DE10212872A1 - Verfahren zum einstellbaren Kühlen eines Betriebsmediumstroms in einem Wärmetauscher, entsprechender Wärmetauscher und entsprechendes Brennstoffzellensystem - Google Patents

Verfahren zum einstellbaren Kühlen eines Betriebsmediumstroms in einem Wärmetauscher, entsprechender Wärmetauscher und entsprechendes Brennstoffzellensystem

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Abstract

Das Verfahren dient zum einstellbaren Kühlen eines Betriebsmediumstroms (14) in einem Wärmetauscher (16) unter Einsatz eines Kühlmediumstroms (18) mit in Bezug auf den Betriebsmediumstrom (14) niedrigerer Temperatur. Hierbei ist vorgesehen, dass mindestens eine wenigstens teilweise zu verdampfende Kühlflüssigkeit (22, 24) in den Wärmetauscher (16) zugeführt wird unter Ausnutzung der Kühlflüssigkeits-Verdampfungsenthalpie zur einstellbaren Kühlung des Betriebsmediumstroms (14).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum einstellbaren Kühlen eines Betriebsmediumstroms in einem Wärmetauscher unter Einsatz eines Kühlmediumstroms mit in Bezug auf den Betriebsmediumstrom niedrigerer Temperatur, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen entsprechenden Wärmetauscher gemäß Oberbegriff des Anspruchs 10 und ein entsprechendes Brennstoffzellensystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 11.
  • Verfahren, Wärmetauscher und Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art sind bekannt. Dabei erfolgt die einstellbare Kühlung eines Betriebsmediumsstroms in bekannten Wärmetauschern auf mechanische und verhältnismäßig aufwendige Weise.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mittels welchem eine verhältnismäßig einfache und schnelle Temperatureinstellung eines Betriebsmediumstroms in einem Wärmetauscher möglich ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen entsprechenden Wärmetauscher sowie ein entsprechendes Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass mindestens eine, wenigstens teilweise zu verdampfende Kühlflüssigkeit in den Wärmetauscher zugeführt wird unter Ausnutzung der Kühlflüssigkeits-Verdampfungsenthalpie zur einstellbaren Kühlung des Betriebsmediumstroms. Hierdurch ist es möglich, eine verhältnismäßig einfache und schnelle Temperatureinstellung eines in einem Wärmetauscher zu kühlenden Betriebsmediumstroms in einem relativ weiten Einstellbereich durchzuführen. Dabei ist die Temperatureinstellung weitgehend vom Wärmetauscherbetriebsmodus (zum Beispiel Gleichstrom-, Gegenstrom- oder Kreuzstrombetriebsmodus) unabhängig. Der den Wärmetauscher durchsetzenden Betriebsmediumstrom kann somit auf zuverlässige Weise auf eine vorgebbare und praktisch konstant haltbare Betriebstemperatur gekühlt werden.
  • Mit Vorteil ist die Kühlflüssigkeit ein zusätzliches, zweites Kühlmedium. Dies ermöglicht eine besonders flexibel an die jeweiligen Betriebsbedingungen (einzustellendes Temperaturgefälle im Wärmetauscher) anpassbare Kühlung des Betriebsmediumstroms, wobei beim zusätzlichen Kühlmediumstrom (Kühlflüssigkeit) die im Wärmetauscher auftretende Kühlwirkung in Folge der verbrauchten Verdampfungsenthalpie unabhängig von der Kühlleistung des ersten Kühlmediumstroms im Wärmetauscher genutzt werden kann. Es werden somit im Wärmetauscher mehrere, voneinander unabhängig einstellbare Kühleffekte zur Gewährleistung einer betriebsangepassten Wärmetauscherkühlleistung genutzt.
  • Vorzugsweise werden der Betriebsmediumstrom und/oder der Kühlmediumstrom aus jeweils einem Gasmedium gebildet. Alternativ können der Betriebsmediumstrom und/oder der Kühlmediumstrom auch jeweils aus einem Flüssigkeitsmedium gebildet werden. Ein gasförmiger Kühlmediumsstrom eignet sich besonders als Trägermedium für eine wenigstens teilweise im Wärmetauscher zu verdampfende Kühlflüssigkeit unter Ausbildung eines Gas-Flüssigkeits-Gemischs. Bei einer Verdampfung der Kühlflüssigkeit aufgrund der dem Wärmetauscher entzogenen Verdampfungswärme (Verdampfungsenthalpie) kann sich das hierdurch aus der Kühlflüssigkeit entstehende Kühlgasmedium mit dem gasförmigen Kühlmediumstrom problemlos vermischen unter Ausbildung eines Gasgemischs.
