EP1134534B1 - Folie für einen aus Folien aufgebauten Verdampfer - Google Patents

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EP1134534B1
EP1134534B1 EP01104843A EP01104843A EP1134534B1 EP 1134534 B1 EP1134534 B1 EP 1134534B1 EP 01104843 A EP01104843 A EP 01104843A EP 01104843 A EP01104843 A EP 01104843A EP 1134534 B1 EP1134534 B1 EP 1134534B1
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EP
European Patent Office
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media
lamina
area
discharge area
evaporator
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EP01104843A
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French (fr)
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EP1134534A1 (de
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Oliver Freitag
Alois Tischler
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Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Original Assignee
Ballard Power Systems AG
Siemens VDO Electric Drives Inc
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0093—Multi-circuit heat-exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat-exchangers for more than two fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D9/00—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D9/0031—Heat-exchange apparatus having stationary plate-like or laminated conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits for one heat-exchange medium being formed by paired plates touching each other

Definitions

  • the invention relates to a film for a film constructed, in particular apprised by an organization, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a computerized physician, a film for a film constructed, in particular impressibly, evaporator for Transfer of a liquid mass flow of media in a gaseous media mass flow according to the preamble Of claim 1 further defined type.
  • a similar, in a similar way from slides constructed catchy evaporator is in DE 44 26 692 C1.
  • the described there, two-stage Evaporator unit serves to transfer one in dependence a load specification adjustable liquid reactant mass flow in a gaseous reactant mass flow, wherein the liquid reactant mass flow with the aid of a heat transfer medium in a first Stage at least partially evaporated and in a second Stage if necessary completely evaporated and subsequently overheated.
  • the evaporator unit by alternately stacking of films with heat transfer channels and of Foils with reaction channels is formed, and that in each case at least a first and a second stage in a foil are integrated, the first stage as Channel with minimized cross-sectional area at the itself formed directly adjacent to the inflow line is, and that the first stage at high heat transfer rates is operated, and further that the total cross section the reaction channels in the second stage in Flow direction increases.
  • the vaporized reactant mass flow from each of the Reaction or media foils in a common collection space emerge in the exit area and from there is via an outlet line of the gaseous reactant mass flow derived.
  • collecting space can be a Mixing of the respective reaction films flowing reactant mass flows come, so that the Output a comparatively evenly vaporized Reactant mass flow is present.
  • the object of the invention an ideal and Therefore, even distribution of the vaporized and the evaporated medium, especially in the exit area the films of a built-up of films evaporator to reach.
  • the exit area is heated in the Area of the media sheets arranged so that the exit area about the pure function of a collection room goes out and a mix of over the Width of the respective media sheet exiting gaseous Media shares in the heated exit area can be done.
  • a film pack 1 is one in its entirety Evaporator not shown recognizable.
  • the evaporator is constructed here say butter which means that the evaporator at least two separate Inputs for two media mass flows, accordingly
  • each of the foil packets 1 has a first media sheet 2 and a second media sheet 3.
  • Between the two media slides 2, 3 is here one Intermediate foil 4 is arranged. These three foils 2, 3, 4 are then combined to form the film package 1.
  • the film package 1 On at least two sides of the film package 1 are then more rooms 5 in which a heating medium flows or in which the thermal energy is used to heat the Foil packages 1 in any other way, for example by catalytic combustion or the like, is made available.
  • a heating medium flows or in which the thermal energy is used to heat the Foil packages 1 in any other way, for example by catalytic combustion or the like, is made available.
  • a conceivable one Construction would be, for example, the alternating stacking of foil packets 1 and spaces 5, like this is shown here rudimentary.
  • the first media sheet 2 has one of the evaporation and / or overheating the first media stream serving Evaporation area 6, at which in the Flow direction of the media stream an exit area 7 connects.
  • the evaporation region 6 points Structures, channels, aisles or the like, the not explicitly shown here, as they are in themselves known and for the invention of minor interest are.
  • the exit region 7 of the first media film 2 may, but need not, be free from such Be structures.
  • a comparable structure shows the second media slide 3 which also has an evaporation region 8 and has an output region 9.
  • an opening 10 is arranged in the intermediate foil 4. Through this opening 10 and a recess 11 in the second media film 3 thus results in a strong cross-sectional enlargement in the area of the exit area 7, compared to the evaporation area 6.
