DE19904400C2 - Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Erhitzen eines Reaktand-Massenstroms - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ver­ dampfen und/oder Erhitzen, insbesondere Überhitzen, eines Reaktand-Massenstroms nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

In Gaserzeugungssystemen für mobile Anwendungen, beispielsweise in Verbindung mit Brennstoffzellen für Kraftfahrzeuge, werden üblicherweise zweistufige Verdampfereinheiten verwendet. Eine derartige zweistufige Verdampfereinheit ist aus der DE 44 26 692 C1 bekannt und besteht aus abwechselnd übereinander­ gestapelten Folien mit Wärmeträgerkanälen bzw. Reaktions­ kanälen.

Die Anforderungen an ein Gaserzeugungssystem für mobile Anwendungen sind neben einem kleinen Bauvolumen insbesondere auch eine hohe Dynamik. Aus diesem Grunde werden als Verdampfer Wärmetauscher mit sehr kleinen Strömungsquerschnitten ver­ wendet, um die durch eine unterschiedliche Flüssigkeitsfüllhöhe bedingten Volumenänderungen zwischen Teillast und Vollast zu minimieren. Derartige feine Strukturen sind zwar vorteilhaft für die Dynamik des Gaserzeugungssystems, führen jedoch in der Dampfphase zu hoher Gasgeschwindigkeit und somit einem hohen Druckabfall. Aus diesem Grunde wird dem Verdampfer üblicher­ weise ein Überhitzer nachgeschaltet, der über zum Überhitzen geeignete größere Strömungsquerschnitte verfügt. Des weiteren erfordert die Verwendung eines derartigen bekannten Gas­ erzeugungssystems einen hochreinen Brennstoff, da es bedingt durch den vorstehend beschriebenen Aufbau mit sehr kleinen Strömungsquerschnitten bei Verunreinigungen im Brennstoff leicht zu Verstopfungen der Strömungskanäle und somit zu einem Ausfall des Systems kommen kann. Es wäre ferner wünschenswert, einen Verdampfer für ein Gaserzeugungssystem derart auszu­ bilden, daß er nicht nur dazu geeignet ist, Flüssigkeit zu verdampfen, sondern auch Gas, welches beispielsweise über einen separaten Anschluß hinzugegeben wird, ebenfalls zu erhitzen. Dies ist bei der oben beschriebenen feinen Struktur herkömm­ licher Ausführungsformen von Verdampfern nicht möglich.

Ein zusätzliches Problem tritt bei Verdampfern auf, welche unmittelbar über eine katalytische Verbrennung beheizt werden. Hier ist es notwendig bzw. wünschenswert, sowohl auf der Heiz- als auch auf der Verdampferseite des Wärmetauschers eine möglichst gute Gleichverteilung der Volumenströme zu erreichen. Üblicherweise werden zu diesem Zwecke Leitstrukturen im Eingangsbereich des Verdampfers eingesetzt, welche derart strukturiert sind, daß in einem möglichst großen Lastbereich eine gleichmäßige Verteilung der Gasströme bewerkstelligt wird. Zu diesem Zwecke werden beispielsweise, wie in der DE 197 47 034 beschrieben, Einrichtungen, insbesondere Lanzen zum fein ver­ teilten Einsprühen des Reaktand-Massenstroms vorgesehen. Erfahrungsgemäß ist die Dimensionierung derartiger Leit­ strukturen sehr schwierig durchzuführen, und in vielen Fällen wird eine akzeptable Gleichverteilung nur in einem geringen Lastbereich erzielt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Erhitzen eines flüssigen oder gasförmigen Reaktand-Massenstroms bei welcher eine möglichst gute Gleichverteilung der Gasströme durch die einzelnen Strömungskanäle/Heizkanäle eines Wärmetauschers erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine sehr gute Gleichverteilung der Gasströme durch die jeweiligen Strömungs­ kanäle bzw Heizkanäle des verwendeten Wärmetauschers zur Verfügung gestellt. Hierdurch ist eine gegenüber dem Stand der Technik wesentlich bessere Ausnutzung des Wärmetauschers möglich. Ferner werden besonders heiße bzw. besonders kalte Bereiche, sogenannte "Hot Spots" bzw. "Cold Spots", innerhalb des Wärmetauschers, welche herkömmlicherweise auf Grund un­ günstig durchströmter Wärmetauscherbereiche auftraten, ver­ mieden. Es ist eine hohe Dynamik erzielbar, da bei Last­ wechseln, etwa in der flüssigen Phase, keine Volumenänderungen auftreten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß zur Gleichverteilung der Gasströme bestimmte Bereiche der Strömungskanäle des Wärmetauschers mit einem wesentlich höheren Strömungswiderstand ausgebildet sind als andere Bereiche der Strömungskanäle.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Zweckmäßigerweise erfolgt eine Beheizung der Heizkanäle des Wärmetauschers durch Verbrennung eines Heizmediums. Zu diesem Zwecke eignet sich insbesondere die Verbrennung von wasser­ stoffreichem Gas mit Sauerstoff, wobei vorteilhafterweise zur Unterstützung der Verbrennung eine geeignete katalytische Beschichtung der Heizkanäle vorgesehen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Bereiche relativ hohen Strömungswider­ stands durch Befüllung der Strömungskanäle und/oder der Heizkanäle mit einer gasdurchlässigen Flüssigkeit oder einem gasdurchlässigen Feststoff realisiert. Durch diese Maßnahme erreicht man in einfacher Weise eine gleichmäßige Strömung bzw. einen um ein Vielfaches höheren Strömungswiderstand bezüglich der Bereiche, welche keine derartigen Flüssigkeiten bzw. Feststoffe aufweisen.

