DE19945978A1 - Fluidverteilungsrahmen für Mehrkammerstacks - Google Patents

Fluidverteilungsrahmen für Mehrkammerstacks

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Gestaltung von Fluidverteilungsrahmen für Mehrkammerstacks zur gleichmäßigen Verteilung von Fluidströmen auf verschiedene Kammern. Dabei besteht die Aufgabe, die einzelnen Fluidströme so über die Kammerbreite zu verteilen, daß die Durchströmung der Kammern vollständig und gleichmäßig erfolgt und gleichzeitig jedes Leck zwischen den einzelnen Fluidströmen verhindert wird. DOLLAR A Diese Aufgabe wird mit dem nachstehend gezeigten Verteilungsrahmen wie folgt gelöst: DOLLAR A Die Fluidzu- und -abfuhr erfolgt durch Verteilungskanäle (1), (11) im Verteilungsrahmen (2) und Eintritts- bzw. Austrittsöffnungen (3), (9), die in Einsätze (13) eingearbeitet sein können, welche nach beiden Seiten durchgehende Deckflächen besitzen. Die Zufuhr erfolgt zunächst in eine Vorkammer (4), die Abfuhr über eine Nachkammer (8), die zur Kammer (10) durch Strömungsverteiler (5) bzw. Strömungssammler (7) begrenzt werden und entweder im Verteilungsrahmen (2) integriert oder mit diesem verbunden sind. Öffnungen (6) in diesen Verteilern/Sammlern sorgen für eine gleichmäßige Verteilung in die und Abfuhr aus der Kammer (10).

Description

In Parallelplattenapparaten wie beispielsweise Membranstacks, Brennstoffzellenstacks oder Plattenwärmetauschern müssen unterschiedliche Prozeßströme möglichst gleichmäßig auf verschiedene Kammern verteilt werden. Eine Vielzahl von Grundeinheiten mit sich wieder­ holenden Kammerabfolgen werden üblicherweise in einem Stack zusammengefaßt. Die einzelnen Kammern werden dabei in der Regel von Rahmenplatten (2) gebildet, die zwischen zwei Endplatten eingespannt sind und neben den Aussparungen für die eigentlichen Kammern (10) Verteilersysteme zur Zu- und Abführung der Prozeßströme und Spacer (12) zur Ab­ standshaltung enthalten. Zwischen den Rahmenplatten können z. B. Membranen eingespannt werden, über die einzelne Komponenten selektiv von einem in einen anderen Prozeßstrom überführt werden (Membrantrennverfahren).
Die Kammern müssen untereinander dicht sein, um eine Vermischung bzw. Kontamination der Einzelströme sowie Leckage zu verhindern. Gängige Dichtvarianten sind Flach- oder O- Ringdichtungen bzw. selbstdichtende oder mit den Membranen verklebte Rahmen. Durchge­ setzt hat sich auch eine möglichst einfache, universell einsetzbare Rahmengestaltung, mit der sich durch Drehen oder Wenden ein und desselben Rahmens möglichst viele verschiedene Verschaltungsvarianten realisieren lassen.
Die gleichmäßige Versorgung der Einzelkammern wird meist über die Endplatten mittels durch alle Rahmen gehende Versorgungsbohrungen (1) realisiert, von denen in jedem Rahmen eine oder mehrere Zuführungen (3) zu den einzelnen Kammern (10) abgehen.
Die über den Kammerquerschnitt gleichmäßige Verteilung der Ströme ist zur Gewährleistung homogener Strömungsverhältnisse in der Kammer und zur Erzielung einheitlicher Verweil­ zeiten unabdingbar. Übliche Rahmenkonzepte tragen dem durch eine Vielzahl von Versor­ gungsbohrungen (1) über der Kammerbreite Rechnung, oder nehmen eine schlechte Vertei­ lung zugunsten einer möglichst einfachen Rahmengestaltung in Kauf.
