DE19909725C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Förderung einer Flüssigkeit - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Förderung einer Flüssigkeit

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Förde­ rung wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit aus einem Speicher in einen Verdampfungsbereich nach dem Oberbegriff des Patentsanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Die Gewinnung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenwasserstoffderivaten ist bekannt. Bei Verwendung von Methanol basiert die Gewinnung auf der Gesamtreaktion CH3OH + H2O → CO2 + 3 H2. Zur Durchführung dieser Reaktion wird in der Praxis ein Kohlewasserstoffderivat und Wasserdampf umfassendes Reaktionsgemisch unter Zufuhr von Wärme an einem geeigneten Katalysator entlanggeleitet, um in einem zwei- oder mehrstufi­ gen Reaktionsablauf den gewünschten Wasserstoff zu erzeugen. Das katalytische Material ist typischerweise in einem als Ge­ häuse dienenden Reformer bzw. Reaktor vorgesehen.
Vorrichtungen zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas bzw. Wasserstoff finden beispielsweise in der Brennstoffzellentech­ nik Verwendung. Aus der US 4,670,359 ist es bekannt, ein Methanol-Wasser-Gemisch in einem Verdampfer zu verdampfen und anschließend über Leitungen einem Brenner bzw. Überhitzer zu­ zuführen, bei dem der erzeugte Dampf in einen überhitzten Zu­ stand überführt wird.
Für zahlreiche Anwendungen ist es notwendig, sehr kleine Mengen an Wasserstoff zu erzeugen, so daß es zweckmäßig ist, ent­ sprechend kleine Mengen an zu reagierenden Flüssigkeiten, bei­ spielsweise Wasser zusammen mit einem geeigneten Kohlenwasser­ stoff, insbesondere Methanol, dem Umwandlungsprozess zuzu­ führen. Neben einem kleinen und kompakten Aufbau wird an das Fördersystem zusätzlich die Forderung einer kostengünstigen Herstellung gestellt.
Es sind aus dem Stand der Technik relativ groß bauende und kostenaufwendige Ventildosierungs- und Einspritzsysteme mit gepulsten Einspritzraten bekannt. Mittels derartiger Systeme werden die zunächst zu verdampfenden Komponenten eines Reaktionsgemisches aus jeweiligen Speicherbereichen einem gemeinsamen Verdampfungsraum zugeführt. Es sind in diesem Zusammenhang, beispielsweise hergestellt durch das Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM) Mikro Pumpen bekannt, welche anstreben, Vorgehensweisen der herkömmlichen Pumpentechnik auf die Mikrotechnik zu übertragen, was sich jedoch in der Praxis als relativ aufwendig erweist.
Aus der DE 90 02 647 U1 ist eine Vorrichtung zur Entnahme von kleinen Mengen einer tiefsiedenden Flüssigkeit bekannt. Dabei wird durch eine Beheizung der Flüssigkeit der Innendruck in einem die Flüssigkeit aufweisenden Behälter erhöht. Verdampfte Flüssigkeit gelangt durch eine Gasdicht mit dem Behälter verbundenes Entnahmerohr.
In der DE 82 35 550 C ist ein automatischer Antrieb für Schmieröl­ kolbenpumpen und Kolbenfettpressen beschreiben. Der Antrieb erfolgt durch einen mit Heizung versehenen intermittierenden Gas- oder Flüssigkeitskolbenmotor dessen Heizung selbsttätig ein- und ausschaltet.
Die CH 579 220 A5 beschreibt eine Pumpenanlage welche insbesondere zum Absenken des Grundwasserspiegels geeignet sei. In dieser Pumpenanlage weist die Pumpe eine Gehäuse auf, das an der Unterseite einen mit einem Rückschlagventil versehenen Einlass, an der Oberseite einen mit einem Rückschlagventil versehenen Auslass und eine Öffnung zum taktweisen zuführen eines Druckmediums aufweist. Die Pumpenanlage umfasst weiterhin eine im Auslass des Gehäuses befestigtes Steigrohr, das in das Gehäuse hineinragt sowie ein in die Öffnung eingeführtes Rohr, das das Gehäuse mit einer Druckquelle verbindet. In dem Gehäuse sind Mittel, z. B. Membranen, vorgesehen, welche die Menge des Druckmediums pro Arbeitstakt begrenzen, so dass kein Druck­ medium in das Steigrohr eindringt.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer unaufwendigen Vorrichtung bzw. eines entsprechenden Verfahrens zur Förderung von Flüssigkeiten, insbesondere kleinen Mengen von Flüssigkeiten.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Förderung wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit aus einem Speicherbereich in einen Verdampfungsbereich mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein entsprechendes Verfahren zur Förderung von wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit aus einem Speicherbereich in einem Verdampfungsbereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen sehr kompakten Aufbau sowie eine sehr preisgünstige Herstellung aus. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in sehr einfacher und zuverlässiger Weise kleinste Mengen zu verdampfender Flüssigkeiten förderbar. Insbesondere die Verbindung von wenigstens zwei Speicherbereichen für unterschiedliche Flüssigkeiten mit einem gemeinsamen Verdampfungsraum ist mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in besonders kompakter und einfacher Weise realisierbar.
