EP1261993A2 - Vorrichtung und verfahren zum erhitzen und/oder verdampfen flüssiger oder gasförmiger medien - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum erhitzen und/oder verdampfen flüssiger oder gasförmiger medien

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EP1261993A2
EP1261993A2 EP01925289A EP01925289A EP1261993A2 EP 1261993 A2 EP1261993 A2 EP 1261993A2 EP 01925289 A EP01925289 A EP 01925289A EP 01925289 A EP01925289 A EP 01925289A EP 1261993 A2 EP1261993 A2 EP 1261993A2
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EP
European Patent Office
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channels
flow
heating
medium
throughflow
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Withdrawn
Application number
EP01925289A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hermann Walter
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P21 GmbH
Original Assignee
P21 GmbH
Mannesmann AG
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Publication date
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    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F28F2260/02—Heat exchangers or heat exchange elements having special size, e.g. microstructures having microchannels
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a device for heating and / or evaporating liquid or gaseous media according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for heating and / or vaporizing liquid or gaseous media according to the preamble of claim 16. Finally, the invention relates also a special use of the device and the method.
  • fuel cells Similar to battery systems, fuel cells generate electrical energy chemically, but the individual reactants are continuously supplied from the outside and the reaction products are continuously removed.
  • the fuel cells are based on the functional principle that they are electrically neutral
  • This process is called the redox process.
  • the oxidation and reduction processes are spatially separated from each other by a membrane.
  • the membranes used have the property of exchanging protons but retaining gases.
  • the given in the reduction Electrons can be conducted as electrical current through a consumer, for example the electric motor of an automobile.
  • Hydrogen as fuel and oxygen as oxidizing agent are used as gaseous reactants for the fuel cell, for example. Do you want that
  • At least one of the reactor elements of the arrangement for generating / processing the fuel is one
  • the evaporator has the task of first evaporating the starting material (fuel and / or water) to obtain the fuel suitable for the fuel cell before it is introduced in the vapor state for further treatment in the next reactor element, for example in a reformer.
  • the known devices for heating and / or evaporating liquid or vaporous media have a number of disadvantages, particularly when they are used as evaporators.
  • the known devices usually have at least one throughflow device for the medium to be treated with one or more throughflow layers, the throughflow layer each being provided with a number of throughflow channels.
  • the flow channels each have an inlet opening on their inlet side and an outlet opening on their outlet side.
  • the medium to be evaporated or heated enters the flow channels through the inlet opening, flows through them, being heated or evaporated by means of a heating device, and then exits the respective flow channel at the outlet side via the outlet opening.
  • the throughflow channels are connected via their inlet openings to a feed line for the medium to be heated and / or evaporated and via their outlet openings to a corresponding discharge line.
  • a feed device for example a pump, is usually provided in this feed line and pumps the medium into the throughflow channels.
  • This conveying device is usually designed in such a way that it generates only a slight excess pressure compared to the pressure at the outlet openings of the throughflow channels.
  • the thermal energy required for heating and / or evaporating the medium is provided via at least one heating device which is formed from one or more layers and which is connected to the throughflow device in the sense of a heat exchanger.
  • the heating device can have, for example, a number of electrically operated heating cartridges.
  • the heating cartridges are all driven with the same power, so that the surface temperature generated via the heating cartridges in the flow channels, via which the medium flowing through the flow channels is heated or evaporated, is approximately the same along the entire flow device through the flow channels if the medium is still does not flow through the flow channels.
  • a vapor bubble can form in the inlet area around the inlet openings of the flow channels, particularly when the device is started up, since the medium already begins to evaporate in the inlet area of the flow channels due to the high surface temperatures.
  • the pressure in the vapor bubble can become so high that it reaches or even exceeds the pump pressure.
  • the liquid column can be pushed back against the actual flow direction or to
  • the present invention is based on the object of developing a device and a method of the type mentioned at the outset in such a way that the disadvantages described are avoided.