Insbesondere bei dünnen Rahmen hat sich aus fertigungstechnischen Gründen eine "offene Ausführung" der Kammerzu- und Abführungen durchgesetzt, d. h. die Versorgungskanäle (3) sind entweder einseitig in die Platten eingefräst, oder die Platten sind an den entsprechenden Stellen vollständig freigebrochen und werden mit Flachdichtungen abgedeckt. Die mangelnde Pressung der Dichtung in diesem kritischen Bereich hat interne Leckagen zur Folge.
Damit ergibt sich die Aufgabe, die oben angeführten Nachteile gängiger Rahmenkonzepte, wie interne Leckage bzw. ungleichmäßige Strömungsverteilung über den Querschnitt der Kammern zu beseitigen, ohne die Vorteile einer einfachen und flexibel verwendbaren Rahmengeometrie zu beschneiden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß wie folgt gelöst:
Die in Fig. 1 dargestellte Prinzipskizze der Erfindung zeigt einen durchströmten Fluidver­ teilungsrahmen (2) mit mehreren Versorgungs- (1) und Abführungskanälen (11), wobei die Zuführung eines Fluidstromes in die Kammer (10) und seine Abführung über einen oder mehrere Versorgungs- (1) bzw. Abführungskanäle (11) erfolgen kann. Über eine oder mehrere Eintrittsöffnungen (3) werden die jeweiligen Prozeßströme zunächst in eine der Hauptkammer (10) vorgeschaltete kleinere Vorkammer (4) geführt, die von der eigentlichen Hauptkammer (10) durch einen Strömungsverteiler (5) getrennt ist. Der Strömungsverteiler (5) enthält mehrere Öffnungen, die der gleichmäßigen Verteilung des Fluids dienen. Durch gezielte Erzeugung eines geringen, definierten Druckverlustes im Strömungsverteiler (5), der größer sein muß als der Druckverlust zur Durchströmung der Vorkammer (4) bzw. der Nachkammer (8) erreicht man eine Vergleichmäßigung der Strömung über den Querschnitt der Hauptkammer (10). Entsprechend befindet sich am Austritt der Hauptkammer ein Strömungssammler (7), der die Hauptkammer von einer Nachkammer (8) trennt und für einen gleichmäßigen Abstrom aus der Kammer sorgt. Über eine oder mehrere Austrittsöffnungen (9) wird das Fluid dem oder den Abführungskanälen (11) zugeführt, durch die es den Stack verläßt. Diese Anordnung erlaubt es den Rahmen auch in umgekehrter Richtung zu durch­ strömen. Optional ist auch eine Ausführung ohne den Strömungssammler (7) und die Nachkammer (8) durch eine geeignete Gestaltung des Ablaufs (9) möglich. In der Haupt­ kammer (10) können zudem Abstandshalter bzw. Turbulenzpromotoren (Spacer) (12) eingebracht und mit dem Rahmen (2) bzw. den Strömungsverteilern (5) und (7) verbunden werden.
Die Rahmen (2), die Strömungsverteiler (5), (7) und die Abstandshalter (12), die aus Flach­ material gefertigt werden, oder durch Urformen erzeugt und gegebenenfalls nachbearbeitet werden, können entweder aus einem Teil gefertigt oder aus mehreren Teilen zusammenge­ setzt und miteinander verbunden werden. Als Werkstoffe kommen Polymere, Metalle, Keramikmaterialien oder dichte Kohlenstoffmodifikationen sowie Kombinationen dieser Materialien in Frage. Sowohl die Zu- (3) und Abführungsöffnungen (9) als auch die Strö­ mungsverteiler (5), (7) können entweder in den Rahmen (2) oder aber in separate Einsätze (5), (13) integriert sein, die mit dem Rahmen in geeigneter Weise verbunden werden.