Dabei erfolgt die Druck- bzw. Temperaturerhöhung in dem Speicherbereich durch Erwärmen eines in dem Speicherbereich befindlichen Fluids. Es ist möglich, als zu erwärmendes Fluid die zu fördernde Flüssigkeit selbst zu verwenden. In diesem Fall ist eine entsprechende Ausgestaltung des Speicherbereichs (beispielsweise mit einem relativ hohen Füllpegel) vorzunehmen.
Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Fluid um ein zusätzlich zu der zu fördernden Flüssigkeit in dem Speicherbereich befindlichen Gas, insbesondere Luft. Beispielsweise durch Erwärmung dehnt sich dieses Gas aus und drängt die zu fördernde Flüssigkeit in den Zuleitungsbereich und den mit diesem kommunizierenden Verdampfungsraum.
Gemäß der erfindungsgemäßen Vorrichtung weisen diese Mittel zum Erwärmen eines mit dem Speicherbereich mittels eines Druck­ erzeugungsmechanismus in Wirkverbindung stehenden weiteren Fluids auf. Durch diese Maßnahme ist es möglich, Fluide zu erwärmen, welche besonders günstige Ausdehnungseigenschaften aufweisen (insbesondere eine leicht zu verdampfende Flüssigkeit oder ein Gas mit geeigneten Ausdehnungseigenschaften), ohne daß diese mit der zu verdampfenden Flüssigkeit in Berührung kommen.
Zweckmäßigerweise weist der Druckerzeugungsmechanismus einen beweglichen Kolben auf, welcher zwischen dem Speicherbereich und einem Ausdehnungsbereich, in welchem das weitere Fluid erwärmbar ist, ausgebildet ist. Mittels eines derartigen Kolbenmechanismus ist eine Beaufschlagung des Speicherbereichs mit Druck in sehr einfacher Weise möglich.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die jeweilige Erwärmung, d. h. die Erwärmung des Speicherbereichs bzw. des Ausdehnungsbereichs bzw. der in diesem vorgesehenen Fluide, mittels elektischer Heizmittel. Derartige Heizmittel sind in sehr preiswerter Weise verfügbar, bauen sehr klein, und erweisen sich in der Praxis als sehr robust.
Zweckmäßigerweise ist in dem Speicherbereich oder dem Ausdehnungsbereich ein Druckventil zur Einstellung einer maximal förderbaren Flüssigkeitsmenge vorgesehen. Ein derartiges Ventil öffnet sich bei Erreichen eines bestimmten Drucks, so daß dieser bestimmte Druck nicht überschritten werden kann und somit die Fördermenge konstant gehalten werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zweckmäßigerweise Mittel zur Unterbrechung der Förderung der zu fördernden Flüssigkeit auf. Zu diesem Zwecke kann es vorgesehen sein, daß die Förderung der Flüssigkeit dadurch unterbrochen wird, daß ihr Niveau bzw. Pegel unter das Niveau des in Form eines Strömungskanals ausgebildeten Zuleitungsbereichs abgesenkt wird. Es ist ferner möglich, die Förderung dadurch zu unterbrechen, daß zwischen Speicher- und Verdampfungsbereich ein Schieber geschlossen wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren werden nun anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen erläutert. In dieser zeigt
Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Förderung von zu verdampfenden Flüssigkeiten aus einem Speicherbereich in einen Verdampfungsbereich in einer schematischen Schnittansicht.