  • an apparatus and a method are to be provided with which heating and / or evaporation of a liquid or gaseous medium is made possible in a simple yet reliable manner.
  • this object is achieved by a device for heating and / or evaporating liquid or gaseous Media, with at least one flow-through device, which has one or more flow-through layers, each with one or more flow-through channels for the medium, the flow-through channels each having an inlet opening and an outlet opening and the inlet opening being connectable to a feed line and the outlet opening being connected to a discharge line for the medium , and with at least one heating device formed from one or more layers for providing the thermal energy required for heating and / or evaporating the medium, which is connected to the throughflow device in the sense of a heat exchanger.
  • this device is characterized in that the heating device is designed in such a way that the surface temperature of the throughflow channels can be set independently of other areas in the flow direction (D) of the medium, at least in individual areas of the throughflow channels.
  • the adjustability of the surface temperature in the direction of flow of the medium through the flow channels can reliably prevent the disadvantageous vapor bubble described above from forming in the area of the inlet openings of the flow channels.
  • the avoidance of such a vapor bubble can be advantageously prevented in particular if the surface temperature profile is designed in such a way that the temperature in the inlet area of the throughflow channels is significantly lower than in the other areas thereof.
  • Advantageous embodiments of how a suitable temperature profile can be set are explained in more detail in the further course of the description.
  • the device according to the invention is basically suitable for heating and / or evaporating media. It is particularly advantageous if the flow-through layer is formed in each case in micro technology with microchannels for the passage of the medium to be treated.
  • the device according to the invention can be used to heat gaseous or liquid media.
  • the media is heated in such a way that a temperature profile is set on the surfaces of the flow channels via the heating device along the flow device such that a sufficiently low temperature in the medium prevails in the inlet area of the flow channels, at which the formation of a vapor bubble is reliably prevented.
  • a higher temperature can then be set in the areas of the throughflow channels following the inlet area, so that the gaseous or liquid medium is heated to the desired temperature.
  • Another possible application of the device according to the invention lies in its use as an evaporator for a liquid medium.
  • the temperature profile on the surfaces of the throughflow channels is adjusted again so that the temperature in the inlet area of the throughflow channels is so low that the formation of a vapor bubble is prevented.
  • sufficient heat energy is made available at a sufficient distance from the entry area via the heating device that the medium flowing through the throughflow channels can be evaporated.
  • thermal energy is then generated in accordance with the required
  • the evaporator has at least one through-flow device through which the liquid medium to be evaporated is passed.
  • the throughflow device comprises one or more throughflow layers, each with one or more throughflow channels.
  • the liquid medium to be evaporated enters at the inlet openings of the throughflow channels, flows through them and leaves the throughflow channels via their outlet openings. While the liquid medium to be evaporated flows through the throughflow channels of the at least one throughflow device, it is heated and evaporated by the at least one heating device which is also provided.
  • the heating device which is connected to the throughflow device, consists of one or more layers and can be designed in different ways. Basically, the invention is not limited to a specific embodiment of the heating device. Rather, this only has to be suitable for
  • Heating and / or evaporating the medium to provide the required thermal energy Heating and / or evaporating the medium to provide the required thermal energy.
  • more than one throughflow device and one heating device can be provided in each case.
  • a throughflow device and a heating device are preferably arranged alternately one above the other, so that a layer sequence is produced.
  • the number of for the device, for example the Evaporators, flow devices used and heating devices result in particular from the performance requirements for the device.
  • the throughflow device and the heating device are connected to one another in such a way that the thermal energy generated by the heating device is applied to the
  • Flow channels of the medium flowing through the flow device can be transmitted.
  • the heating device is designed in such a way that the surface temperature can be set in the flow channels along the flow device, at least in individual areas, independently of other areas. Since the medium enters the through-flow channels from a supply line at the inlet openings, flows through the entire length of the through-flow channels and then exits through the outlet openings at the end of the through-flow channels, the temperature profile of the heat-absorbing medium is also over the length the flow channels can be influenced.
