DE102017001565A1

DE102017001565A1 - Verdampfer

Info

Publication number: DE102017001565A1
Application number: DE102017001565.1A
Authority: DE
Inventors: David Tiemann; Karl-Peter SCHELHAAS
Original assignee: Diehl Aerospace GmbH
Current assignee: Diehl Aerospace GmbH
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2037-02-21
Also published as: BR102018003030B1; FR3063020B1; US10717064B2; CA2994782A1; CN108452543A; BR102018003030A2; CN108452543B; FR3063020A1; DE102017001565B4; US20180236430A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer, umfassend einen von einem Verdampfergehäuse (5) umgebenden Verdampferkörper (3), wobei das Verdampfergehäuse (5) mit einer Zuführleitung (1) zum Zuführen einer Flüssigkeit in das Verdampfergehäuse (5) und einem Ausgang (6) zum Ausgeben eines erzeugten Dampfs versehen ist,
wobei der Verdampferkörper (3) eine Vielzahl von Platten (7) umfasst, welche flächig übereinander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Platten (7) jeweils ein Hohlraum (8) gebildet ist, wobei jeder der Hohlräume (8) in Fluidverbindung mit dem Ausgang steht,
wobei zwischen die Zuführleitung (1) und den Verdampferkörper (3) ein Flüssigkeitsverteiler zwischengeschaltet ist, wobei der Flüssigkeitsverteiler sich von der Zuführleitung (1) aus in Richtung des Verdampferkörpers (3) in zumindest zwei Verteilerleitungen (VR) verzweigt, und
wobei jede Verteilerleitung (VR) mit zumindest einem Hohlraum (8) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verdampfer mit einem Flüssigkeitsverteiler.
Ein Verdampfer mit einem Flüssigkeitsverteiler ist beispielsweise aus G. Kolb et al. Green Process Synth., 2014, 3: 81-84 bekannt. Der bekannte Flüssigkeitsverteiler ist für einen Verdampfer ausgelegt, wobei der Verdampfer eine Vielzahl von Platten umfasst, welche flächig übereinander angeordnet sind, wobei jeweils zwischen benachbarten Platten ein Hohlraum gebildet ist. Der bekannte Verteiler umfasst eine Zuführleitung zum Zuführen einer Flüssigkeit, eine mit der Zuführleitung fluidverbundene Kavität, wobei die Kavität mit einer Vielzahl der Hohlräume verbunden ist.
Ein weiterer Verdampfer mit einem Flüssigkeitsverteiler ist aus M. O'Connel et al., 4^th World Hydrogen Technologies Convention, 2011, Glasgow, U.K. bekannt. Der bekannte Verdampfer wird insbesondere zur Verdampfung von Kraftstoffen wie Methanol, Ethanol, LPG oder Diesel verwendet. Dabei wird durch die Zuführleitung der Kraftstoff zugeführt. Am Ende der Zuführleitung ist eine Kavität ausgebildet. Diese Kavität hat einen größeren Querschnitt als die Zuführleitung, um die Flüssigkeit auf alle Platten des Verdampfers zu verteilen. Die einzelnen Platten des Verteilers weisen eine Mikrostrukturierung z. B. in Form von Rillen auf.
Nachteil der bekannten Flüssigkeitsverteiler ist es, dass die einzelnen Platten ungleichmäßig mit der Flüssigkeit, insbesondere dem Kraftstoff, beladen werden. Infolge dessen kann die Kapazität des Verdampfers nicht vollständig genutzt werden. Insbesondere wird ein zu geringer Anteil der Flüssigkeit in die Dampfphase überführt. Die ungleichmäßige Beladung verursacht eine ungleichmäßige Verdampfung und führt zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung im Verdampfer. Eine Regulierung der Temperatur im Verdampfer ist somit erschwert, so dass eine Austrittstemperatur des Gases aus dem Verdampfer insbesondere zu hoch ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile nach dem Stand der Technik zu beseitigen. Insbesondere soll eine Verteilerstruktur angegeben werden, welche einen gleichmäßigen Flüssigkeitsdruck über die Höhe eines Verdampfers ermöglicht.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 11.
Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Verdampfer, umfassend einen von einem Verdampfergehäuse umgebenden Verdampferkörper vorgeschlagen, wobei das Verdampfergehäuse mit einer Zuführleitung zum Zuführen einer Flüssigkeit in das Verdampfergehäuse und einem Ausgang zum Ausgeben eines erzeugten Dampfs versehen ist. Der Verdampferkörper umfasst eine Vielzahl von Platten, welche flächig übereinander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Platten jeweils zumindest ein Hohlraum gebildet ist, wobei jeder der Hohlräume in Fluidverbindung mit dem Ausgang steht. Zwischen die Zuführleitung und den Verdampferkörper ist ein Flüssigkeitsverteiler zwischengeschaltet, wobei der Flüssigkeitsverteiler sich von der Zuführleitung aus in Richtung des Verdampferkörpers in zumindest zwei Verteilerleitungen verzweigt, und wobei jede Verteilerleitung mit zumindest einem Hohlraum verbunden ist.
Durch die Abkehr von einer einzigen, großvolumigen Kavität kann durch die Verwendung des vorgeschlagenen Flüssigkeitsverteilers die Flüssigkeit nun gezielt Teilbereichen des Verdampferkörpers zugeführt werden. Insbesondere kann die Flüssigkeit z. B. einem oberen Teil der Platten und zu einem unteren Teil der Platten gezielt zugeführt werden. Der Verdampfer mit den parallel übereinander angeordneten Platten kann in horizontaler als auch davon abweichender Ausrichtung z. B. geneigt oder gar senkrecht betrieben werden. Allgemeiner kann der Verdampfer in beliebiger Ausrichtung zur Schwerkraft oder der Kraftsumme betrieben werden.
Zweckmäßigerweise entspricht eine Querschnittfläche der Zuführleitung im Wesentlichen der Summe der Querschnittflächen der Verteilerleitungen. Dadurch werden Änderungen der Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit reduziert.
Ein Druckverlust zwischen einem dem Verdampferkörper zugewandten Ende der Zuführleitung und einem dem einen Verdampferkörper zugewandten Ende jeder Verteilerleitung ist vorteilhafterweise im Wesentlichen gleich. Dadurch kann die Flüssigkeit aus jeder Verteilerleitung dem/den Hohlräume(n) mit einem im Wesentlichen gleichen Druck zugeführt werden. Eine gleichmäßigere Beladung des Verdampferkörpers kann folglich erzielt werden.
Ein gleicher Druckverlust innerhalb der Verteilerleitungen wird durch ein gleiches Volumen der jeweiligen Zuleitung erreicht. Zweckmäßigerweise weisen die Verteilerleitungen eine im Wesentlichen gleiche Länge und einen gleichen Querschnitt auf. Durch einen gleichen Druckverlust wird die Flüssigkeit mit einer im Wesentlichen gleichen Geschwindigkeit den Hohlräumen im Verdampferkörper zugeführt.
Vorteilhafterweise ist zwischen der Zuführleitung und den Verteilerleitungen eine Vorverteilerstruktur eingeschaltet, in welcher sich die Zuführleitung baumartig in eine Vielzahl von Zuführendleitungen verzweigt, wobei jede der Zuführendleitungen sich in zumindest zwei Verteilerleitungen verzweigt. Ein mehrmaliges Verzweigen der Zuführleitungen ist insbesondere bei sehr großen Verdampfern vorteilhaft, so dass bei jeder Verzweigung eine gleichmäßige Flüssigkeitsverteilung gewährleistet wird.
