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Die Erfindung bezieht sich auf einen Verdampfer. Er dient
dazu, ein flüssig zugeführtes Medium zu verdampfen und bei
Bedarf zu überhitzen. Das verdampfte und gegebenenfalls
überhitzte Medium kann dann einem gewünschten Einsatzzweck
zugeführt werden.
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In Gaserzeugungssystemen zur Brennstoffzellenversorgung
werden Verdampfer dazu eingesetzt, einen Einsatzstoff, z. B. ein
Gemisch aus Methanol und Wasser, zu verdampfen und
gegebenenfalls zu überhitzen, um ihn dann zur Gewinnung eines
Brennstoffs, z. B. Wasserstoff, für ein
Brennstoffzellensystem umzusetzen, z. B. in einem Reformer.
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Im Verdampfer wird Wärme von einem bereitgestellten
Heizmedium auf das zu verdampfende Medium übertragen, wozu der
Verdampfer eine geeignete Wärmeübertragerstruktur aufweist.
Wärmeübertragerstrukturen sind in verschiedenen Bauformen im
Einsatz. So sind sogenannte Platten- oder
Schichtwärmeübertrager bekannt, die aus übereinander gestapelten Platten
oder Scheiben bestehen und im Stapel nebeneinander liegende
Schichten bilden, die vorzugsweise alternierend vom zu
verdampfenden Medium einerseits und dem Heizmedium andererseits
durchströmt werden können, je nach Bedarf z. B. im
Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom. Diese Bauform wird
vorliegend als Schichtaufbautyp bezeichnet. Eine weitere
bekannte Bauform, die vorliegend als Rohraufbautyp bezeichnet
wird, benutzt ein oder mehrere Rohre. Typische
Ausführungsvarianten sind solche mit einer oder mehreren Rohrwendeln
und/oder Rohrschlangen oder mit einem Rohrbündel.
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Einstufige Verdampfer mit einer Wärmeübertragereinheit vom
Schichtaufbautyp oder vom Rohraufbautyp sind gerade auch in
Gaserzeugungssystemen zur Brennstoffzellenversorgung
verbreitet in Gebrauch. Die Verdampfer mit
Plattenwärmeübertragerstruktur lassen sich mit hoher
Wärmeübertragungs-Leistungsdichte kompakt bauen, erfordern jedoch relativ hohen
Fertigungsaufwand, wenn sie einer hohen Druckbelastung
und/oder thermischen Belastung sicher Stand halten sollen.
Dies gilt insbesondere für die meist durch Löten, Kleben
oder Schweißen und/oder mittels Dichtungen hergestellten
Verbindungen der einzelnen Platten bzw. Scheiben. Diese
Probleme bezüglich Druckbelastungsfähigkeit und thermischer
Belastungsfähigkeit bestehen bei Verdampfern mit
Wärmeübertragerstruktur vom Rohraufbautyp nicht oder allenfalls in
geringem Maß, jedoch benötigen diese ein größeres Bauvolumen.
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Die Belastungen sind für den Wärmeübertrager vom
Schichtbautyp mit seiner kompakten Bauform besonders hoch, wenn ein
flüssig zugeführtes Medium nicht nur teilweise oder
vollständig verdampft, sondern auch noch überhitzt werden soll.
Speziell bei Gegenstromführung treten auf der einen Seite,
an welcher das noch sehr heiße Heizmedium eintritt und der
heiße, gegebenenfalls überhitzte Mediendampf austritt, sehr
hohe Temperaturen und demgegenüber auf der anderen Seite des
Schichtaufbaus, an der das noch flüssige Medium eintritt und
das abgekühlte Heizmedium austritt, relativ niedrige
Temperaturen auf. Dies kann die Lebensdauer eines solchen
Wärmeübertragers begrenzen bzw. bedingt einen hohen
Fertigungsaufwand, um ihn mit der erforderlichen Belastungsfestigkeit
herzustellen.
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Um den Bauraumbedarf bei Verwendung von Verdampfern vom
Rohraufbautyp in Gaserzeugungssystemen zur
Brennstoffzellenversorgung möglichst klein zu halten, wurde bereits
verschiedentlich eine Integration eines solchen Rohrverdampfers
mit einer oder mehreren anderen Komponenten des
Gaserzeugungssystems in einer gemeinsamen Baueinheit vorgeschlagen.