Zweckmäßigerweise wird als gasdurchlässiger Feststoff ein Sintermetall verwendet. Derartige Metalle werden im allgemeinen durch Pressen von Pulver oder durch Spritzgießen von Mischungen aus Metallpulver und Kunststoff geformt. Neben der chemischen Zusammensetzung bestimmt der Porenanteil wesentlich die Eigen­ schaften des Sintermetalls. Aus Sintermetallen können in ein­ facher Weise kompliziert geformte Bauteile entweder einbau­ fertig oder mit nur geringer Nachbearbeitung in besonders wirtschaftlicher Weise hergestellt werden. Sie eignen sich daher insbesondere zur Befüllung von relativ engen Strömungs­ kanälen und/oder Heizkanälen eines Wärmetauschers.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung wird als gasdurchlässiger Feststoff eine Schüttung eines in pulverförmiger bzw. körniger Form vorliegenden Werkstoffs verwendet. Derartige Schüttungen, beispielsweise Siedesteine, sind in sehr einfacher und preiswerter Weise einsetzbar.

Zweckmäßigerweise sind die Bereiche relativ hohen Strömungs­ widerstands wenigstens in dem stromabwärtigen Bereich des Wärmetauschers, insbesondere dem Auslaßbereich des Wärme­ tauschers, vorgesehen.

Es ist ferner möglich, die Bereiche relativ hohen Strömungs­ widerstands wenigstens im Einlaßbereich des Wärmetauschers vorzusehen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Bereiche relativ hohen Strömungs­ widerstands ausschließlich in den Strömunskanälen oder in den Heizkanälen des Wärmetauschers ausgebildet. Hierdurch ist in selektiver Weise lediglich eine der Wärmetauscherseiten, d. h. die Verdampferseite oder die Heizseite, mit der erfindungs­ gemäßen Maßnahme ausbildbar.

Zweckmäßigerweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens einen mit dem Einlaßbereich des Wärmetauschers kommunizierenden Einlaßkanal für einen zu überhitzenden gasförmigen Reaktand-Massenstrom auf. Durch diese Maßnahme ist in einfacher Weise eine Mehrfunktionalität der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zur Verfügung gestellt.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 eine seitliche Schnittdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Erhitzen, insbesondere Überhitzen, eines Reaktand-Massenstroms.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zum Verdampfen und/oder Erhitzen bzw. Überhitzen eines Reaktand-Massenstroms.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 der Fig. 1 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem eine Verdampfungs- und Erhitzungs- bzw. Überhitzungseinheit aus einem an sich bekannten Wärmetauscher 14 angeordnet ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 14 ein aus mehreren parallel zueinander angeordneten Platten 26 bestehender Plattenwärmetauscher. Im Innern der Platten 26 sind Heizkanäle 16 ausgebildet, während zwischen den Platten 26 Strömungskanäle 17 verlaufen.