In einer weiteren Ausgestaltung mündet jede Verteilerleitung in eine Kavität, wobei die Kavität mit einer Vielzahl der Hohlräume verbunden ist. Die Kavität hat einen größeren Querschnitt als die damit verbundene Verteilerleitung. Zweckmäßigerweise gibt es n Kavitäten, wobei n eine natürliche Zahl ist, wobei jede der Kavitäten mit jeweils etwa 1/n der Gesamtanzahl der Hohlräume verbunden ist. Wenn zum Beispiel n=4, ist jede Kavität mit ¼ der Hohlräume verbunden.
In einer weiteren Ausgestaltung erstrecken sich die Verteilerleitungen in einer zur Zuführleitung senkrechten Ebene und münden senkrecht zur Erstreckungsrichtung in die Kavitäten. Die Erstreckung der Verteilerleitungen in einer senkrechten Ebene ermöglicht es, die Länge der jeweils zu den Kavitäten führenden Verteilerleitungen so anzupassen, dass darin jeweils der gleiche Druckverlust auftritt. Darüber hinaus kann durch die Ausgestaltung die Größe des Flüssigkeitsverteilers reduziert werden.
Die Platten können mit Strömungsleitelementen versehen sein. Solche Strömungsleitelemente können durch z. B. durch Mikrostrukturierung der Oberfläche in die Platten eingebrachte Muster sein. Zur Herstellung der Mikrostrukturierung können bekannte additive oder subtraktive Verfahren, wie Abscheiden oder Ätzen, aber auch Umformverfahren, wie Prägen oder Walzen, verwendet werden. Zweckmäßigerweise weisen alle Platten identische Mikrostrukturierungen auf. Es kann sich dabei um Kanäle, Fischgrätmuster u. ä. handeln. Die Mikrostrukturierung der Platten kann auf einer oder auf beiden Seiten einer Platte eingebracht sein.
In einer weiteren Ausgestaltung sind in den Platten Kanäle in einstückiger Ausbildung gebildet, wobei benachbarte Platten in Bereichen zwischen den Kanälen unmittelbar aneinander stoßen, so dass zwischen zwei benachbarten Platten eine Vielzahl von Hohlräumen gebildet sind, welche mit der Zuführleitung und dem Ausgang fluidverbunden sind. Durch das Vorsehen der Kanäle wird eine Kontaktfläche zwischen der Flüssigkeit und den Platten vergrößert. Dadurch kann die Flüssigkeit bzw. der erzeugte Dampf schnell und mit geringen Abweichungen auf eine erwünschte Temperatur gebracht und gehalten werden. Die Kanäle können insbesondere parallele Kanäle sein, welche sich entlang der Platten erstrecken.
Zweckmäßigerweise ist zwischen den Kavitäten und den Hohlräumen ein Blendenblech angeordnet. Ein solches Blendenblech dient zusätzlich der gleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung. Das Blendenblech weist insbesondere Öffnungen auf, die auf die Hohlräume, insbesondere Kanäle, zwischen den Platten angepasst sind.