So ist es aus der Offenlegungsschrift WO 01/77585 A1
bekannt, ein zylindrisches Reformergehäuse mit einer
Verdampfer-Rohrwendel zu umgeben und die gesamte Anordnung
innerhalb eines Außengehäuses mit Heißgas zu beheizen, das von
einem Brenner bereitgestellt wird, der von einem
wasserstoffhaltigen Abgasstrom eines angekoppelten
Brennstoffzellensystems oder des Gaserzeugungssystems selbst gespeist
wird. Alternativ ist die Verwendung einer Doppelwand des
Außengehäuses als Verdampfer angegeben.
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Die Offenlegungsschrift DE 199 37 152 A1 beschreibt die
Kombination eines Verdampfers mit einem katalytischen Brenner
zur Nachverbrennung von Anodenabgasen eines
Brennstoffzellensystems in einer gemeinsamen Baueinheit. Der Verdampfer
besteht aus einer oder mehreren Rohrwendeln oder einzelnen,
kreisbogenförmigen Rohrstücken, die in den Ringspalt
zwischen zwei koaxialen, gasdurchlässigen Brennerrohren
eingebracht sind, in welchem sich auch das benötigte
Katalysatormaterial befindet, z. B. als Pelletschüttung und/oder
Wandbeschichtung der Brennerrohre und/oder der Verdampferrohre.
Zur Steigerung der Wärmeübertragung können die
Innenwandungen der Verdampferrohre z. B. unter Bildung von Drallrohren
und/oder deren Außenwandungen strukturiert sein.
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Der Erfindung liegt als technisches Problem die
Bereitstellung eines Verdampfers zugrunde, der mit relativ geringem
Aufwand realisierbar ist und sich bei gegebenem, gefordertem
Wärmeübertragungsvermögen relativ klein bauen lässt und den
Druckbelastungen und thermischen Belastungen zuverlässig
standhält.
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Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung
eines Verdampfers mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser
besitzt einen mehrstufigen Aufbau aus einer
Erwärmungs-/Verdampfungsstufe und einer dieser bezüglich eines zu
verdampfenden Mediums nachgeschalteten
Verdampfungs-/Überhitzungsstufe. Die erstgenannte Stufe umfasst wenigstens eine
Wärmeübertragereinheit vom Schichtaufbautyp, während die
letztgenannte Stufe wenigstens eine Wärmeübertragereinheit vom
Rohraufbautyp aufweist. In beiden Stufen kann je nach Bedarf
eine jeweils gewünschte Durchströmungsrichtung von zu
verdampfendem Medium einerseits und wärmeabgebendem Heizmedium
andererseits durch entsprechende Gestaltung der
Wärmeübertragereinheiten einschließlich von deren Anschlussstrukturen
gewählt werden, insbesondere die Varianten Gleichstrom,
Gegenstrom und Kreuzstrom. In der eintrittsseitigen
Erwärmungs-/Verdampfungsstufe wird das flüssig zugeführte Medium
vorerwärmt und eventuell auch schon etwas oder sogar
großteils vorverdampft. In der anschließenden Verdampfungs-
/Überhitzungsstufe wird es dann vollends im gewünschten Maß
verdampft und bei Bedarf überhitzt.
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Dieser mehrstufige Verdampferaufbau hat den Vorteil, dass
die Erwärmungs-/Verdampfungsstufe, die bezüglich des zu
verdampfenden Mediums die Eintrittsseite des Verdampfers bildet
und daher noch keinen so hohen thermomechanischen
Belastungen ausgesetzt ist, durch die Verwendung der
Wärmeübertragereinheit vom Schichtaufbautyp relativ kompakt gebaut werden
kann, während auf der Verdampferaustrittsseite, wo im
allgemeinen höhere thermomechanische Belastungen vorliegen, in
der dortigen Verdampfungs-/Überhitzungsstufe die
Wärmeübertragereinheit vom Rohraufbautyp verwendet wird, die auch
höheren Druckbelastungen und thermischen Belastungen ohne
großen Aufwand sicher standzuhalten vermag. Insgesamt wird auf
diese Weise ein Verdampfer bereitgestellt, der sich bei
gegebener, geforderter Belastungsfestigkeit mit geringerem
Aufwand und höherer Betriebssicherheit realisieren lässt als
ein vergleichbarer einstufiger Verdampfer vom
Schichtaufbautyp und der sich andererseits kompakter bauen lässt als ein
einstufiger Verdampfer vom Rohraufbautyp mit vergleichbarem
Wärmeübertragungsvermögen.