In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen schematischen Ansicht dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 weist ein Gehäuse 1 auf, in welches zwei Speicherbereiche zur Speicherung jeweils zu fördernder Flüssigkeiten ausgebildet sind. Die Speicherbereiche sind mit Bezugsziffern 2, 3, die entsprechenden Flüssigkeiten mit 2a, 3a bezeichnet. Die Speicherbereiche 2, 3 sind derart ausgelegt, daß oberhalb des jeweiligen Flüssigkeitspiegel der Flüssigkeiten 2a, 3a ein Luft- bzw. Gasraum verbleibt. Mittels jeweils verschiebbarer Kolben 4, 5 ist der Druck in den jeweiligen Speicherbereichen 2, 3 varierbar. Die Kolben 4, 5 trennen die Speicherbereiche 2 bzw. 3 jeweils von Ausdehnungsbereichen 6, 7, welche jeweils mittels schematisch dargestellter elektrischer Heizungsmittel 8, 9 beheizbar sind. Im Falle einer Beheizung der Ausdehnungsräume 6 bzw. 7 mittels der Heizmittel 8, 9 expandiert ein in den Ausdehnungsräumen 6, 7 befindliches Fluid, wodurch die jeweiligen Kolben 4, 5 in der Zeichnung nach rechts bzw. nach links verschoben werden. Hierdurch erhöht sich der in den jeweiligen Speicherbereichen 2, 3 herrschende Druck, wodurch die Flüssigkeiten 2a bzw. 3a in mit 11 bezeichnete Strömungskanäle gedrängt bzw. gefördert werden.
Die Strömungskanäle 11 erstrecken sich von den Speicherbereichen durch ein Isolierelement 12 hindurch in einen Verdampfungsbereich 13, welcher von einem Gehäuse 14 umschlossen wird. In dem Gehäuse 14 sind Heizungsmittel 15 vorgesehen. Das Gehäuse 14 weist zur Ausgabe von verdampfter Flüssigkeit bzw. Gas einen Gasauslaß 16 auf.
Wie erwähnt, erstrecken sich die Strömungskanäle 11 von den Speicherbereichen 2, 3 in den Verdampfungsbereich 13. Bei ausreichender Druckerzeugung in den jeweiligen Speicherbereichen 2, 3 werden die Flüssigkeiten 2a, 3a daher über die entsprechenden Strömungskanäle 11 in den Verdampfungsraum gefördert, wo sie anschließend (durch Erwärmung des Verdampfungsbereichs mittels der Heizungsmittel 15) verdampfbar sind.
Es sei angemerkt, daß die Beaufschlagung der Speicherbereiche 2, 3 mit den jeweiligen Kolben 4, 5 zur Erhöhung des Drucks auch dadurch erfolgen kann, daß die Kolben 4, 5 direkt auf die zu verdampfenden Flüssigkeiten 2a, 3a einwirken. Es wäre ferner gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, lediglich über eine Erwärmung des Speicherbereiches 2 bzw. 3 (Erwärmung der zu verdampfenden Flüssigkeit bzw. eines über der zu verdampfenden Flüssigkeit befindlichen Gases) die gewünschte Druckerhöhung zur Einleitung der Förderung der Flüssigkeiten 2a bzw. 3a durch die Strömungs- bzw. Förderkanäle 11 zu erzielen.
Die Ausdehnungsbereiche 6, 7 sind jeweils mit einer isolierenden Ummantelung 20 bzw. 21 umgeben. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der mittels der Heizmittel 8, 9 zugeführten Wärme erhöht werden.
Die Ausdehnungsbereich 6 bzw. 7 sind jeweils mit einem Druckbegrenzungsventil 22, 23 ausgebildet. Hierdurch ist die maximalförderbare Flüssigkeitsmenge begrenzbar, da die Ventile bei Erreichen eines entsprechenden Drucks öffnen, und somit den Druck in den Speicherbereichn 2, 3 und damit die geförderte Flüssigkeitsmenge konstant halten.
Die Flüssigkeitsförderung von den Speicherbereichen 2, 3 in den Verdampfungsbereich 13 kann dadurch unterbrochen werden, daß der Pegel der zu fördernden Flüssigkeit unter das untere Ende der jeweiligen Strömungskanäle 11, welche in der Fig. 1 jeweils mit Bezugsziffer 11a bezeichnet sind, abgesenkt wird. Auch eine Anhebung der Strömungskanäle 11 über einen herrschenden Flüssigkeitspegel ist denkbar. Es ist ferner möglich, die Förderung mittels (nicht dargestellter) Schieber, welche beispielsweise die Strömungskanäle 11 öffnen bzw. schließen, zu regeln bzw. zu unterbrechen.