In einem Anwendungsbeispiel wird der Flüssigkeitsverteiler für die Verdampfung eines Propylenglykol-Wasser-Gemisches für mikrostrukturierte Reformer in einem Brennstoffzellensystem genutzt. Zur Erzeugung von Wasserstoff aus einem Propylenglykol-Wasser-Gemisch muss das Propylenglykol zunächst in die Dampfphase überführt werden. Zur Erhöhung der Effizienz des Brennstoffzellensystems ist es zweckmäßig, dass das gesamte Propylenglykol-Wasser-Gemisch in die Dampfphase überführt und in dem nachfolgenden Reaktor mit einer vorgesehenen Temperatur bereitgestellt wird. Das Propylenglykol-Wasser-Gemisch wird über die Zuführleitung zugeführt. Im erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverteiler wird das Propylenglykol-Wasser-Gemisch auf die verschiedenen Verteilerleitungen verteilt, so dass das Propylenglykol-Wasser-Gemisch jeder Kavität mit gleichem Druck zugeführt wird. Jede der Kavitäten verteilt das Propylenglykol-Wasser-Gemisch weiter auf die damit verbundenen Hohlräume im Verdampferkörper. Zweckmäßigerweise handelt es sich dabei um einen Plattenverdampfer mit mikrostrukturierten Platten, so dass die Flüssigkeit einer Vielzahl von weiteren Leitungen oder Rillen auf jeder der Platten mit einem gleichbleibenden Druck zugeführt wird. Die Platten sind insbesondere alle gleich strukturiert und haben gleiche Abstände zueinander. Dadurch werden alle Hohlräume gleichmäßig mit dem Propylenglykol-Wasser-Gemisch beladen und ermöglichen eine gleichmäßige Verdampfung des Propylenglykol-Wasser-Gemischs. Es bildet sich im Wesentlichen eine ebene Verdampfungsfront aus. In dieser Weise ist es verhältnismäßig einfach, die Temperatur des Verdampfers und somit die Temperatur des in die Gasphase überführten Propylenglykol-Wasser-Gemischs zu regulieren. Das so erzeugte Gas kann in den nachfolgenden Reaktor eingeleitet werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Abbildungen veranschaulicht. Es zeigen:

1 einen Großraumflüssigkeitsverteiler mit einen Plattenverdampfer nach dem Stand der Technik,
2 einen Flüssigkeitsverteiler für einen Verdampfer gemäß der Erfindung,
3 eine Explosionsansicht eines Flüssigkeitsverteilers,
4a einen Querschnitt durch Platten im Verdampferkörper und
4b eine weitere Ausgestaltung eines Querschnitt durch Platten im Verdampferkörper.

1 zeigt einen großvolumigen Flüssigkeitsverteiler F für einen Plattenverdampfer mit einem Verdampfungsgehäuse 5 und einem Ausgang 6 nach dem Stand der Technik. Die Zuführleitung 1 weitet sich in die großvolumige Kavität 2 als Flüssigkeitsverteiler F auf. Die großvolumige Kavität 2 ist mit dem Verdampferkörper 3 verbunden, der eine Vielzahl von flächig übereinander angeordneten Platten 7 aufweist. Jede der Platten 7 hat typischerweise eine Mikrostruktur, z. B. in Form von Kanälen, welche sich von der großvolumigen Kavität 2 zu einem Ausgang des Verdampfers erstrecken. Zum Betrieb des Verdampfers nach dem Stand der Technik, ist es notwendig, dass die großvolumige Kavität 2 vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, um ein Leerlaufen einzelner Hohlräume 8 im Verdampfer zu unterbinden. Mit dem bekannten Verteiler ist es nicht möglich, einen Flüssigkeitsdruck im einzelnen Übergang zwischen der Kavität und den Hohlräumen zu regulieren.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverteiler. Die Flüssigkeit wird über die Zuführleitung 1 eingeleitet. Die Zuführleitung 1 teilt sich in diesem Ausführungsbeispiel auf vier Verteilerleitungen auf. Die Verteilerleitungen sind mit VR1 für erste Verteilerleitung bis VR4 für vierte Verteilerleitung bezeichnet. Jede der Verteilerleitungen VR1 bis VR4 ist jeweils mit einer Kavität VK1 bis VK4 verbunden. Die Kavitäten VK1 bis VK4 sind übereinander angeordnet, so dass jede der Kavitäten VK1 bis VK4 jeweils mit einem Teil der Hohlräume 8 zwischen den Platten 7 des Verdampferkörpers 3 verbunden ist. Zweckmäßigerweise weist eine Zuleitung, welche z. B. aus der Zuführleitung 1, der ersten Verteilerleitung VR1 und der ersten Kavität VK1 besteht, einen gleichen Druckverlust auf. Ein gleicher Druckverlust wird durch im Wesentlichen gleiche Längen und Querschnitte der Verteilerleitungen VR1 bis VR4 sowie durch ein gleiches Volumen der Kavitäten VK1 bis VK4 erzielt. Das Einfügen des Blendenblechs B1 zwischen den Kavitäten VK1 bis VK4 und dem Verdampferkörper 3 dient dazu, den Querschnitt der Kavitäten VK auf die Eingänge der Hohlräume 8 zwischen den Platten 7, insbesondere der Kanäle K, anzupassen. Zwischen die Verteilerleitungen VR und den Kavitäten VK können noch Zuführendleitungen eingeschaltet sein (nicht gezeigt).