  • Vorteilhafterweise ist die Kühlflüssigkeit Wasser und der Kühlmediumstrom Luft. In Abhängigkeit der erforderlichen Kühlleistungen des Wärmetauschers können auch andere Kühlstoffe zum Einsatz kommen, wobei mindestens ein Kühlstoff eine Flüssigkeit sein muss, welche im Wärmetauscher zur Verdampfung gebracht wird unter Ausnutzung der Verdampfungsenthalpie zur Kühlung des Betriebsmediumstroms im Wärmetauscher.
  • Entsprechend einer möglichen Ausführungsvariante werden eine Mehrzahl an hinsichtlich ihrer Verdampfungstemperatur unterschiedliche Kühlflüssigkeiten voneinander getrennt und/oder als Gemisch in den Wärmetauscher zugeführt. Dies ermöglicht eine flexibel anpassbare Nutzung der Verdampfungsenthalpie einer jeweiligen Kühlflüssigkeit (gegebenenfalls kombiniert) im Wärmetauscher.
  • Mit Vorteil sind die Zuführmenge und/oder die Zuführdauer der Kühlflüssigkeit veränderbar. Hierdurch wird eine beispielsweise kontinuierlich variabel einstellbare Kühlleistung des Wärmetauschers gewährleistet.
  • Vorzugsweise wird die Kühlflüssigkeit stromaufseitig des Wärmetauschers in den Kühlmediumstrom zugeführt. Ein Gemisch bestehend aus dem Kühlmediumstrom und einer Kühlflüssigkeit kann auf verhältnismäßig einfache Weise dem Wärmetauscher zugeführt werden zur anschließenden Nutzung der voneinander unabhängigen Kühleffekte durch das Gemisch im Wärmetauscher.
  • Vorzugsweise wird in Bezug auf den Wärmetauscher eine Betriebsmediumeintrittstemperatur und eine Betriebsmediumaustrittstemperatur ermittelt zur dynamischen Regelung der Wärmetauscherkühlleistung mittels geeigneter Einstellung der Kühlflüssigkeitszuführrate. Hierdurch wird eine schnelle und präzise Regelung des Betriebsmediumstroms auf eine vorgebbare und insbesondere konstante Betriebstemperatur ermöglicht.
  • Mit Vorteil werden die Kühlflüssigkeit und/oder der Kühlmediumstrom nach Austritt aus dem Wärmetauscher wenigstens teilweise als Betriebsmittel zur insbesondere komplementären Ausbildung des Betriebsmediumstroms genutzt. Der Betriebsmediumstrom kann sich somit teilweise oder vollständig aus der Kühlflüssigkeit und/oder aus dem Kühlmediumstrom zusammensetzen.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Wärmetauscher mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 11 vorgeschlagen. Mittels des Wärmetauschers beziehungsweise mittels des Brennstoffzellensystems lassen sich die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorerwähnten Vorteile erzielen. Dabei kann der Wärmetauscher mit einem einzigen Kühlleistungssystem oder auch mit einer Mehrzahl an voneinander getrennten Kühlleistungssystemen für unterschiedliche Kühlflüssigkeiten und/oder Kühlmediumströme enthalten. Ferner kann der Wärmetauscher derart ausgebildet sein, dass eine begünstigte Verdampfung der Kühlflüssigkeit an einer oder an mehreren Wärmeaustauschwandungen stattfinden kann.
  • Entsprechend einer möglichen Ausführungsform ist der Wärmetauscher mit einem Reformatgasstrom eines Reformers als Betriebsmediumstrom beaufschlagbar und sind der Kühlmediumstrom und/oder die Kühlflüssigkeit nach Austritt aus dem Wärmetauscher wenigstens teilweise in den Reformer zuführbar. Mittels eines derartigen Brennstoffzellensystems ist eine schnelle Temperatureinstellung beziehungsweise -regelung des einer Brennstoffzelleneinheit zuzuführenden Reformatgasstromes im Reformierungssystem möglich.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild eines teilweise dargestellten Brennstoffzellensystems mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher.