  • This area of cross-sectional enlargement which in embodiment shown here from the exit area 7, the opening 10 and the recess 11 exists, forms one in its entirety Outlet area 12 for the media mass flow in the first media film 2. Due to the cross-sectional enlargement will be in the region of the exit region 12, set a much lower pressure gradient than this over the run length of the media stream in the evaporation zone 6 is the case.
  • Fig. 2 is now a principle cut through the first media sheet 2 and a plan view of the underneath arranged intermediate foil 4 recognizable. It is the exit area 9 of the second media film 3 is hidden indicated. He flows into one with the second Media sheet 3 corresponding collecting space 14, which all second media sheets 3 of the film packages 1 connects to each other, and which with an outlet line (not shown) for the second media stream corresponds.
  • the evaporator area 6 recognizable by which the first media stream according to the direction indicated by the arrow A flow direction flows.
  • the exit region 7 of the first media film 2 are then the opening 10 and arranged underneath Well 11 in the second media sheet 3, so the Exit area 12, recognizable.
  • This is in his Cross-section enlarging exit region 12 corresponds with a collecting space 15, which in turn with an outlet line (not shown) for the first media stream is connected.
  • the exit region 12 extends over the entire Width of the evaporation region 6 of the first media film 2, so that over the entire width of the Foliepaktes 1 the greatly reduced pressure gradient can adjust. Thus, it can be achieved that it is in this exit area 12 to a very small Pressure loss and thus to a very uniform Distribution of the flowing from the evaporation region 6 Medium is coming.
  • the area in the exit region 12 is arranged in the way in the film package 1, that he, as well as the evaporation areas 6, 8 and the Exit area 9, in direct heat-conducting contact is with the rooms 5 for heating is achieved that the exit area 12 is continuously heated, which also causes the formation of "cold" dead zones Prevents flow of media mass flow and the uniform distribution and mixing of the media mass flow before entering the collecting space 15th greatly improved.
  • the films 2, 3, 4 used for example to thin plates or films from a high-alloy steel material in which the recesses 11 and the structures in the evaporation areas 6, 8 are etched.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Folie für einen aus Folien aufgebauten, insbesondere zweigängigen, Verdampfer zur Überführung eines flüssigen Medien-Massenstroms in einen gasförmigen Medien-Massenstrom nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Ein entsprechender, in vergleichbarer Weise aus Folien aufgebauter eingängiger Verdampfer ist in der DE 44 26 692 C1 beschrieben. Die dort beschriebene, zweistufige Verdampfereinheit dient zum Überführen eines in Abhängigkeit einer Lastvorgabe einstellbaren flüssigen Reaktand-Massenstroms in einen gasförmigen Reaktand-Massenstrom, wobei der flüssige Reaktand-Massenstrom mit Hilfe eines Wärmeträgermediums in einer ersten Stufe zumindest teilweise verdampft und in einer zweiten Stufe gegebenenfalls vollständig verdampft und anschließend überhitzt wird. Dabei wird vorgeschlagen, daß die Verdampfereinheit durch abwechselndes Aufeinanderstapeln von Folien mit Wärmeträgerkanälen und von Folien mit Reaktionskanälen ausgebildet ist, und daß jeweils zumindest eine erste und eine zweite Stufe in einer Folie integriert sind, wobei die erste Stufe als Kanal mit minimierter Querschnittsfläche an der sich direkt an die Zuströmleitung anschließt ausgebildet ist, und daß die erste Stufe bei hohen Wärmeübergangszahlen betrieben wird, und weiter daß der Gesamtquerschnitt der Reaktionskanäle in der zweiten Stufe in Strömungsrichtung zunimmt.
Üblicherweise wird bei derartig aufgebauten Verdampfern der verdampfte Reaktand-Massenstrom aus jeder der Reaktions- bzw. Medienfolien in einen gemeinsamen Sammelraum im Austrittsbereich austreten und von dort wird über eine Austrittsleitung der gasförmige Reaktand-Massenstrom abgeleitet. In dem im Austrittsbereich angeordneten Sammelraum kann es dabei zu einer Durchmischung der aus den jeweiligen Reaktionsfolien strömenden Reaktand-Massenströmen kommen, so daß am Ausgang ein vergleichsweise gleichmäßig verdampfter Reaktand-Massenstrom vorliegt.
