedetemperatur der zu verdampfenden Flüssigkeit
besitzt oder durch eine exotherme chemische Reaktion. Bei den beiden
letztgenannten Ausführungen
wird das Heizmedium räumlich
getrennt durch die begrenzende Wand im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom
gegenüber
dem zu verdampfenden Fluid geführt.
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Der
Verdampfer wird von mindestens einem Metallfaserkörper gebildet,
es können
jedoch auch Metallfaserkörper
parallel angeordnet werden. Dabei wechseln Räume in denen die Verdampfung
stattfindet mit Räumen
ab, in denen die Verdampfungsenergie elektrisch, mittels Wärmeträgermedium
oder chemischen Reaktionen zugeführt
wird. Dabei sind dem Metallfaserkörper zweckmäßigerweise ein gemeinsamer
Verteilungsraum und/oder ein gemeinsamer Dampfraum zugeordnet.
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Die
vorgelegte Erfindung kann als elektrisch oder thermisch betriebener
Flüssigkeitsverdampfer in
einer Vielzahl technischer Anwendungen eingesetzt werden, bei denen
eine homogene Dampfrate, hohe Dynamik, geringe Baugröße, geringer
apparativer Aufwand und eine vollständige Verdampfung wichtige
Prozessparameter sind. Eine Anwendung bildet die Verdampfung von
Wasser, wie es bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen in Brennstoffzellen
benötigt
wird. Weitere Anwendungen finden sich beispielsweise in bei der
Verdampfung flüssiger
Edukte in der Halbleiterindustrie oder bei der Verdampfung flüssiger Kohlenwasserstoffe
in Brennern oder in Reformern von Brennstoffzellensystemen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In
der zugehörigen
Zeichnung zeigt
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1 einen
Verdampfer für
Flüssigkeiten
mit quaderförmigem
Querschnitt,
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2 einen
Verdampfer für
Flüssigkeiten
mit kreisringförmigem
Querschnitt,
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3 einen
Verdampfer für
Flüssigkeiten
mit quaderförmigem
Querschnitt und zweiteiliger Porosität des Metallfaserkörpers,
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4 einen
Verdampfer mit zwei parallel angeordneten Metallfaserkörpern.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform ist ein quaderförmiges Verdampferelement 1 vorgesehen,
das an den Stirnseiten 8, 9 geschlossen ist. An
der linken Stirnseite 8 ist ein Zuleitungsstutzen 3 und
an der rechten Stirnseite ein Ableitungsstutzen 7 eingesetzt.
Im Innern des Verdampferelements 1 ist ein Metallfaserkörper 2 mit
der umschließenden Wand 10 versintert
angeordnet. Zwischen der linken Stirnseite 8 und dem Metallfaserkörper 2 bleibt
ein freier Raum, der als Verteilungsraum 4 dient. Zum Metallfaserkörper 2 ist
der Verteilungsraum mit einer Lochplatte 5 abgetrennt.
Auf der anderen Seite ist zwischen dem Metallfaserkörper 2 und
der rechten Stirnseite 9 ein Dampfraum 6 vorgesehen.
Außen
an der Wand des Verdampferelements 1 befindet sich eine
nicht dargestellte Wärmequelle.
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Der
Verdampfer wird von außen
beheizt. Mit den Pfeilen und dem Q wird die Wärmezufuhr symbolisiert. Gleichzeitig
wird der Verdampfer über
dem Zuleitungsstutzen 3 mit der zu verdampfenden Flüssigkeit,
im Beispiel Wasser, mit einem geringen Überdruck dosiert, so dass sich
der Verteilungsraum 4 mit Wasser füllt. Sobald das Wasser mit
dem hinter der Lochplatte 5 befindlichen Metallfaserkörper 2 in
Berührung
kommt, saugt es dieser auf und verteilt es aufgrund seiner Kapillarkraft
gleichmäßig. Hier
verdampft das Wasser sukzessive durch die von außen zugeführte Wärme. Der Dampf sammelt sich
in den Dampfraum 6 und wird über den Ableitungsstutzen 7 abgeführt. Durch
den innigen Kontakt des Metallfaserkörpers 2 mit der Wand
des Verdampferelements 10 besteht ein guter Wärmeübergang
von der Wand 10 auf den Metallfaserkörper 2, was eine gleichmäßige Verdampfung
des Wassers im Metallfaserkörper 2 gewährleistet,
andererseits eine vorzeitige Verdampfung im Verteilungsraum verhindert.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführung weist das Verdampferlement 1 eine
zylindrische Wand 10 auf. Links ist eine kreisringförmige Stirnseite 11 angeordnet,
an dem sich ein zylindrischer Hohlkörper 12 befindet,
der in den Innenraum des Verdampferelements 1 hinein ragt.
Den rechten Abschluss des Verdampferelements 1 bildet eine
Stirnseite 9, an der sich der Ableitungsstutzen 7 befindet.