  • Die Figur zeigt ein allgemein mit 10 bezeichnetes Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wobei das Brennstoffzellensystem 10 lediglich teilweise dargestellt ist. Das Brennstoffzellensystem 10 enthält einen Reformer 12 (Reaktor), der mit einem Brennstoffzellenbetriebsstoff insbesondere in Form eines Gasgemischs (Pfeil 36) beaufschlagt wird zur Erzeugung eines insbesondere wasserstoffreichen Reformatgases (Pfeil 14), das als zu kühlender Betriebsmediumstrom einem Wärmetauscher 16 zugeführt wird. Der Betriebsmediumstrom (Pfeil 14) wird nach dessen Kühlung im Wärmetauscher 16 auf eine insbesondere vorgebbare und konstante Betriebsmediumaustrittstemperatur gemäß Pfeil 28 in sich bekannter Weise einer nicht in der Figur dargestellten Brennstoffzelleneinheit zugeführt.
  • Die Kühlung des Betriebsmediumstroms (Pfeil 14) im Wärmetauscher 16 erfolgt unter anderem mittels eines in Bezug auf den Betriebsmediumstrom (Pfeil 14) kühleren Kühlmediumstroms (Pfeil 18), der einer Verbindungsstelle 20 zugeführt wird. Dem Kühlmediumstrom (Pfeil 18) wird in der Verbindungsstelle 20 eine Kühlflüssigkeit gemäß Pfeil 22 und gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Kühlflüssigkeiten entsprechend Pfeil 24 zugeführt. Das sich an der Verbindungsstelle 20 bildende Kühlgemisch wird gemäß Pfeil 26 zum Wärmetauscher 16 geleitet, in welchem eine Kühlung des Betriebsmediumstroms (Pfeil 14) beispielsweise anhand eines Gleichstrom-, eines Gegenstrom- und/oder eines Kreuzstromprinzips erfolgen kann. Da der Kühlmediumstrom (Pfeil 18) eine niedrigere Temperatur aufweist als der den Wärmetauscher 16 durchsetzende Betriebsmediumstrom (Pfeil 14), wird aufgrund des sich hierdurch einstellenden Temperaturgefälles im Wärmetauscher 16 bereits eine Kühlwirkung auf den Betriebsmediumstrom erzielt. Jedoch reicht diese Kühlwirkung nicht in allen Betriebsfällen aus, um den Betriebsmediumstrom (Pfeil 14) auf eine erwünschte Betriebstemperatur zu kühlen. Deshalb wird zur Kühlung des Betriebsmediumstroms (Pfeil 14) im Wärmetauscher 16 die im Kühlgemisch (Pfeil 26) enthaltene Kühlflüssigkeit (Pfeil 22 und gegebenenfalls Pfeil 24) wenigstens teilweise verdampft unter zusätzlicher Ausnutzung der Kühlflüssigkeits-Verdampfungsenthalpie: Dies ermöglicht mittels variabler Vorgabe der Kühlflüssigkeitszuführrate eine verhältnismäßig einfach einstellbare Kühlung des Betriebsmediumstroms (Pfeil 14) im Wärmetauscher 16.
  • Der Betriebsmediumstrom (Pfeil 14) und der Kühlmediumstrom (Pfeil 18) sind vorzugsweise ein Gasmedium, wobei der Kühlmediumstrom (Pfeil 18) vorzugsweise durch Luft gebildet wird. Als Kühlflüssigkeit (Pfeil 22 oder Pfeil 24) kann beispielsweise Wasser herangezogen werden. Bei Einsatz einer Mehrzahl an Kühlflüssigkeiten (Pfeile 22, 24) unterscheiden sich selbige hinsichtlich ihrer jeweiligen Verdampfungstemperatur voneinander. Das den Wärmetauscher 16 durchsetzende und zu kühlende Medium (Pfeil 14) und das denselben Wärmetauscher 16 durchsetzende Kühlmedium (Pfeil 26) sind voneinander derart getrennt, dass kein Massenaustausch zwischen ihnen stattfinden kann, sondern lediglich ein erwünschter Wärmeaustausch. Die hierzu genutzte zusätzliche Verdampfung der Kühlflüssigkeit (Pfeil 26) im Wärmetauscher 16 kann beispielsweise an geeignet ausgebildeten Wärmeaustauschplatten im Wärmetauscher 16 erfolgen. Die dabei erzeugte Verdampfungskälte kühlt die Wärmeaustauschplatten und den mit selbigen gleichzeitig in Wirkkontakt stehenden, zu kühlenden Betriebsmediumstrom (Pfeil 14) aufgrund der verhältnismäßig guten Wärmeleitungseigenschaften derselben Wärmeaustauschplatten.