3 zeigt eine Explosionsansicht eines Flüssigkeitsverteilers. Die Zuführleitung 1 teilt sich in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel in vier Verteilerleitungen VR auf. Die erste VR1 und vierte Verteilerleitung VR4 führen jeweils zu den außenliegenden ersten VK1 und vierten Kavität VK4. Die zweite VR2 und dritte Verteilerleitung VR3 erstrecken sich in der gleichen Ebene. Die zweite VR2 und dritte Verteilerleitung VR3 sind jedoch so ausgestaltet, dass sie zu der innenliegenden zweiten VK2 und dritten Kavität VK3 führen. Durch die gebogene Ausführungsform der zweiten VR2 und dritten Verteilerleitung VR3 kann eine gleiche Länge mit der ersten VR1 und vierten Verteilerleitung VR4 erzielt werden. Jede der Verteilerleitungen VR1 bis VR4 mündet senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Verteilerleitungen VR1 bis VR4 in die Kavitäten VK1 bis VK4. Die Kavitäten VK1 bis VK4 weisen eine gleiche Form und Größe auf. Über jede der Kavitäten VK1 bis VK4 ist ein Blendenblech B1 angeordnet, welches für jede Kavität VK1 bis VK4 einen rechteckigen Durchbruch aufweist.
Ein solcher Flüssigkeitsverteiler wird so angeordnet, dass z. B. die erste Kavität VK1 mit einem ersten unteren Teil der Platten 7 und der dazwischen befindlichen Hohlräume 8 verbunden ist. Eine zweite Kavität VK2 ist mit dem nächstfolgenden Plattenstapelbereich, eine dritte Kavität VK3 mit dem nachfolgenden darüber liegenden Plattenstapelbereich und schließlich die vierte Kavität VK4 mit dem obersten Plattenstapelbereich des Verdampferkörpers 3 verbunden. Auch wenn in diesem Ausführungsbeispiel die Aufteilung in vier Kavitäten VK1 bis VK4 gezeigt ist, ist eine geringere oder größere Anzahl von Kavitäten VK und den dazugehörigen Zuleitungen und ggf. dazwischengeschalteten Zuführendleitungen je nach Höhe des Verdampfers und der damit verbundenen Anzahl an Platten 7 möglich.
4a zeigt einen Querschnitt durch die Platten 7 im Verdampferkörper. Gezeigt ist ein Ausschnitt aus zwei Platten 7. Die Platten 7 weisen eine Mikrostrukturierung in Form von Rillen auf. Diese Rillen können wie im gezeigten Fall auf Ober- und Unterseite der Platten eingebracht sein und Kanäle K bilden. Die erhabenen Bereiche der Platten 7 stoßen so aufeinander, dass die Hohlräume 8 durch die Rillen gebildet werden. Auch wenn in diesem Querschnitt exemplarisch nur zwei Platten 7 gezeigt sind, sind in einem Verdampferkörper eine Vielzahl gleich-strukturierter Platten 7 angeordnet. 4b zeigt eine alternative Ausgestaltung, in der nur eine Seite der Platten 7 eine Mikrostrukturierung in Form von Rillen aufweist und Kanäle K bildet.