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Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verdampfer dient
ein einziger Heizmediumstrom als Wärmelieferant seriell
sowohl für die Erwärmungs-/Verdampferstufe als auch für die
Verdampfungs-/Überhitzungsstufe, wobei das Heizmedium zuerst
durch die Verdampfungs-/Überhitzungsstufe und anschließend
durch die Erwärmungs-/Verdampfungsstufe hindurchgeleitet
wird. Das anfangs heißere Heizmedium bewirkt in der
Verdampfungs-/Überhitzungsstufe im gewünschten Maß die weitere
Verdampfung bzw. Überhitzung des vorerwärmten bzw.
vorverdampften Mediums, während es schon etwas abgekühlt in der
Erwärmungs-/Verdampfungsstufe für die gewünschte Vorerwärmung
bzw. Vorverdampfung bei relativ geringer thermischer
Belastung der Schichtaufbau-Wärmeübertragereinheit sorgt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nach
Anspruch 3 beinhaltet die wenigstens eine
Wärmeübertragereinheit der Verdampfungs-/Überhitzungsstufe eine Rohrwendel-
oder Rohrbogenstruktur und eine mit dieser kombinierte
Heizquelle, die das Heizmedium aus einem zugeführten Brennstoff
erzeugt. In einer weiteren Ausgestaltung beinhaltet die
Heizquelle gemäß Anspruch 4 eine in das Innere der
Rohrwendel- oder Rohrbogenstruktur eingebrachte katalytische
Brennereinheit und/oder eine außenseitige katalytische
Beschichtung der Rohrwendel- oder Rohrbogenstruktur. Dies realisiert
eine kompakt zu bauende Kombination von wärmeerzeugender
Heizquelle und Verdampfungs-/Überhitzungsstufe. Vorteilhafte
Realisierungen der im Inneren der Rohrwendel- oder
Rohrbogenstruktur vorgesehenen Brennereinheit sind in den
Ansprüchen 5 und 6 angegeben.
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In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 sind
die beiden Verdampferstufen in ein gemeinsames
Verdampfergehäuse integriert. Dies kann insbesondere hinsichtlich
Bauraumbedarf und Handhabung vorteilhaft sein.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den
Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
Hierbei zeigen:
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Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm eines zweistufigen
Verdampfers mit einem im Gegenstrom betriebenen
Plattenwärmeübertrager und einem Rohrwendel-
Wärmeübertrager,
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Fig. 2 ein Blockdiagramm einer Variante des Verdampfers
von Fig. 1 mit im Gleichstrom betriebenem
Plattenwärmeübertrager,
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Fig. 3 eine Variante des Rohrwendel-Wärmeübertragers der
Fig. 1 und 2 mit integrierter, eine katalytisch
beschichtete Filterkerze beinhaltende Brennereinheit,
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Fig. 4 einen Rohrwendel-Wärmeübertrager entsprechend Fig.
3, jedoch mit katalysatorbeladenem Rohrstück statt
Filterkerze,
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Fig. 5 eine Variante des Rohrwendel-Wärmeübertragers von
Fig. 3 mit zusätzlicher katalytischer Beschichtung
der Rohrwendel-Außenwand,
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Fig. 6 ein schematisches Blockdiagramm eines zweistufigen
Verdampfers mit in ein Gehäuse integrierter
Schichtaufbau-Wärmeübertragereinheit und
Rohraufbau-Wärmeübertragereinheit und
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Fig. 7 eine Ansicht entsprechend Fig. 6, jedoch für eine
Variante mit zusätzlich in die
Rohraufbau-Wärmeübertragereinheit integrierter katalytischer
Brenneinheit.