  • Aufgrund der einstellbaren Zuführmenge an zu verdampfender Kühlflüssigkeit wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad geschaffen, mittels welchem eine Regelbarkeit der Kühlleistung des Wärmetauschers 16 bei ansonsten konstanten Betriebsbedingungen möglich ist. Zur Einstellung beziehungsweise Regelung des Wärmetauschers 16 ist eine insbesondere zentrale Steuer- oder Regelungseinheit 38 vorgesehen, welche mit dem Wärmetauscher 16 in operativer Wirkverbindung steht (Pfeile 40, 42) sowie gleichzeitig mit weiteren Funktionseinheiten des Brennstoffzellensystems 10 beziehungsweise des Kraftfahrzeugs verbunden sein kann (Doppelpfeil 44). Zur Durchführung einer dynamischen Regelung der Wärmetauscherkühlleistung mittels geeigneter Einstellung der Kühlflüssigkeitszuführrate (Pfeile 22, 24) werden in Bezug auf den Wärmetauscher 16 kontinuierlich oder in insbesondere vorgebbaren Zeitintervallen eine jeweilige Betriebsmediumeintrittstemperatur und eine jeweilige Betriebsmediumaustrittstemperatur ermittelt und die entsprechenden Daten an die Steuer- oder Regelungseinheit 38 übermittelt (Pfeil 42). Nach Auswertung dieser Daten kann mittels der Steuer- oder Regelungseinheit 38 eine geeignete Einstellung der Kühlflüssigkeitszuführrate (Pfeile 22, 24) in den Kühlmediumstrom (Pfeil 18) erfolgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird das Kühlmedium (Pfeil 26) durch den Wärmetauscher 16 geführt und anschließend gemäß Pfeil 30 in eine Mischkammer 32 des Brennstoffzellensystems 10 geleitet. In der Mischkammer 32 erfolgt eine Mischung des zuvor im Wärmetauscher 16 erwärmten Kühlmediums (Pfeil 30) mit einem zusätzlich in die Mischkammer 32 zugeführten Betriebsmittelstroms (Pfeil 34) unter Ausbildung des Betriebsmittelstroms (Edukt des Reformers 12) gemäß Pfeil 36.
  • Aufgrund der im Wärmetauscher 16 zusätzlich stattfindenden Verdampfung der Kühlflüssigkeit (Pfeile 22, 24) ist in Bezug auf den möglichen Regelbereich und der einstellbaren Regelgeschwindigkeit eine flexiblere und effektivere Temperaturregelung des Betriebsmediumstroms (Pfeil 14) möglich. Ein derart regelbarer Wärmetauscher 16 ist insbesondere für die Reformierung von Kohlenwasserstoffen zur Erzielung eines wasserstoffhaltigen Gases (Reformatgas) von Vorteil, da bei der Reformierung eine Temperaturkontrolle und -regelung des Reformatgases notwendig ist. Dabei ist eine schnelle und in weiten Bereichen regelbare Temperatureinstellung des Reformatgases gerade bei Kraftfahrzeugen mit Brennstoffzellensystemen, das heißt im mobilen Einsatz, von Bedeutung. Aufgrund einer verhältnismäßig schnellen Angleichung der aus dem Betriebsmediumstrom abzuführenden Wärme im Wärmetauscher 16 ist es möglich, den gekühlten Betriebsmediumstrom (gekühltes Produktgas) auch bei unterschiedlichen Betriebsweisen des Reformers 12 auf eine konstante Betriebstemperatur zu regeln. Dies wird durch die Verdampfungsenthalpie und durch den Phasenübergang der Kühlflüssigkeit im Wärmetauscher 16 unter Ausbildung eines verhältnismäßig guten Wärmeübergangskoeffizienten erreicht, wobei der Wärmeübergangskoeffizient durch den α-Wert des zu kühlenden Betriebsmediums limitiert ist.
  • Neben der wirkungsvollen Kühlung des Betriebsmediumstroms im Wärmetauscher 16 erreicht man mittels einer variablen Zudosierung der Kühlflüssigkeit in den Kühlmediumstrom eine unabhängige, zusätzliche Regelungsgröße. Dies ermöglicht mittels Variation der zugeführten Kühlflüssigkeitsmengen eine besonders effektive und schnelle Regelung der Kühlleistung des Wärmetauschers 16. Hierdurch können schnelle Temperaturänderungen des Betriebsmediumstroms (Pfeil 14) abgepuffert beziehungsweise am Betriebsmediumaustritt (Pfeil 28) des Wärmetauschers 16 bewusst herbeigeführt werden. Vorteilhafterweise kann die Kühlleistungsregelung des Wärmetauschers 16 unabhängig von der Betriebsweise des Reformers 12 insbesondere in Bezug auf den Reformatgasvolumenstrom und die Reformatgaszusammensetzung erfolgen.