Oberhalb des Wärmetauschers 14 ist als Einrichtung zum fein verteilten Einsprühen eines Reaktand-Massenstroms eine sich in das Gehäuse 12 hineinerstreckende Lanze 18 angeordnet. Die Lanze 18 ist im wesentlichen rohrförmig mit konisch zulaufender Spitze ausgebildet. Sie weist entlang ihrer Mantelfläche ver­ teilt mehrere zu dem Wärmetauscher 14 weisende Austrittslöcher 20 auf. Die konisch zulaufende Spitze der Lanze 18 mündet gleichfalls in ein Austrittsloch 21.

Auf der der Lanze 18 diagonal gegenüberliegenden Seite des Wärmetauschers 14 (in der Darstellung der Fig. 1 unten) ist ein Gasauslaß 22 für überhitztes Gas vorgesehen. An der der Lanze 18 gegenüberliegenden Wandung des Gehäuses 12 ist es ferner möglich, einen (nicht dargestellten) Gaseinlaß vorzusehen, der beispielsweise im wesentlichen konzentrisch zu der Lanze 18 verlaufen kann und vor welchem eine Prallplatte (ebenfalls nicht dargestellt) angeordnet sein kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 verfügt des weiteren über ein (nicht dargestelltes) Rohr zum Transport des Heizmediums in die Platten 26 bzw. die in diesen ausgebildeten Heizkanäle 16 des Wärmetauschers 14.

Die Lanze 18 ist in einem in dem Gehäuse ausgebildeten Ver­ teilerraum 32 angeordnet, der sich im wesentlichen konzentrisch zur Lanze 18 erstreckt.

Die stromabwärtigen bzw. ausgangsseitigen Abschnitte der Strömungskanäle 17 bzw. der Heizkanäle 16 sind jeweils mit einem geeigneten Sintermetall befüllt. Das Sintermetall der Strömungskanäle 17 ist hierbei schematisch mit Bezugsziffer 17a, dasjenige der Heizkanäle mit 16a bezeichnet. Es ist möglich, beide Kanalarten mit dem gleichem Sintermetall zu befüllen.

Die Befüllung der jeweiligen Kanäle 16, 17 führt zu einer weitgehenden Gleichverteilung der jeweiligen Gasströme durch die Strömungskanäle 17 bzw. die Heizkanäle 16. Dies sei anhand der Strömungskanäle im einzelnen erläutert: Durch die Befüllung mit Sintermetall ist der Strömungswiderstand der Strömungs­ kanäle 17 im unteren Bereich wesentlich höher als im darüber­ liegenden eingangsseitigen Bereich. Der wirksame Gasstrom, der durch die einzelnen Strömungskanäle 17 strömt ergibt sich in diesem Fall analog dem Stromfluß durch elektrische Widerstände, wobei die parallel zueinander angeordneten Strömungskanäle 17 parallel zueinander angeordneten Widerstandsketten entsprechen, welche jeweils einen ersten Widerstand R_i und einen zweiten Widerstand R_j aufweisen. Hierbei entsprechen die Widerstände R_i dem Strömunswiderstand der Strömungskanäle 17 im eingangs­ seitigen Bereich, und die Widerstände R_j den Widerständen der Strömungskanäle 17 in ihren jeweils ausgangseitigen Bereichen, d. h. den mit Sintermetall 17a befüllten Bereichen. Wenn für die eingangsseitigen Widerstände R_i der Strömungskanäle des Wärme­ tauschers 14 gilt, daß sie sich abhängig vom Lastpunkt (d. h. von der Gasströmung) stark unterscheiden (R_i = f (I)) und gleichzeitig gilt R_j << R_i für alle Strömungskanäle 17, so folgt, unter der Voraussetzung daß ein Austausch zwischen den einzelnen Strömungskanälen des Wärmetauschers nicht möglich ist, daß der Volumenstrom I durch die einzelnen Strömungskanäle nahezu gleich ist.

Es sei angemerkt, daß zur Erhöhung des Strömungswiderstandes in den ausgangsseitigen Bereichen der Strömungskanäle 17 diese auch mit Schüttungen, beispielsweise Siedesteinschüttungen, befüllt sein können. Als Siedesteine seien speziell Silizium­ oxide genannt, welche gegenüber dem durchströmenden Gas (beispielsweise im Falle einer Reformierung, verdampftes Methanol-Wasser-Gemisch) inert sind und eine große Oberfläche aufweisen.