Ein Metallfaserkörper 2 ist
in den Ringspalt eingefügt,
der sich zwischen der Wand 10 und dem zylindrischen Hohlkörper 12 ergibt.
In der Nähe
der linken Stirnseite 11 ist an der Wand 10 ein
Zuleitungsstutzen 3 vorgesehen. Zwischen dem Metallfaserkörper 2 und
der linken Stirnseite 11 wurde wiederum ein Verteilungsraum 4 frei
gelassen, der gegen den Metallfaserkörper 2 mit eine Lochplatte 5 abschließt. Zwischen
dem Metallfaserkörper 2 und
der rechten Stirnseite 9 befindet sich ein Dampfraum 6. Über dem
Hohlkörper 12 kann
zusätzlich
Wärme zugeführt werden
entweder mittels einer Heizpatrone oder durch ein Wärmeträgermedium.
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Die
Zuführung
der Flüssigkeit
erfolgt wiederum über
den Rohrstutzen 3 in den Verteilungsraum 4, wo
sie nach Durchtritt durch die Lochplatte 5 vom Metallfaserkörper 2 aufgesaugt
wird. Die zugeführte Wärme sorgt
für die
Verdampfung. Der Dampf sammelt sich im Dampfraum 6 und
tritt durch den Ableitungsstutzen 7 aus.
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In 3 ist
eine Ausführungsform
eines Verdampfers dargestellt, bei dem die Porosität des Metallfaserkörpers abgestuft
ist. Hier ist wiederum ein quaderförmiges Verdampferelement 1 vorgesehen, das
an den Stirnseiten 8, 9 geschlossen ist. An der linken
Stirnseite 8 ist ein Zuleitungsstutzen 3 und an der
rechten Stirnseite ein Ableitungsstutzen 7 eingesetzt.
Im Innern des Verdampferelements 1 ist ein Metallfaserkörper mit
der umschließenden
Wand 10 versintert angeordnet, der aus einem feinporigen
Teil 2a und einem grobporigen Teil 2b besteht.
Zwischen der linken Stirnseite 8 und dem feinporigen Teil 2a des
Metallfaserkörpers
bleibt ein freier Raum, der als Verteilungsraum 4 dient.
Zum Metallfaserkörper
ist der Verteilungsraum 4 mit einer Lochplatte 5 abgetrennt.
Auf der anderen Seite ist zwischen dem Metallfaserkörper und
der rechten Stirnseite 9 ein Dampfraum 6 vorgesehen.
Außen
an der Wand des Verdampferelements 1 befindet sich eine
nicht dargestellte Wärmequelle.
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Die
Zuführung
der Flüssigkeit
erfolgt wieder über
den Rohrstutzen 3 in den Verteilungsraum 4, wo sie
nach Durchtritt durch die Lochplatte 5 vom feinporigen
Teil 2a des Metallfaserkörpers aufgesaugt wird. Hier
beginnt durch die zugeführte
Wärme die
Verdampfung, die sich im grobporigen Teil 2b des Metallfaserkörpers fortsetzt.
Der Dampf sammelt sich im Dampfraum 6 und tritt durch den
Ableitungsstutzen 7 aus. Dabei trägt die Vergrößerung der
Poren der Tatsache Rechnung, dass sich das Volumen des Dampfes gegenüber dem
Volumen des zugeführten
Wassers vergrößert. Dampfstöße werden
dadurch in besonderem Maße
verhindert und der Druckverlust der Apparatur minimiert.
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4 zeigt
einen Verdampfer mit zwei parallel angeordneten Metallfaserkörpern. Jeder
Metallfaserkörper 2 ist
von einer Wand 10 umschlossen, an der sich jeweils eine
nicht dargestellte Wärmezuführungseinrichtung
befindet. Die Zuführung
des Wassers erfolgt hier über
den Zuleitungsstutzen 3 und einen gemeinsamen Verteilungsraum 13.
Der entstandene Dampf wird über
einen gemeinsamen Dampfraum 14 gesammelt und über den
Ableitungsstutzen 7 nach außen geführt.
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- 1
- Beheizbares
Verdampferelement
- 2
- Metallfaserkörper
- 2a
- feinporiger
Teil des Metallfaserkörpers
- 2b
- grobporiger
Teil des Metallfaserkörpers
- 3
- Zuleitungsstutzen
- 4
- Verteilungsraum
- 5
- Lochplatte
- 6
- Dampfraum
- 7
- Ableitungsstutzen
- 8
- Linke
Stirnseite
- 9
- Rechte
Stirnseite
- 10
- umschließende Wand
- 11
- Kreisringförmige linke
Stirnseite
- 12
- Zylindrischer
Hohlkörper
- 13
- Gemeinsamer
Verteilungsraum
- 14
- Gemeinsamer
Dampfraum