Die Fig. 2 und 3 zeigen als Beispiel den gleichen Rahmen (2), in dem einmal aus dem linken Versorgungskanal (1) und einmal aus dem mittleren Kanal verteilt werden soll. Bei der Verteilung aus dem linken Versorgungskanal wird ein Strömungsverteiler (5) benutzt, dessen Durchtrittswiderstand von links nach rechts abnimmt. Dies ist in Fig. 2 dadurch erreicht, daß sich die Länge der Öffnungen (6) über der Kammerbreite ändert. Statt dessen kann auch der Abstand und/oder Durchmesser der Öffnungen über der Kammerbreite verändert werden. Bei Verteilung aus dem rechten Versorgungskanal (1) kann der gleiche Strömungsverteiler (5) spiegelbildlich eingebaut werden. Bei Verteilung aus dem mittleren Versorgungskanal (1) käme z. B. ein Strömungsverteiler (5) mit einer Form gemäß Fig. 3 in Frage.
Um ein Eindrücken von Membranen in die Öffnung der Vorkammer (4) oder der Nachkam­ mer (8) zu vermeiden, kann diese teilweise oder vollständig in den der Kammer (10) zuge­ wandten Teil des Verteilungsrahmens (2) oder vorteilhaft in den Strömungsverteiler (5) bzw. den Strömungssammler (7) eingearbeitet werden. Fig. 4 zeigt eine entsprechende Ausge­ staltung, bei der ein aus zwei Hälften bestehender Strömungsverteiler mit einer integrierten Vorkammer eingesetzt wird. Dabei sind die Vorkammer (4) und die Öffnungen (6) in eine der beiden oder in beide Hälften eingearbeitet, so daß sich durch Zusammenklappen beider Hälften und Einpassen in die entsprechenden Öffnungen des Verteilungsrahmens (2) der dargestellte Aufbau ergibt. Die sich aus beiden Hälften des Strömungsverteilers (5) ergebende Gesamtdicke muß dabei der Rahmendicke entsprechen. Die Aussparung (4) für die Vorkam­ mer und die Größe der Durchtrittsöffnungen (6) sind dabei wieder so zu wählen, daß der Strömungsdruckverlust durch die Vorkammer (4) kleiner ist, als der durch die Durchtrittsöff­ nungen (6), so daß eine gleichmäßige Verteilung über der Kammerbreite erfolgt.
Zur einfacheren Herstellung können die Öffnungen (3) bzw. (9) von den Versorgungskanälen zu den Kammern (10) in Einsätze (13) integriert werden, die in entsprechende Aussparungen im Rahmen (2) eingepaßt werden. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform.
In einer zweiteiligen Ausführungsform können die Einsätze (13) der Versorgungs- bzw. Abführungskanäle (1), (11) oder die Strömungsverteiler (5) bzw. Sammler (6) aus Flachmate­ rial gefertigt werden, in das die Strömungskanäle (3), (6), (9) so eingearbeitet sind, daß sich nach außen jeweils glatte, durchgehende Deckflächen ergeben und die Gesamtdicke der Rahmendicke entspricht. Eine nach außen ebene Deckfläche ist für die Einsätze (13) der Versorgungs- und Abführungskanäle essentiell, um Leckagen zu vermeiden, die entstehen würden, wenn sich flexible Membranen oder Flachdichtungen in an der Oberfläche befindli­ che Aussparungen eindrücken. Fig. 6 zeigt eine mögliche Ausführungsform für den Einsatz (13) von Fig. 5. Anstelle der geraden Kanäle können auch Noppen oder andere Distanzhal­ ter eingearbeitet oder eingelegt sein, die die beiden Hälften auf dem erforderlichen Abstand halten.
In Fig. 7 ist die Möglichkeit dargestellt, die Einsätze (13) und die Strömungsverteiler (5), (7) zu einem Teil (14) zusammenzufassen, das auch die Vor- bzw. Nachkammer (4), (8) enthalten kann.
Die Strömungsverteiler (5), (7) und die Einsätze (13) oder (14) können auch ganz oder teilweise aus porösem Material (z. B. Sintermaterial) hergestellt werden. Des weiteren lassen sich, wie in Fig. 7 dargestellt, Strömungseinbauten (15) oder Turbulenzpromotoren (12) in die Vorkammer (4) bzw. die Nachkammer (8) einbringen oder in die Strömungsverteiler (5), (7) bzw. die Einsätze (13) oder (14) integrieren bzw. mit diesen verbinden.