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Der in Fig. 1 gezeigte Verdampfer beinhaltet eine
Erwärmungs-/Verdampfungsstufe in Form eines
Plattenwärmeübertragers 1 und eine Verdampfungs-/Überhitzungsstufe in Form
eines Rohrwendel-Wärmeübertragers 2. Der
Plattenwärmeübertrager 1 ist von einem beliebigen herkömmlichen Aufbau aus
mehreren übereinandergestapelten Platten oder Scheiben und
beinhaltet einen oder mehrere parallele erste Strömungskanäle
zum Hindurchführen eines zu verdampfenden Mediums 3 und
davon fluidgetrennt einen oder mehrere zweite Strömungskanäle
zum Hindurchführen eines Heizmediums 4. Der
Rohrwendel-Wärmeübertrager 2 ist ebenfalls von einem herkömmlichen Aufbau
und beinhaltet eine schraubenförmige Rohrwendel 5, durch die
das zu verdampfende Medium 3 hindurchgeleitet wird und die
von einem Außengehäuse 6 umgeben ist, durch welches das
Heizmedium 4 hindurchgeleitet wird, so dass es die
Rohrwendel 5 außenseitig anströmt.
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Die strömungstechnische Verschaltung der beiden
Wärmeübertrager 1, 2 ist im Beispiel von Fig. 1 so gewählt, dass der
Rohrwendel-Wärmeübertrager 2 dem Plattenwärmeübertrager
bezüglich des zu verdampfenden Mediums 3 nachgeschaltet und
bezüglich des Heizmediums 4 vorgeschaltet ist. Dies
bedeutet, dass das zu verdampfende Medium 3 in flüssiger Form dem
Plattenwärmeübertrager 1 zugeführt und dort vorerwärmt und
gegebenenfalls vorverdampft wird. Von diesem wird es als
entsprechendes Flüssigkeits-/Dampfgemisch in die Rohrwendel
5 eingeleitet und dort vollends im gewünschten Maß verdampft
und bei Bedarf überhitzt, so dass am Austritt der Rohrwendel
5 der gewünschte, gegebenenfalls überhitzte Dampf zur
weiteren Verwendung bereitsteht.
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Als Wärmelieferant dient für beide Wärmeübertrager 1, 2 der
gemeinsame Heizmediumstrom 4, bevorzugt ein Heißgasstrom.
Dieser wird zunächst als noch heißer Mediumstrom durch den
Rohrwendel-Wärmeübertrager 2 hindurchgeleitet, um dort die
zur vollständigen Verdampfung und gegebenenfalls Überhitzung
des zu verdampfenden Mediums benötigte Wärme an letzteres
über die Rohrwendelwände abzugeben, bevor er dann als schon
etwas abgekühlter Mediumstrom durch den
Plattenwärmeübertrager 1 hindurchgeleitet wird, um an das noch flüssige, zu
verdampfende Medium die zu deren Vorerwärmung und
gegebenenfalls Vorverdampfung benötigte Wärme über die wärmeleitenden
Platten bzw. Scheiben abzugeben. Er verlässt den
Plattenwärmeübertrager 1 als abgekühlter Gasstrom. Bei dem
Heißgasstrom kann es sich z. B. um einen Abgasstrom handeln, der von
einem vorgeschalteten, nicht gezeigten Brenner erzeugt wird.
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Bei der gezeigten Wahl der Strömungsführung werden das zu
verdampfende Medium 3 und das Heizmedium 4 in beiden
Wärmeübertragern 1, 2 im Gegenstrom geführt, was im allgemeinen
einen hohen Wirkungsgrad der Wärmeübertragung ergibt.
Alternativ ist je nach Bedarf auch eine Gleichstromführung beider
Medien, 3, 4 im kompakten Plattenwärmeübertrager 1 und/oder
im Rohrwendel-Wärmeübertrager 2 möglich. Dazu ist lediglich
die Anschlusskopplung der beiden Wärmeübertrager 1, 2
untereinander sowie mit den externen Zu- und Abführungen für die
beiden Medien 3, 4 entsprechend zu ändern.