Auch den Heizkanälen 16 kann durch Vorsehen der Sintermetalle 16a ein ähnliches Strömungswiderstandsverhalten vermittelt werden. Beispielsweise bei der Verbrennung von wasserstoff­ reichem Gas mit Sauerstoff (insbesondere unter Verwendung katalytisch beschichteter Heizkanäle) ist eine gleichmäßige Durchströmung der Heizkanäle erzielbar.

Im Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 werden die Heizkanäle 16 des Wärmetauschers 14 durch Zufuhr von Heizmedium (wie erwähnt beispielsweise wasserstoffreiches Gas mit Sauer­ stoff) aufgeheizt. Das Heizmedium kann insbesondere durch eine geeignete Ableitung wieder aus den Heizkanälen austreten und bildet vorteilhafterweise einen geschlossenen Kreislauf.

Über die Lanze 18 wird der flüssige Reaktand-Massenstrom in das Gehäuse 12 eingeleitet. Die Einleitung erfolgt durch die Aus­ trittslöcher 20, 21 der Lanze 18 als feinverteiltes Einsprühen in den Verteilerraum 32, von dem aus eine Verteilung der Flüssigkeit in die durch den Wärmetauscher gebildete Ver­ dampfungs- und Überhitzungszone des Wärmetauschers 14 erfolgt. Die zu verdampfende Flüssigkeit kann somit sprühnebelförmig aus den Austrittsöffnungen 20, 21 der Lanze 18 austreten und sich gleichmäßig im Inneren des Gehäuses 12 verteilen.

Die feinen Flüssigkeitspartikel werden sehr schnell verdampft, und es entsteht ein zum Gasauslaß 22 gerichteter schneller Dampfstrom. Flüssigkeitstropfen, die sich an kühleren Stellen des Wärmetauschers 14 bilden würden, werden von diesem Dampf­ strom mitgerissen und gegen heiße Oberflächen des Wärme­ tauschers 14 geschleudert. Im übrigen läßt sich durch die erfindungsgemäß mögliche Gleichverteilung der Gasströme eine bessere Ausnutzung des Wärmetauschers erzielen, wodurch die Bildung von "Hot Spots" oder "Cold Spots" gegenüber herkömm­ lichen Wärmetauschern stark vermindert ist. Insgesamt ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine gute Tropffreiheit innerhalb des Gehäuses 12 und somit ein hoher Wirkungsgrad des Wärmetauschers 14 gewährleistet.

Auf Grund der feinen Einsprühung der zu verdampfenden Flüssig­ keit in die erfindungsgemäße Vorrichtung bildet sich in deren Inneren auch kein Flüssigkeitsspiegel, so daß die Vorrichtung über eine hohe Dynamik verfügt. Für Anwendungen, bei welchen es lediglich auf eine möglichst gute Gleichverteilung der Ströme innerhalb des Wärmetauschers ankommt, ist es ebenfalls möglich, auf die Lanze 18 zu verzichten.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung auf Grund ihres Aufbaus auch zur reinen Erhitzung bzw. Überhitzung eines bereits in der Gasphase vorliegenden Reaktanden geeignet ist, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich einen Gaseinlaß aufweisen, welcher in der Fig. 1 jedoch nicht dargestellt ist. Der Gaseinlaß kann insbesondere an der der Lanze 18 gegenüber­ liegenden Wandung des Gehäuses angeordnet sein und sich im wesentlichen konzentrisch zur Lanze 18 erstrecken. Zweck­ mäßigerweise ist in diesem Falle ferner im Bereich der Mündung des Gaseinlasses eine Prallplatte vorgesehen. Somit kommt der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Zusatzfunktion zu, da sowohl flüssige als auch gasförmige Reaktanden zugeleitet und in den überhitzten Zustand versetzt werden können. Das jeweils entstandene überhitzte Gas wird über den Gasauslaß 22 als gemeinsamen Auslaß abgeführt.

Der Gaseinlaß kann ebenfalls in derselben Wandung des Gehäuses 12 wie die Lanze 18 angeordnet sein. In diesem Falle bietet es sich an, die Lanze 19 im Innern des mit einem größeren Durch­ messer ausgebildeten Gaseinlasses zu führen.