Die dargestellte Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Förerung kleiner Mengen beispielsweise von Wasserstoff (Flüssigkeit 2a) und Kohlenwasserstoff, insbesondere Methanol, (Flüssigkeit 3a) in einen Verdampfungsraum. Ein derartiges Wasser-Kohlenwasserstoff-Gemisch ist in dem Verdampfungsraum 13 in einfacher und genau dosierbarer Weise verdampfbar, und anschließend, beispielsweise im Zuge einer Wasserstoff- Reformierung, über den Auslaßkanal 16 Reformierungsmitteln zum Reformieren des erzeugten Dampfs unter Herstellung von Wasserstoff zuführbar.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Förderung von wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit (2a, 3a) aus einem Speicherbereich (2, 3) in einen Verdampfungsbereich (13) mit einem in Form wenigsten eines Strömungskanals ausgebildeten, den Speicherbereich (2, 3) und den Verdampfungsbereich (13) verbindenden Zuleitungsbereich (11), mit Mitteln (4, 8, 5, 9) zur Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur in dem Speicherbereich (2, 3) zur Förderung der in dem Speicherbereich befindlichen Flüssigkeit (2a, 3a) in den Zuleitungsbereich (11) und den mit dem Zuleitungsbereich (11) verbundenen Verdampfungsbereich (13) gekennzeichnet durch Mittel (8, 9) zum Erwärmen eines mit dem Speicherbereich (2, 3) mittels einem Druckerzeugungsmechanismus (4, 5) in Wirkverbindung stehenden Fluids, wobei der Druckerzeugungsmechanismus einen beweglichen Kolben (4, 5) aufweist, welcher zwischen dem Speicherbereich (2, 3) und einem Ausdehnungsbereich (6, 7), in welchem das weitere Fluid erwärmbar ist, ausgebildet ist, wobei zur Einstellung einer maximal förderbaren Flüssigkeitsmenge ein Druckventil (22, 23) mit dem Ausdehnungsraum (6, 7) in Wirkverbindung steht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Erwärmen eines in dem Speicherbereich (2, 3) befindlichen Fluids.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Fluid um die zu fördernde Flüssigkeit (2a, 3a) handelt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Fluid um ein zusätzlich zu der zu fördernden Flüssigkeit (2a, 3a) in dem Speicherraum (2, 3) befindliches Gas handelt.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadu­ rch gekennzeichnet, daß die jeweilige Erwärmung mittels elektrischer Heizmittel (8, 9, 15) durchführbar ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche gekennzeichnet durch Mittel zur Unterbrechung der Förderung der zu fördernden Flüssigkeit (2a, 3a).
7. Verfahren zur Förderung wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit (2a, 3a) aus einem Speicherbereich (2, 3) in einen Verdampfungsbereich (13) über einen in Form eines Strömungskanals (11) ausgebildeten, den Speicherbereich (2, 3) und den Verdampfungsbereich (13) verbindenden Zuleitungsbereich, mit folgenden Schritten:
Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur in dem Speicherbereich (2, 3) zur Förderung der in dem Speicherbereich (2, 3) befindlichen Flüssigkeit in den Zuleitungsbereich (1) und den mit dem Zuleitungsbereich verbundenen Verdampfungsbereich (13),
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur in dem Speicherbereich (2, 3) ein mittels eines Druckerzeugungsmechanismus (4, 8) mit dem Speicherbereich (2, 3) in Wirkverbindung stehendes weiteres Fluid, insbesondere eine leicht verdampfbare Flüssigkeit oder ein Gas mit einem hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten, erwärmt wird, wobei der Druckerzeugungsmechanismus einen beweglichen Kolben (4, 5) aufweist, welcher zwischen dem Speicherbereich (2, 3) und einem Ausdehnungsbereich (6, 7), in welchem das weitere Fluid erwärmbar ist, ausgebildet ist, so daß der Speicherbereich (2, 3) mittels des Kolbens (4, 5) beaufschlagt wird, und wobei der maximale Druck in dem Ausdehnungsbereich (6, 7) über ein Druckventil (22, 23) begrenzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein in dem Speicherbereich (2, 3) befindliches Fluid, insbesondere die zu verdampfende Flüssigkeit und/oder ein zusätzlich zu der zu verdampfenden Flüssigkeit (2a, 3a) in dem Speicherbereich (2, 3) befindliches Gas, erwärmt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Erwärmung mittels elektrischer Heizmittel (8, 9) durchgeführt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterbrechnung der Förderung der zu fördernden Flüssigkeit der Flüssigkeitpegel unter ein unteres Ende (11a) des Strömungskanals (11) abgesenkt wird, bzw. das untere Ende (11a) des Strömungskanals (11) über den Flüssigkeitspegel angehoben wird.
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