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Fig. 2 zeigt eine solche Variante, bei der im Unterschied zu
Fig. 1 im Plattenwärmeübertrager 1 eine Gleichstromführung
von zu verdampfendem Medium 3 und Heizmedium 4 realisiert
ist. Die Durchströmung des Plattenwärmeübertragers 1 im
Gleichstrom hat den Vorteil, dass seine
Heizmedium-Eintrittsseite sehr effektiv durch das eintretende, noch kalte
Fluid 3 gekühlt wird. Die Temperatur der z. B. aus Blechen
bestehenden Platten oder Scheiben des
Plattenwärmeübertragers 1 bleibt daher auch in diesem Bereich relativ moderat,
ohne dass unerwünscht hohe thermische Belastungen und damit
einhergehende mechanische Spannungen auftreten.
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In jedem Fall sind die thermischen und mechanischen
Belastungen für den Plattenwärmeübertraget 1 in den oben zu den
Fig. 1 und 2 angesprochenen Verdampfervarianten im Vergleich
zu einem einstufigen Verdampfer vom Schichtaufbautyp
reduziert, weil das Heizmedium 4 durch das vorherige
Durchströmen des Rohrwendel-Wärmeübertrages 2 bereits etwas abgekühlt
in den Plattenwärmeübertrager 1 eintritt und das zu
verdampfende Medium bei Austritt aus dem Plattenwärmeübertrager 1
eine noch relativ geringe (Sättigungs-)Temperatur aufweist.
Der für hohe Temperaturen problemloser auslegbare
Rohrwendel-Wärmeübertrager 2 muss nur noch die restliche
Verdampfung und gegebenenfalls die Überhitzung bewirken und lässt
sich daher im Vergleich zu einem einstufigen Verdampfer vom
Rohraufbautyp mit kleinerem Bauvolumen und kleiner Masse
realisieren.
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Somit kombiniert der zweistufige Verdampfer mit dem
Plattenwärmeübertrager 1 als Erwärmungs-/Verdampfungsstufe und dem
Rohrwendel-Wärmeübertrager 2 als
Verdampfungs-/Überhitzungsstufe eine hohe Kompaktheit mit hoher Leistungsdichte und
Belastungsfestigkeit und folglich hoher Lebensdauer des
gesamten Aufbaus.
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Die Aufteilung der Aufheizungsanteile auf die beiden
Wärmeübertrager 1, 2 kann je nach Bedarf gewählt werden. Die
Erwärmungs-/Verdampfungsstufe leistet wenigstens eine erste
Erwärmung und meist auch einen Großteil der Verdampfung,
während die Verdampfungs-/Überhitzungsstufe die eventuelle
restliche Verdampfung und bei Bedarf eine zusätzliche
Überhitzung bewirkt. Es versteht sich, dass je nach
Anwendungsfall die Erwärmungs-/Verdampfungsstufe mehrere
strömungstechnisch seriell oder parallel geschaltete
Wärmeübertragereinheiten vom Schichtaufbautyp und ebenso die Verdampfungs-
/Überhitzungsstufe mehrere strömungstechnisch parallel oder
seriell geschaltete Wärmeübertragereinheiten vom
Rohraufbautyp umfassen kann.
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Für den Rohraufbautyp sind alternativ zu der gezeigten
Bauform mit einer einzelnen Rohrwendel andere herkömmliche
Bauformen einsetzbar, wie solche mit mehreren Rohrwendeln, die
z. B. koaxial oder mit in Axialrichtung alternierend
aufeinanderfolgenden Windungen ineinanderliegenden, oder mit
spiraligen Rohrschlangen oder mit Rohrbündeln aus geradlinigen
oder gekrümmten, z. B. kreisbogenförmigen Rohrstücken.
Weitere alternative Ausführungsformen umfassen solche, bei denen
die Rohrwandungen des oder der verwendeten Rohre innen-
und/oder außenseitig profiliert sind, um die
wärmeübertragende Oberfläche zu erhöhen und damit den Wirkungsgrad der
Wärmeübertragung zu steigern, was bei gegebener, geforderter
Wärmeübertragungsleistung kleinere Bauformen ermöglicht.