  • Vorzugsweise wird der Wärmetauscher 16 derart ausgelegt, dass der Kühlmediumstrom (Pfeil 18) ohne Zuführung einer Kühlflüssigkeit (Pfeile 22, 24) die Einstellung einer Betriebsmediumaustrittstemperatur (Pfeil 28) erlaubt, welche oberhalb einer vorgebbaren Solltemperatur des gekühlten Betriebsmediumstroms (Pfeil 28) liegt. Durch Hinzufügen von insbesondere Wasser (Kühlflüssigkeit gemäß Pfeil 22 und/oder Pfeil 24) in den Kühlmediumstrom (Pfeil 18), welches im Wärmetauscher 16 weitgehend oder gänzlich verdampft, kann die vorgegebene Solltemperatur des gekühlten Betriebsmediumstroms (Pfeil 28) erreicht werden. Für den Fall, dass aufgrund einer variablen Betriebsweise des Reformers 12 beispielsweise in Form einer Änderung des Betriebsmediumstroms (Pfeil 14) die aus dem Betriebsmediumstrom abzuführende Wärmemenge im Wärmetauscher 16 schwankt, kann mittels Einstellung beziehungsweise Regelung der Kühlflüssigkeitszuführrate (Wassermenge) die vorgegebene Solltemperatur des gekühlten Betriebsmediumstroms (Pfeil 28) erzielt werden, ohne dass der Kühlmediumstrom (Pfeil 18) verändert werden muss. Es handelt sich somit bei dem Kühlmediumstrom (Pfeil 18) um einen regelungsunabhängigen Trägerstrom, insbesondere Trägergasstrom. Aufgrund der zusätzlich im Wärmetauscher 16 stattfindenden Verdampfung der Kühlflüssigkeit ergibt sich ein besonders guter Wärmeübergangskoeffizient, der eine kompakte Bauweise des Wärmetauschers 16 ermöglicht.

Claims (12)

1. Verfahren zum einstellbaren Kühlen eines Betriebsmediumstroms in einem Wärmetauscher unter Einsatz eines Kühlmediumstroms mit in Bezug auf den Betriebsmediumstrom niedrigerer Temperatur, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, wenigstens teilweise zu verdampfende Kühlflüssigkeit (22, 24) in den Wärmetauscher (16) zugeführt wird unter Ausnutzung der Kühlflüssigkeits-Verdampfungsenthalpie zur einstellbaren Kühlung des Betriebsmediumstroms (14).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (22; 24) ein zusätzliches, zweites Kühlmedium ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Betriebsmediumstrom (14) und/oder der Kühlmediumstrom (18) aus jeweils einem Gasmedium gebildet werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (22; 24) Wasser und der Kühlmediumstrom (18) Luft ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an hinsichtlich ihrer Verdampfungstemperatur unterschiedliche Kühlflüssigkeiten (22; 24) voneinander getrennt und/oder als Gemisch (26) in den Wärmetauscher (16) zugeführt werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführmenge und/oder die Zuführdauer der Kühlflüssigkeit (22; 24) veränderbar sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (22; 24) stromaufseitig des Wärmetauschers (16) in den Kühlmediumsstrom (18) zugeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf den Wärmetauscher (16) eine Betriebsmediumeintrittstemperatur und eine Betriebsmediumaustrittstemperatur ermittelt wird zur dynamischen Regelung der Wärmetauscherkühlleistung mittels geeigneter Einstellung der Kühlflüssigkeitszuführrate.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlflüssigkeit (22; 24) und/oder der Kühlmediumstrom (18) nach Austritt aus dem Wärmetauscher (16) wenigstens teilweise als Betriebsmittel zur insbesondere komplementären Ausbildung des Betriebsmediumstroms (36) genutzt werden.
10. Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
11. Brennstoffzellensystem mit einem Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (16) mit einem Reformatgasstrom eines Reformers (12) als Betriebsmediumstrom (14) beaufschlagbar ist und der Kühlmediumstrom (18) und/oder die Kühlflüssigkeit (22, 24) nach Austritt aus dem Wärmetauscher (16) wenigstens teilweise in den Reformer (12) zuführbar sind.
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