Das Gehäuse 12 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Praxis aus einer Mehrzahl von dicht abschliessenden, parallel aufeinander gelegten preßgeformten Blechplatten geformt. Der Wärmetauscher 14 kann hierbei auf einem in das Gehäuse 12 eingebrachten Halteblech 30 befestigt sein.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere als Verdampfer für ein Reformierungs- bzw. Brennstoffzellensystem. Als besonders vorteilhaft erweist sich, daß drei Funktionen, nämlich Verdampfungsfunktion, Überhitzungsfunktion, sowie Gaserhitzungsfunktion in einem Bauteil integrierbar sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erweist sich als relativ un­ empfindlich gegenüber verschmutzten Reaktanden bzw. Treib­ stoffen. Sie weist eine hohe Dynamik auf, da bei Lastwechseln in der flüssigen Phase keine Volumenänderungen auftreten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet einen modularen Aufbau, beispielsweise kann die als Verdampfer eingesetzte Vorrichtung in den gleichen Wärmetauscher integriert werden, wie ein Reformer oder CO-Oxidator.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist der Fachmann in der Lage, weitere, den Erfindungsgedanken verwirk­ lichende Ausgestaltungen zu schaffen. So ist es beispielsweise möglich, anstatt eines Plattenwärmetauschers andere an sich bekannte Wärmetauscher zu verwenden, wie beispielsweise einen Rohrwärmetauscher. Des weiteren muß der Gasauslaß nicht notwendigerweise unterhalb des Wärmetauschers angeordnet sein, sondern kann auch in anderen strömungsgünstigen Bereichen des Gehäuses der Vorrichtung angeordnet sein. Zur Erzielung eines besonders breiten Dynamikbereiches der Verdampferleistung können mehrere, in dem Gehäuse verteilt angeordnete Einsprüh- Lanzen vorgesehen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einem integrierten Gaserzeugungssystem für Brennstoffzellen für mobile Anwendungen.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Verdampfen und/oder Erhitzen, insbesondere Überhitzen, eines flüssigen oder gasförmigen Reaktand-Mas­ senstroms mit einem Gehäuse (12), in dem eine Verdampfungs- und/oder Erhitzungseinheit aus einem an sich bekannten Wär­ metauscher (14), welcher eine Anzahl von Strömungskanälen und zwischen den Strömungskanälen (17) ausgebildeten Heiz­ kanälen (16) aufweist, angeordnet ist, wobei der Reaktand- Massenstrom über einen Einlasskanal, insbesondere eine Lanze (18), zum fein verteilten Einsprühen des Reaktand-Massen­ stroms in die Strömungskanäle (17) einführbar und über einen Gasauslass (22) für verdampftes oder überhitztes Gas aus­ lassbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungskanäle (17) und/oder die Heizkanäle (16) erste Bereiche mit einem bezüglich zweiten Bereich relativ niedrigen, und zweite Bereiche mit bezüglich den ersten Be­ reichen relativ hohen Strömungswiderstand für den die Strö­ mungskanäle (17) durchströmenden Reaktand-Massenstrom und/ oder ein die Heizkanäle (16) durchströmendes Heizmedium auf­ weisen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkanäle (16) mittels Verbrennung, insbesondere katalytischer Verbrennung, des durchströmenden Heizmediums beheizbar sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche relativ hohen Strömungswiderstands durch Befüllung der Strömungskanäle (17) und/oder der Heizkanäle (16) jeweils mittels einer gasdurchlässigen Flüssigkeit oder eines gasdurchlässigen Feststoffes (17a, 16a) realisiert sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdurchlässige Feststoff jeweils ein Sintermetall (17a, 16a) ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der gasdurchlässige Feststoff jeweils eine Schüttung eines im wesentlichen in pulverförmiger und/oder körniger Form vorliegenden Werkstoffs, insbesondere eine Schüttung von Siedesteinen, ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche relativ hohen Strömungswiderstands wenigs­ tens im stromabwärtigen Bereich des Wärmetauschers (14), insbesondere im Auslaßbereich des Wärmetauschers (14), vor­ gesehen sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche relativ hohen Strömungswiderstands wenigs­ tens im Einlaßbereich des Wärmetauschers (14) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche relativ hohen Strömungswiderstands aus­ schließlich in den Strömungskanälen (17) oder in den Heiz­ kanälen (16) ausgebildet sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mit dem Einlassbereich des Wärmetauschers (14) kommunizierenden Einlasskanal für einen zu überhitzenden gasförmigen Reaktand-Massenstrom.