Insbesondere kommen hierfür herkömmliche Rippen- oder
Drallrohrausführungen in Betracht. Auch das Einlegen von
turbulenzerzeugenden Strukturen zwecks Steigerung des
Wärmeübergangs in das Rohrinnere ist möglich.
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Die geschilderten Verdampferbauformen sind z. B. gut für
Gaserzeugungssysteme zur Brennstoffzellenversorgung geeignet,
z. B. zur Bereitstellung eines Methanol/Wasser-Dampfgemischs.
Besonders für mobile Anwendungen in
Brennstoffzellenfahrzeugen wird hierbei eine hohe Kompaktheit des Gesamtsystems
angestrebt. Dazu kann des weiteren eine Integration einer das
Heizmedium bereitstellenden Heizquelle in den
Verdampferaufbau förderlich sein, zweckmäßigerweise in die Verdampfungs-
/Überhitzungsstufe. Die Fig. 3 bis 5 veranschaulichen
entsprechende Ausführungsbeispiele, wobei der Übersichtlichkeit
halber funktionell gleiche Komponenten wie in den Beispielen
der Fig. 1 und 2 mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind
und insoweit auf deren obige Erläuterung verwiesen werden
kann.
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Im Beispiel von Fig. 3 ist mittig zur Rohrwendellängsachse
in das Innere der Rohrwendel 5 eine katalytisch beschichtete
Filterkerze 7 als katalytische Brennereinheit eingebracht.
Die Filterkerze 7 ist mit ihrer Eintrittsseite aus dem
Gehäuse 6 stirnseitig herausgeführt und wird über diesen
Einlass mit einem Brennstoff/Luft-Gemisch 4a gespeist. Dieses
wird an der katalytisch beschichteten Mantelfläche der
Filterkerze 7 katalytisch unter Erzeugung von entsprechendem
Heißgas 4 verbrannt. Das erzeugte Heißgas 4 strömt durch die
gasdurchlässige Mantelfläche der Filterkerze 7 hindurch und
umströmt allseitig die Rohrwendel 5, d. h. sowohl in einem
Zwischenraum zwischen Filterkerzen-Mantelfläche und
Rohrwendel-Innendurchmesser, wozu letzterer um ein entsprechendes
Maß größer als der Filterkerzendurchmesser gewählt ist, als
auch zwischen den Rohrwendelwindungen, wozu die Rohrwendel 5
mit gewissem Windungsabstand gewickelt ist, und im
Zwischenraum zwischen Rohrwendel 5 und Außengehäuse 6. Nach dieser
Umströmung der Rohrwendel 5 tritt das Heißgas 4 an der
gegenüberliegenden Stirnseite des Außengehäuses 6 aus diesem
aus und wird dann zum Plattenwärmeübertrager geleitet.
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Dies realisiert einen Rohrwendel-Wärmeübertrager 2a, in den
ohne signifikante Erhöhung des Bauvolumens ein katalytischer
Brenner integriert ist, da die Rohrwendel 5
konstruktionsbedingt einen gewissen Mindestdurchmesser erfordert und die
katalytische Filterkerze 7 in den somit ohnehin bestehenden
Hohlraum im Inneren der Rohrwendel 5 eingebracht ist.
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Analoges gilt für einen in Fig. 4 gezeigten, weiteren
Rohrwendel-Wärmeübertrager 2b mit integriertem katalytischem
Brenner. Hier besteht der Brenner aus einem geradlinigen
Rohrstück 8, das wie die Filterkerze 7 von Fig. 3 mittig in
das Innere der Rohrwendel 5 eingebracht ist und in das eine
gasdurchlässige, katalysatorhaltige Struktur 9 eingebracht
ist, z. B. ein katalytisch beschichtetes Gewebe, eine
Katalysatorpelletschüttung oder eine strömungskanalbildende
Struktur mit katalytischer Wandbeschichtung. Dem solchermaßen als
katalytischer Brenner fungierenden Rohrstück 8 wird an
seiner axial aus dem Wärmeübertragergehäuse 6 vorstehenden
Einlass das Brennstoff/Luft-Gemisch 4a zugeführt, das in der
katalytisch beschichteten Struktur 9 katalytisch unter
Erzeugung des Heißgases 4 verbrannt wird.