  • the inventive design of the device allows the supply of the thermal energy provided for heating and / or evaporating the media to be controlled in such a way that a steam bubble in the area of the inlet openings of the throughflow channels is reliably prevented, the medium being able to be brought to the desired temperature nevertheless.
  • the heating device In order to avoid that the heating device must first be actuated and then switched off so that the medium can be heated and / or evaporated without interference, the device has been further developed according to the invention in such a way that a temperature profile in on the surface of the flow channels
  • Direction of flow can be set specifically, so that continuous operation of the device is possible.
  • the flow-through layers can advantageously be designed in microstructure technology and the flow-through channels as micro-channels.
  • the design of the device in microstructure technology means that it can be made particularly space-saving with high performance. It is generally provided that a large number of several thousand microchannels is arranged in a small installation space in the cubic centimeter range. These microchannels, each with a height and width of only a few ⁇ m, create large specific surfaces, that is to say high ratios of channel surface to channel volume, via which the heat exchange takes place particularly effectively.
  • an evaporator is to be used in connection with a fuel cell system, for example a fuel cell system for a vehicle, there is usually only a small amount of space available. For this reason, the individual components of the fuel cell system must be made as small as possible. For example, an evaporator using microstructure technology can be used for this purpose.
  • the heating device is regularly designed such that the temperature of the inner surface is free and at least in individual areas of the throughflow channels is adjustable independently of other areas. This allows the temperature profile to be adapted to the current conditions.
  • the output of the heat source can usually only be influenced as a whole, so that in the event of throttling, the surface temperature is reduced over the entire length of the throughflow channels.
  • such a temperature profile in the medium must be set via the surface temperature generated by the heating device that the temperature T1 prevailing in the inlet region of the throughflow channels is so low that a vapor base does not form in front of the inlet openings of the throughflow channels can.
  • the temperature T1 can be selected so that the water in the inlet area of the throughflow channels does not exceed a temperature of 80 ° C.
  • the water must be heated to boiling temperature T2 and evaporated.
  • the surface temperature of the throughflow channels in the area that adjoins the inlet area of the throughflow channels should significantly exceed the evaporation temperature.
  • the surface temperature can be selected so that the water or the water vapor already formed is heated up to a temperature T2 of 150 ° C. depending on the pressure.
  • the length of the inlet area and the second area are preferably selected such that the evaporation of the water only takes place as far as possible in the interior of the throughflow channels. In this way it is ensured that a sufficiently large amount of liquid can always flow into the throughflow channels, so that no overpressure can be built up in the inlet region of the channels, which reduces the throughflow rate.
  • the surface temperature set in the outlet region of the throughflow channels must be set significantly higher. For example, heating of the steam in the flow-through channels to a temperature T3 of about 230 ° C. can be aimed for, which is why
  • Channel surface in the exit area would have to be heated to, for example, 350 ° C.
  • the example described above is purely exemplary and is intended to illustrate the basic idea of setting a temperature profile.
  • the invention is not limited to the temperature values mentioned. Rather, the setting of the temperatures required in each case depends on the media to be heated and / or evaporated and on the structure of the flow channels.
  • the surface that comes into contact with the medium to be heated or evaporated is determined via the structure of the throughflow channels, which are preferably designed as microchannels. The larger the contact area between the medium and the surface, the better the heat can be transferred.
  • the heating device advantageously has a plurality of layers, in each of which an electric heating device, in particular two or more electric heating elements, are provided for setting the temperature profile.
  • Such heating elements can be designed, for example, but not exclusively, as heating wires, heating cartridges or the like.
  • At least individual heating elements can be controlled freely and independently of the other heating elements. This enables a simple yet precise setting of the temperature profile in different areas of the throughflow channels in the flowing medium via the surface temperature in the throughflow channels.
  • T3 used a total of three electrical heating elements.
  • the invention does not apply to a certain number of heating elements or is limited by different temperature ranges of the temperature profile to be set. Rather, the number of heating elements required, as well as the number of different temperature ranges of the temperature profile, results from the respective specific requirements for the device.