Wenn der Verteilungsrahmen (2) hinreichend schmal ist, oder das Fluid über mehrere Versorgungs- bzw. Abführungskanäle (1), (11) zu- bzw. abgeführt wird, kann auch die in Fig. 8 gezeigte Fluidverteilung zweckmäßig sein. Dabei wird ein aus zwei Hälften zusam­ mengesetzter Fluidverteiler eingesetzt, der ähnlich wie in Fig. 7 die verschiedenen Verteil­ funktionen integriert. Im Gegensatz zu Fig. 7 kann dabei die Vorkammer (4) entfallen, wenn durch entsprechende Gestaltung der Strömungswege im integrierten Einsatz (16) eine ausreichende Querverteilung der Strömung erfolgt. In Fig. 8 wird dies durch Einkerbungen bewirkt, die in beiden Hälften kreuzweise zueinander verlaufen und einen Winkel zur Rahmenachse von vorzugsweise 30-60° einnehmen. Alternativ kann die Verteilung auch durch versetzt angeordnete Abstandsnoppen erfolgen. Für den Ablauf kann ein entsprechen­ des Teil zum Einsatz kommen.
Bezeichnungsliste
1
Versorgungskanäle durch den Verteilungsrahmen (
2
)
2
Verteilungsrahmen
3
Eintrittsöffnungen der Zuführungskanäle zur Kammer (
10
)
4
Vorkammer (Strömungseintritt)
5
Strömungsverteiler aus der Vorkammer (Strömungseintritt)
6
Öffnungen im Strömungsverteiler (
5
) oder -sammler (
7
)
7
Strömungssammler nach Kammer (
10
)
8
Nachkammer (Strömungsaustritt)
9
Austrittsöffnungen zu den Abführungskanälen (
11
)
10
Kammer
11
Abführungskanäle
12
Abstandhalter ("Spacer") in Kammer
10
oder Vorkammer (
4
), (
8
)
13
Einsätze für Zuführungs- (
1
) bzw. Abführungskanäle (
11
)
14
Integrierte Einsätze zur Strömungsverteilung/-sammlung und Zu-/Abführung
15
Strömungseinbauten
16
Integrierte Einsätze zur Strömungsverteilung/-sammlung und Zu-/Abführung mit ge­ kreuzten Kanälen

Claims (18)

1. Fluidverteilungsrahmen für Membranstapel- oder Parallelplattenapparate zur gleichmäßi­ gen Zu- und Abfuhr der benötigten Fluidströme in/aus Fluidkompartments (10), dadurch gekennzeichnet, daß die Fluide aus einem oder mehreren Versorgungskanälen (1) in den Verteilungsrahmen (2) zunächst über eine oder mehrere Eintrittsöffnungen (3) in eine oder mehrere Vorkammern (4) gelangen, die sich zusammen über die Breite der aktiven Kom­ partmentfläche erstrecken und aus dieser Vorkammer über einen mit dem Rahmen (2) verbundenen Strömungsverteiler (5) gleichmäßig über die Breite der aktiven Fläche der Kammer (10) verteilt werden, wobei die Verteilung durch Öffnungen (6) im Strömungs­ verteiler (5) erfolgt, deren Gesamtquerschnitt so gestaltet ist, daß sie dem Fluid einen Strömungswiderstand entgegensetzen, der größer ist, als der Durchströmungswiderstand der Vorkammer (4) und das austretende Fluid in analoger Weise die Kammer (10) über den Strömungsverteiler (7), die Nachkammer (8) und Austrittsöffnungen (9) über die Abführungskanäle (11) wieder verläßt.
2. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist, die fluiddicht miteinander verbunden werden und die die Kanäle (3) und (9) und die Öffnungen (6) in den Strömungsverteilern (5) und (7) freilassen.
3. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Vorkammern (4) und (8), die Art der Öffnungen (6) und die Form der Strömungsver­ teiler (5) und (7) so gestaltet werden, daß sich eine über die Breite der Kammer (10) gleichmäßige Verteilung des eintretenden und ein gleichmäßiger Abzug des austretenden Fluids ergibt.
4. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteiler (5) und (7) unabhängig vom übrigen Fluidverteilungsrahmen (2) in gleicher Dicke wie dieser hergestellt werden, so daß unterschiedliche Formen der Strö­ mungsverteiler gewählt und mit dem Rahmen verbunden werden können, je nachdem über welche Zuführungs- (1) oder Abführungskanäle (11) die Verteilung bzw. Sammlung des Fluids erfolgen soll.
5. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (3) von den Versorgungskanälen (1) zu den Vorkammern (4) bzw. von den Austrittsöff­ nungen (8) zu den Abführungskanälen (11) in Einsätze (13) eingearbeitet werden, die unabhängig von den Fluidverteilungsrahmen (2) hergestellt und später in geeigneter Wei­ se mit diesem verbunden bzw. in diesen eingepaßt werden.
6. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteiler (5) und (7) bzw. die Einsätze (13) zu einem Teil (14) zusammengefaßt werden, welches die Vorkammer (4) bzw. die Nachkammer (8) enthalten kann und in geeigneter Weise mit dem Rahmen (2) verbunden wird.
7. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteiler (5) bzw. (7) und die Einsätze (13) oder (14) aus mehreren Teilen von zusammen gleicher Dicke wie der Rahmen (2) zusammengesetzt sind, in die die Durch­ trittsöffnungen (3), (6), (9) eingearbeitet sind.
8. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (3) vollständig innerhalb des Rahmens (2) bzw. der Einsätze (13) oder (14) verlaufen, so daß sich auf beiden Seiten geschlossene Oberflächen ergeben.
9. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsverteiler (5) und (7) bzw. die Einsätze (13) oder (14) ganz oder teilweise aus einem porösen Material hergestellt werden (z. B. Sinter-, Gewebe-, Geflecht-, Pressmateri­ al).
10. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Werkstoffe Polymere, Metalle, Keramikmaterialien oder dichte Kohlenstoffmodifikatio­ nen sowie Kombinationen dieser Materialien eingesetzt werden.
11. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rahmen (2) oder Teile davon aus Flachmaterial gefertigt werden oder durch Urformen (wie (Spritz-) Gießen etc.) erzeugt und gegebenenfalls nachbearbeitet werden.
12. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverteiler am Austritt (7) und die Austrittskammer (8) fehlen, so daß der Ablauf aus der Kammer (10) direkt in die geeignet gestalteten Austrittsöffnungen (9) erfolgt.
13. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkammern (4) und (8) mit Strömungseinbauten (15) versehen sind oder Abstandshal­ ter/Turbulenzpromotoren (12) enthalten.
14. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptkammer (10) einen oder mehrere Abstandshalter/Turbulenzpromotoren (12) bzw. Strömungseinbauten enthält.
15. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ standshalter/Turbulenzpromotoren (12) in den Rahmen (2) oder die Strömungsverteiler (5), (7) integriert oder auf sonstige Weise mit diesen verbunden sind.
16. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor­ kammer (4) bzw. die Nachkammer (8) ganz oder teilweise in den Rahmen (2) oder in die Strömungsverteiler (5) bzw. den Strömungssammler (7) eingearbeitet sind, so daß der offene Spalt (4) bzw. (8) zwischen dem Rahmen (2) und dem Strömungsverteiler (5) bzw. (7) sehr klein wird oder verschwindet.
17. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (3), (6), (9) so in die zwei Hälften der Einsätze (13) bzw. (14) eingebracht sind, daß sich gekreuzte, zueinander offene Kanäle ergeben, die vorzugsweise im Winkel von 30-60° zur Rahmenachse verlaufen.
18. Fluidverteilungsrahmen nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Öffnungen (3), (6), (9) dadurch ergeben, daß in die beiden Hälften jeweils in Strömungs­ richtung versetzte Abstandsnoppen eingebracht oder eingelegt sind.
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