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Das erzeugte Heißgas 4 wird vom gasdicht ausgeführten
Rohrmantel bis zum offenen, austrittsseitigen Rohrende geführt,
mit dem das Rohrstück 8 axial in etwa mit der Rohrwendel 5
abschließt. Das dort aus dem Rohrstück 8 austretende Heißgas
4 wird dann vom Außengehäuse 6 umgelenkt und axial
zurückgeführt, wobei es wiederum die Rohrwendel 5 allseitig
umströmt, bevor es über einen seitlichen Heißgasauslass 10 des
Außengehäuses 6 abgeführt und zum Plattenwärmeübertrager
weitergeleitet wird. Somit ergibt sich für das Beispiel von
Fig. 4 gegenüber dem Beispiel von Fig. 3 eine umgekehrte
Heißgasströmungsrichtung entlang der Rohrwendel 5. Im Fall
der gezeigten Rohrwendeldurchströmung mit dem zu
verdampfenden Medium 3 in den Fig. 3 und 4 von links nach rechts
ergibt sich im Beispiel von Fig. 3 eine Wärmeübertragung im
Gegenstromprinzip und im Beispiel von Fig. 4 eine solche im
Gleichstromprinzip. Dies kann jedoch leicht durch
Vertauschung von Einlass- und Auslassseite der Rohrwendel 5
umgekehrt werden.
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Fig. 5 zeigt eine Variante von Fig. 3, bei der in das Innere
der Rohrwendel 5 ebenfalls eine katalytisch beschichtete
Filterkerze 7a als katalytische Brennereinheit eingebracht
ist. Zusätzlich ist bei diesem Ausführungsbeispiel die
Rohrwendel 5 an ihrer Außenseite mit einer entsprechenden
katalytischen Beschichtung 11 versehen, d. h. die Rohrwendel 5
wirkt in diesem Fall als eine weitere Heizquelle zur
Erzeugung des Heißgases 4.
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Im Unterschied zu Fig. 3 befindet sich die Filterkerze 7a im
Beispiel von Fig. 5 mit ihrer Einlassseite 12 im Inneren des
Außengehäuses 6 und mit etwas Abstand von einem
stirnseitigen Gehäuseeinlass 13, über den das Brennstoff/Luft-Gemisch
4a zugeführt wird. Auf diese Weise gelangt ein Teil des
Brennstoff/Luft-Gemischs 4a in die Filterkerze 7a und wird
an deren gasdurchlässiger, katalytisch beschichteter
Mantelfläche verbrannt, und ein übriger Teil desselben gelangt in
den Raum zwischen Filterkerze 7a und Außengehäuse 6 und wird
an der katalytischen Beschichtung 11 der sich dort
befindenden Rohrwendel 5 umgesetzt.
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Die Filterkerze 7a erstreckt sich ausgangsseitig bis zu
einem Heißgasauslass 14, der in das Außengehäuse 6 auf der dem
Einlass 13 gegenüberliegenden Stirnseite eingebracht ist.
Somit wird der am Filterkerzeneinlass vorbei über den
Rohrwendelbereich hinweggeführte Gasstrom vor Austritt aus dem
Gehäuse 6 radial von außen nach innen durch den
Filterkerzenmantel hindurchgeleitet. Eventuell noch nicht mit der
katalytischen Rohrwendelbeschichtung 11 in Kontakt gelangtes,
an der Eintrittsseite der Filterkerze 7a vorbeigeleitetes
Brennstoff/Luft-Gemisch wird dadurch zuverlässig von der
Filterkerze 7a umgesetzt.
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Eine hohe Kompaktheit und gute Handhabbarkeit des gesamten,
zweistufigen Verdampfers lässt sich durch eine Integration
beider Stufen in eine gemeinsame Baueinheit erzielen.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele hierzu sind schematisch in
den Fig. 6 und 7 dargestellt.