  • the first heating element is preferably arranged in the heating device in such a way that the thermal energy emitted by it affects the temperature T1 of the medium in the inlet region of the throughflow channels.
  • the third heating element is preferably arranged in the heating device such that it has the temperature T3 of
  • the second heating element is preferably arranged between the first and the third heating element and determines the temperature T2 of the temperature profile of the medium, which is set in that region of the flow channels which is located between the inlet region and the outlet region.
  • the first heating cartridge In order to prevent the formation of a harmful vapor bubble at the inlet openings of the flow channels, the first heating cartridge should be operated with a comparatively low heating output. In this way it is achieved that the medium to be heated or evaporated does not reach the evaporation temperature in the inlet region of the throughflow channels and remains in the liquid state.
  • a solution can also be provided in which a heating element in the entry area is completely dispensed with.
  • the third heating element can be subjected to high heating power, while the temperature profile can be varied by a power variation in the middle, second heating element, so that the entry of the medium to be evaporated into the evaporation area in the flow-through channels is specifically shifted along the longitudinal axis of the channel as required can be.
  • the second heating element is advantageously designed to be freely controllable, while the first and third heating elements can each not be designed to be controllable.
  • all the heating elements can be freely adjustable and therefore independently controllable. This allows a very precise and targeted setting of the temperature profile and the steam outlet temperature.
  • the heating elements can preferably extend across a plurality of flow channels, in particular perpendicularly to the direction of flow of the medium.
  • the heating device can have one or more layers, each of which comprises a number of channels for a heat transfer medium for setting the temperature profile.
  • These layers are preferably formed using microstructure technology and the corresponding channels as microchannels.
  • the thermal energy required to heat and / or evaporate the medium is provided not via electrical heating elements but via a corresponding heat transfer medium, which can be designed, for example, as a liquid such as oil or the like.
  • a corresponding heat transfer medium which can be designed, for example, as a liquid such as oil or the like.
  • the channels of the layers and the flow channels of the flow layers can advantageously be oriented at an angle, preferably perpendicular to one another
  • the channels of the layers and the flow channels of the flow layers are aligned parallel to one another.
  • the medium to be heated or evaporated and the heat transfer medium if it is, for example, liquid or gaseous, can flow through the respective channels in parallel or in the "countercurrent principle".
  • the individual channels of the layer can be flowed through with heat transfer media of different temperatures.
  • the individual channels of the layers and the throughflow channels of the throughflow layers are preferably aligned in a “cross-flow design”. In this case it is necessary to set the respective temperature ranges of the temperature profile in the flowing medium along the flow device It is provided that in the corresponding areas of the heating device provided channels with different hot heat transfer media adapted to the respective temperature requirements are flowed through.
  • the provision of different heat transfer media can be done in different ways. For example, it is possible to provide different sources with different heat transfer media. In such an embodiment, the respective channels are then connected to the corresponding sources of the heat transfer media.
  • Condition can be passed through the intended channels of the heating device.
  • the thermal energy stored by the heat transfer medium is released to the medium to be heated or evaporated.
  • the heat transfer medium can be heated to the required temperature, for example, using electrical heating elements, suitable heat exchangers or the like.
  • the channels of the layers can be coated catalytically.
  • a reaction medium which exothermically reacts under the influence of the catalytic coating can be provided as the heat transfer medium.
  • the channels of the heating device and the throughflow channels of the throughflow device are preferably aligned according to the "counterflow principle".
  • the outlet area of the throughflow channels corresponds to the inlet area of the channels of the heating device.
  • the reaction is weakest in the outlet area of the catalytically coated channels, since a large part of the reaction medium has already reacted beforehand. In the outlet area of the catalytically coated channels, only a relatively small amount of thermal energy is thus made available in accordance with the measurement requirements.
  • catalytically coated channels and the flow channels are preferably in
  • the channels of the layers can preferably have one or more regions, each with a different catalytic coating.
  • the temperature profile can be specifically influenced by such a variation of the catalytic coating, for example a variation in the heating device in the direction of the longitudinal axis of the channels.