Dennoch weist eine derartige Verdampfereinheit den Nachteil auf, daß nicht sicher bestimmt werden kann in welchem Bereich der in die Folie eingebrachten Kanäle die eigentliche Verdampfung stattfindet, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des zu verdampfenden Reaktand-Massenstroms in jeder der Folien selbst in nachteiliger Weise beeinflußt wird. Dieser Nachteil kann zwar durch die oben beschriebene Vermischung in dem Sammelraum teilweise aufgehoben werden, für die Effizienz und die bestmögliche Leistungsübertragung in der Verdampfereinheit wäre es jedoch wünschenswert, eine gleichmäßige Verteilung bereits in jeder der Folien zu bekommen. Ansonsten ist nämlich auch insgesamt mit sehr ungleichmäßig erwärmten bzw. verdampften Reaktand-Massenströmen zu rechnen, welche in Teilbereichen des Verdampfers bereits überhitzt werden, wobei in anderen Teilbereichen und gegebenenfalls auch im Ausgangsbereich noch flüssige Tröpfchen in dem Reaktand-Massenstrom vorliegen. Im schlimmsten Fall können sich deshalb "kalte Kanäle" in der Verdampfereinheit ausbilden durch welche vergleichsweise kalte, gegebenenfalls sogar flüssige Anteile des Reaktand-Massenstroms durch die Verdampfereinheit gelangen.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung eine ideale und daher gleichmäßige Verteilung des zu verdampfenden und des verdampften Mediums insbesondere im Austrittsbereich der Folien eines aus Folien aufgebauten Verdampfers zu erreichen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Dadurch, daß der Druckgradient in dem Medium nur in den wenigsten Fällen des gesamten Austrittsbereichs deutlich kleiner ist, als der Druckgradient über die durchströmte Länge der Medienfolie wird eine sehr gleichmäßige Verteilung des verdampften Mediums in dem Austrittsbereich erreicht. Letztlich wird dies auch dadurch in besonders vorteilhafter Weise unterstützt, daß der Austrittsbereich beheizbar ist.
Durch die sehr gleichmäßige Verteilung des Mediums über den gesamten Bereich, inbesondere über die gesamte Breite des Austrittsbereichs, welche durch den dort erheblich kleineren Druckgradienten als der Druckgradient über die durchströmte Länge, erreicht wird, kann sichergestellt werden, daß sich das Medium in dem Austrittsbereich sehr gleichmäßig verteilt, und daß keine Totzonen entstehen, in denen keine oder nur eine sehr geringe Medienströmung vorliegt. Damit kann erreicht werden, daß auch in dem in Strömungsrichtung direkt vor dem Austrittsbereich angeordneten Bereich der Medienfolie eine gleichmäßige Strömung und damit eine gleichmäßige Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Energie stattfindet, da es hier nicht durch sich im Austrittsbereich sammelndes, stehendes Medium zu einem "Rückstau" in dem Bereich der Medienfolie kommen kann.
Außerdem wird der Austrittsbereich in dem beheizten Bereich der Medienfolien angeordnet, so daß der Austrittsbereich über die reine Funktion eines Sammelraums hinausgeht und eine Durchmischung der über die Breite der jeweiligen Medienfolie austretenden gasförmigen Medienanteile in dem beheizten Austrittsbereich erfolgen kann. Damit kommt es zu einer sehr gleichmäßigen Verteilung des in der jeweiligen Folie verdampfenden Mediums, bevor dieses die Folie in einen Sämmelraum verläßt welcher dann mehrere derartige Folien und eine Austrittsleitung miteinander verbindet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
Es zeigt:
Fig. 1
einen Querschnitt durch einen Teil eines zweigängigen Verdampfers, und
Fig. 2
einen prinzipmäßigen Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Folienpaket 1 eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Verdampfers erkennbar. Der Verdampfer ist hier zweigängig aufgebaut. Dies bedeutet, daß der Verdampfer wenigstens zwei getrennte Eingänge für zwei Medien-Massenströme aufweist, entsprechend weist hier jedes der Folienpakete 1 eine erste Medienfolie 2 und eine zweite Medienfolie 3 auf. Zwischen den beiden Medienfolien 2, 3 ist hier eine Zwischenfolie 4 angeordnet. Diese drei Folien 2, 3, 4 sind dann zu dem Folienpaket 1 zusammengefaßt.
Auf wenigstens zwei Seiten des Folienpakets 1 sind dann weitere Räume 5 in denen einen Heizmedium strömt oder in denen die thermische Energie zur Beheizung der Folienpakete 1 in irgendeiner anderen Art, beispielsweise durch eine katalytische Verbrennung oder dergleichen, zur Verfügung stellt wird. Ein denkbarer Aufbau wäre beispielsweise das abwechselnde Übereinanderstapeln von Folienpaketen 1 und Räumen 5, wie dies hier ansatzweise dargestellt ist.