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Fig. 6 zeigt eine bauliche Integration eines
Plattenwärmeübertragers, schematisch repräsentiert durch einen
Plattenstapel 15, mit einer Wärmeübertragereinheit 16 vom
Rohraufbautyp, schematisch repräsentiert durch eine Rohranordnung,
in einem gemeinsamen Verdampfergehäuse 17. Der
Plattenwärmeübertrager 15 bildet die Erwärmungs-/Verdampfungsstufe
dieses Verdampfers, in die das zu verdampfende Medium in
flüssiger Form an einem Einlass 18 eingespeist wird und aus der
es an einem Auslass 19 in erwärmter bzw. vorverdampfter Form
austritt. Von dort gelangt das erwärmte bzw. vorverdampfte
Medium direkt zur Einlassseite des Wärmeübertragers 16 vom
Rohraufbautyp, bei dem es sich z. B. um einen solchen vom
Rohrwendeltyp mit einem oder mehreren Rohrwendeln, oder um
einen solchen vom Rohrbündeltyp mit mehreren,
strömungstechnisch parallelen, geradlinigen oder gekrümmten Rohrstücken
handeln kann und der die Verdampfungs-/Überhitzungsstufe
bildet, in der das Medium vollends verdampft und bei Bedarf
überhitzt wird, so dass es als gegebenenfalls überhitzter
Dampfstrom über einen Dampfauslass 20 austritt. Als
Heizmedium wird ein Heißgasstrom 21a verwendet, der durch das
Verdampfergehäuse 17 hindurchgeleitet wird, zuerst in
Wärmekontakt mit dem oder den Rohren der
Verdampfungs-/Überhitzungsstufe, bevor es durch die zugehörigen Strömungskanäle im
Plattenwärmeübertrager 15 hindurchgeleitet wird und dann aus
dem Verdampfergehäuse 17 als abgekühlter Abgasstrom 21b
austritt.
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Das Ausführungsbeispiel von Fig. 7 entspricht demjenigen von
Fig. 6 mit der Modifikation, dass die Wärmeübertragereinheit
vom Rohraufbautyp in der Verdampfungs-/Überhitzungsstufe von
einer solchen mit integrierter katalytischer Brennereinheit
gebildet ist, wie sie oben zu den Fig. 3 bis 5 erläutert
wurde. Beispielhaft ist die Verwendung des
Wärmeübertragertyps 2a gemäß Fig. 3 gezeigt.
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Es versteht sich, dass in weiteren, nicht gezeigten
Modifikationen beliebige andere, herkömmliche Typen von
Wärmeübertragern vom Schichtaufbautyp in der
Erwärmungs-/Verdampfungsstufe und Wärmeübertragern vom Rohraufbautyp in der
Verdampfungs-/Überhitzungsstufe in einem gemeinsamen
Verdampfergehäuse integriert sein können.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele machen deutlich, dass
die Erfindung einen vorteilhaften, insbesondere auch in
Gaserzeugungssystemen zur Brennstoffzellenversorgung
verwendbaren Verdampfer bereitstellt, der einerseits zur Erwärmung
und gegebenenfalls Vorverdampfung die hohe
Wärmeübertragungs-Leistungsdichte und die Kompaktheit von
Wärmeübertragern des Schichtäufbautyps und andererseits zur restlichen
Verdampfung und gegebenenfalls Überhitzung die hohe
Druckstabilität und thermische Stabilität von Wärmeübertragern
des Rohraufbautyps nutzt. Es versteht sich, dass in nicht
gezeigten, weiteren Ausführungsformen der Erfindung die
Erwärmungs-/Verdampfungsstufe zwei oder mehr
Wärmeübertragereinheiten vom Schichtaufbautyp und/oder die Verdampfungs-
/Überhitzungsstufe zwei oder mehr Wärmeübertragereinheiten
vom Rohraufbautyp aufweisen kann, die jeweils in beliebiger,
bedarfsgerechter Weise strömungstechnisch parallel und/oder
seriell geschaltet sind. Des weiteren sind alternative
Ausführungsformen möglich, bei denen die beiden
Verdampferstufen nicht wie gezeigt seriell von einem Heizmedium
durchströmt werden, sondern von je einem eigenen Heizmedium oder
von strömungstechnisch parallelen Heizmediumströmen.