Bezugszeichenliste

1: Zuführleitung
2: großvolumige Kavität
3: Verdampferkörper
5: Verdampfergehäuse
6: Ausgang
7: Platte
8: Hohlraum
B1: Blendenblech
F: Flüssigkeitsverteiler
K: Kanal
VK: Kavität
VK1: erste Kavität
VK2: zweite Kavität
VK3: dritte Kavität
VK4: vierte Kavität
VR: Verteilerleitung
VR1: erste Verteilerleitung
VR2: zweite Verteilerleitung
VR3: dritte Verteilerleitung
VR4: vierte Verteilerleitung

Claims

Verdampfer, umfassend einen von einem Verdampfergehäuse (5) umgebenden Verdampferkörper (3), wobei das Verdampfergehäuse (5) mit einer Zuführleitung (1) zum Zuführen einer Flüssigkeit in das Verdampfergehäuse (5) und einem Ausgang (6) zum Ausgeben eines erzeugten Dampfs versehen ist, wobei der Verdampferkörper (3) eine Vielzahl von Platten (7) umfasst, welche flächig übereinander angeordnet sind, wobei zwischen benachbarten Platten (7) jeweils zumindest ein Hohlraum (8) gebildet ist, wobei jeder der Hohlräume (8) in Fluidverbindung mit dem Ausgang steht, wobei zwischen die Zuführleitung (1) und den Verdampferkörper (3) ein Flüssigkeitsverteiler zwischengeschaltet ist, wobei der Flüssigkeitsverteiler sich von der Zuführleitung (1) aus in Richtung des Verdampferkörpers (3) in zumindest zwei Verteilerleitungen (VR) verzweigt, und wobei jede Verteilerleitung (VR) mit zumindest einem Hohlraum (8) verbunden ist.
Verdampfer nach Anspruch 1, wobei eine Querschnittfläche der Zuführleitung (1) im Wesentlichen der Summe der Querschnittflächen der Verteilerleitungen (VR) entspricht.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Druckverlust zwischen einem dem Verdampferkörper (3) zugewandten Ende der Zuführleitung (1) und einem dem einen Verdampferkörper (3) zugewandten Ende jeder Verteilerleitung (VR) im Wesentlichen gleich ist.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verteilerleitungen (VR) eine im Wesentlichen gleiche Länge und einen gleichen Querschnitt aufweisen.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der Zuführleitung (1) und den Verteilerleitungen (VR) eine Vorverteilerstruktur eingeschaltet ist, in welcher sich die Zuführleitung (1) baumartig in eine Vielzahl von Zuführendleitungen aufspaltet, wobei jede der Zuführendleitungen sich in zumindest zwei Verteilerleitungen (VR) aufteilt.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Verteilerleitung (VR) in eine Kavität (VK) mündet, wobei die Kavität (VK) mit einer Vielzahl der Hohlräume (8) verbunden ist.
Verdampfer nach Anspruch 6, wobei sich die Verteilerleitungen (VR) in einer zur Zuführleitung (1) senkrechten Ebene erstrecken und senkrecht zur Erstreckungsrichtung in die Kavitäten (VK) münden.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Platten (7) mit Strömungsleitelementen versehen sind.
Verdampfer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf den Platten (7) Kanäle (K) in einstückiger Ausbildung gebildet sind, wobei benachbarte Platten (7) in Bereichen zwischen den Kanälen (K) unmittelbar aneinander stoßen, so dass zwischen zwei benachbarten Platten (7) eine Vielzahl von Hohlräumen (8) gebildet sind, welche mit der Zuführleitung (1) und dem Ausgang (A) fluidverbunden sind.
Verdampfer nach Anspruch 9, wobei die Kanäle (K) parallel verlaufen.
Verdampfer nach einem der Ansprüche 6 oder 7 und 9 oder 10, wobei zwischen den Kavitäten (VK) und den Kanälen (K) ein Blendenblech (B1) angeordnet ist.