Die erste Medienfolie 2 weist einen der Verdampfung und/oder Überhitzung des ersten Medienstroms dienenden Verdampfungsbereich 6 auf, an welchen sich in der Strömungsrichtung des Medienstroms ein Ausgangsbereich 7 anschließt. Der Verdampfungsbereich 6 weist dabei Strukturen, Kanäle, Gänge oder dergleichen auf, die hier nicht explizit dargestellt sind, da sie an sich bekannt und für die Erfindung von untergeordnetem Interesse sind. Der Ausgangsbereich 7 der ersten Medienfolie 2 kann, muß jedoch nicht, frei von derartigen Strukturen sein.
Einen vergleichbaren Aufbau zeigt die zweite Medienfolie 3 welche ebenfalls einen Verdampfungsbereich 8 und einen Ausgangsbereich 9 aufweist.
Im Bereich des Ausgangsbereichs 7 der ersten Medienfolie 2 ist in der Zwischenfolie 4 eine Öffnung 10 angeordnet. Durch diese Öffnung 10 und eine Vertiefung 11 in der zweiten Medienfolie 3 ergibt sich somit eine starke Querschnittsvergrößerung im Bereich des Ausgangsbereichs 7, im Vergleich zu dem Verdampfungsbereich 6. Dieser Bereich der Querschnittsvergrößerung, welcher in hier dargestelltem Ausführungsbeispiel aus dem Ausgangsbereich 7, der Öffnung 10 und der Vertiefung 11 besteht, bildet in seiner Gesamtheit einen Austrittsbereich 12 für den Medien-Massenstrom in der ersten Medienfolie 2. Durch die Querschnittsvergrößerung wird sich im Bereich des Austrittsbereichs 12, ein weitaus geringerer Druckgradient einstellen als dies über die Lauflänge des Medienstroms in dem Verdampfungsbereich 6 der Fall ist.
In der zweiten Medienfolie 3, deren Verdampfungsbereich 8 hier eine geringere Lauflänge aufweist als der Verdampfungsbereich 6 der ersten Medienfolie 2, ist eine derartige Vergrößerung des Querschnitts im Bereich des Ausgangsbereichs 9 aufgrund von technischen Gegebenheiten, welche die Erfindung nicht betreffen und welche hier nicht weiter erläutert werden sollen, nicht erwünscht. Prinzipiell wäre es jedoch auch hier denkbar, beispielsweise durch das Einbringen einer punktiert angedeuteten Vertiefung 13 in die Zwischenfolie 4, einen dem Austittsbereich 12 vergleichbaren Bereich zu schaffen.
In Fig. 2 ist nun ein prinzipmäßger Schnitt durch die erste Medienfolie 2 bzw. eine Draufsicht auf die darunter angeordnete Zwischenfolie 4 erkennbar. Dabei ist der Austrittsbereich 9 der zweiten Medienfolie 3 verdeckt angedeutet. Er mündet in einen mit der zweiten Medienfolie 3 korrespondierenden Sammelraum 14, welcher sämtliche zweiten Medienfolien 3 der Folienpakete 1 untereinander verbindet, und welcher mit einer Austrittsleitung (nicht dargestellt) für den zweiten Medienstrom korrespondiert.
In der ersten Medienfolie 2 ist der Verdampferbereich 6 erkennbar durch welchen der erste Medienstrom gemäß der durch den Pfeil A angedeuteten Strömungsrichtung strömt. Im Ausgangsbereich 7 der ersten Medienfolie 2 sind dann die Öffnung 10 und die darunter angeordnete Vertiefung 11 in der zweiten Medienfolie 3, also der Austrittsbereich 12, erkennbar. Dieser sich in seinem Querschnitt vergrößernde Austrittsbereich 12 korrespondiert mit einem Sammelraum 15, welcher wiederum mit einer Austrittsleitung (nicht dargestellt) für den ersten Medienstrom verbunden ist.
Der Austrittsbereich 12 verläuft dabei über die gesamte Breite des Verdampfungsbereichs 6 der ersten Medienfolie 2, so daß sich über die gesamte Breite des Folienpaktes 1 der stark verringerte Druckgradient einstellen kann. Somit kann erreicht werden, daß es in diesem Austrittsbereich 12 zu einem sehr geringen Druckverlust und damit zu einer sehr gleichmäßigen Verteilung des aus dem Verdampfungsbereich 6 strömenden Mediums kommt.
Durch die gute Gleichverteilung wird außerdem ein "Rückstau" der Strömung in den Verdampferbereich 6 verhindert, welcher ansonsten insbesondere in dem dem Sammelraum 15 abgewandten Ende des Austrittsbereichs 12 bzw. des Verdampfungsbereichs 6 auftreten könnte. Damit kann die gesamte Fläche des Verdampfungsbereichs 6 für die bestimmungsgemäße Aufgabe, nämlich die Überführung des flüssigen Medien-Massenstroms in den gasförmigen Medien-Massenstrom, genutzt werden, was letztendlich eine bessere Leistungsübertragung je Flächeneinheit ermöglicht, und was wiederum zu. einem kleineren Gesamt-Bauraum des Verdampfers führen kann. Auch erhöhte Materialspannungen durch einen sehr hohen Temperaturgradienten im Bereich von stehendem Medium in dem Folienpaket 1 können verhindert oder zumindest reduziert werden.
Dadurch, daß der Bereich in dem Austrittsbereich 12, in der Art in dem Folienpaket 1 angeordnet ist, daß er, ebenso wie die Verdampfungsbereiche 6, 8 und der Ausgangsbereich 9, in direktem wärmeleitendem Kontakt mit den Räumen 5 zur Beheizung steht, wird erreicht, daß der Austrittsbereich 12 durchgehend beheizt ist, was ebenfalls die Bildung von "kalten" Totzonen der Strömung des Medien-Massenstroms verhindert und die gleichmäßige Verteilung und Durchmischung des Medien-Massenstroms vor dem Eintreten in den Sammelraum 15 stark verbessert.
Selbstverständlich sind auch andere Bauformen eines Folienpakets 1 möglich, welche den gleichen, oder einen zumindest sehr ähnlichen Effekt erreichen würden.
Beispielsweise könnten in die Zwischenfolie im Bereich der Ausgangsbereiche 7, 9 lediglich entsprechende Vertiefungen eingearbeitet und auf eine Öffnung 10 in der Zwischenfolie 4 verzichtet werden, so daß auch eine gleiche Lauflänge der Medien-Massenströme in den beiden Medienfolien 2, 3 durchaus denkbar wäre.
Bei den eingesetzten Folien 2, 3, 4 kann es sich beispielsweise um dünne Platten bzw. Folien aus einem hochlegierten Stahlwerkstoff handeln, in die die Vertiefungen 11 und die Strukturen in der Verdampfungsbereichen 6, 8 eingeätzt sind.

Claims (5)

  1. Folie für einen aus Folien aufgebauten, insbesondere zweigängigen, Verdampfer zur Überführung eines flüssigen Medien-Massenstroms in einen gasförmigen Medien-Massenstrom, mit beheizbaren Folienpaketen, wobei jedes Folienpaket wenigstens eine von dem Medium durchströmte Medienfolie sowie wenigstens eine weitere Folie aufweist und wobei jedes Folienpaket einen Eintrittsbereich für das flüssige Medium und einen Austrittsbereich für das gasförmige Medium aufweist.
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Austrittsbereich (12) derart ausgebildet ist, daß ein Druckgradient in dem Medium über die wenigstens annähernd gesamte Breite des Austrittsbereichs (12) deutlich kleiner ist, als ein Druckgradient in dem Medium über die wenigstens annähernd gesamte, durchströmte Länge der Medienfolie (2,3), wobei der Austrittsbereich (12) beheizbar ist.
  2. Folie nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der durchströmte Querschnitt über die wenigstens annähernd gesamte Breite des Austrittsbereichs (12) deutlich größer ist als über die durchströmte Länge der Medienfolie (2,3).
  3. Folie nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Austrittsbereich (12) in beheizbaren Bereich des Folienpakets (1) angeordnet ist.
  4. Folie nach Anspruch 1, 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Austrittsbereich (12) durch in der wenigstens einen weiteren Folie (3,4) angeordnete Ausnehmungen (10,11) gebildet ist.
  5. Folie nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    bei einem zweigängigen Verdampfer das Folienpaket (1) zwei Medienfolien (2,3) und eine Zwischenfolie (4) aufweist, wobei die Zwischenfolie (4) im Bereich des Austrittsbereichs (12) der einen der Medienfolien (2) wenigstens eine Öffnung (10) aufweist, und wobei die andere der Medienfolien (3) im Bereich der wenigstens einen Öffnung (10) Vertiefungen (11) aufweist.
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