  • At least one conveying device in particular a pump, can be provided in the feed line to the inlet opening of the throughflow channels.
  • a conveying device can be used which only generates a slight excess pressure compared to the ambient pressure.
  • Such conveyors are simple and inexpensive to manufacture.
  • a temperature sensor can be provided in the feed line in the region of the inlet opening of the throughflow channels and / or in the outlet line in the region of the outlet opening of the throughflow channels. Via this temperature sensor or these temperature sensors, the temperatures of the medium when entering the device and when exiting the device can be detected become.
  • the setting of the appropriate surface temperature in the throughflow channels can be controlled by recording the temperatures. If the temperature in the inlet area of the throughflow channels is approximately too high, the temperature in the inlet area can be reduced by correspondingly controlling the heating device, for example the respective electrical heating elements. In a corresponding manner, the temperature profile can also be varied to higher temperatures if this is necessary.
  • a heating device can also be provided which, in addition to a heating device operated with a heat transfer medium, also comprises an electric heating device in the sense of an additional heating.
  • a basic branch of the heating could be introduced via the heat transfer medium, while the required higher temperatures are generated in some areas via the particularly easily controllable electrical additional heating.
  • Heating and / or evaporation of liquid or gaseous media is provided using a device according to the invention as described above, in which the medium to be heated and / or evaporated flows through one or more flow channels of at least one flow device and at least one heating device for providing thermal energy is connected to the at least one flow device in the sense of a heat exchanger, heated and / or evaporated.
  • the method according to the invention is characterized in that the heating device for influencing the surface temperature in the flow channels in the flow direction of the medium is adjustable at least in individual areas independently of one another
  • the medium is therefore exposed to differently high temperatures in different areas of the throughflow channels in the direction of flow.
  • the invention provides that the temperature profile of the medium can be varied freely and independently of other areas, at least in individual areas of the flow channels.
  • the surface temperature of the flow-through channels can advantageously be set in such a way that the lowest temperature prevails in the entrance region of the flow-through channels with regard to the desired temperature profile.
  • an electrical heating device can be operated with correspondingly different electrical power in regions.
  • the heat transfer medium can be guided into the respective inlet opening of the throughflow channels with a correspondingly different starting temperature in some areas.
  • the variation of the flow rate of the heat transfer medium in individual flow channels compared to others can also be influenced
  • a device according to the invention as described above and / or a method as described above according to the invention for heating and / or vaporizing a fuel and / or a fuel can be used particularly advantageously.
  • a fuel cell system consists of
  • a device for producing / processing the fuel is usually provided, in which the fuel is first produced or processed from a starting material (fuel).
  • the device for producing / processing the fuel can advantageously have a number of reactor elements, for example an evaporator, a reformer, a shift reactor and a reactor for selective oxidation.
  • the individual reactor elements are connected to one another via corresponding lines, so that the fuel flows through the individual reactor elements in succession during its generation or processing.
  • At least one of the reactor elements, preferably the evaporator is designed as an inventive device as described above.
  • Such an evaporator is required, for example, if hydrogen is to be reformed from methanol, gasoline, natural gas, ethanol or other liquid hydrocarbons. Heat must be supplied to the evaporator for operation.
  • a fuel cell system as described above can advantageously be used in or for a vehicle. Due to the rapid development in fuel cell technology in the vehicle sector, such use currently offers particularly good applications. However, other possible uses are also conceivable. These include, for example, fuel cells for mobile devices such as computers or the like up to stationary facilities such as power plants. Fuel cell technology is also particularly suitable for the decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
  • the present invention is preferably used in connection with fuel cells with polymer membranes (PEM). These fuel cells have a high electrical efficiency, cause only minimal emissions, have an optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical
  • FIG. 1 is a highly schematic and simplified view of a device according to the invention for heating and / or evaporating media and various peripheral devices,
  • Fig. 2 shows a schematic, side view of an inventive device for heating and / or evaporating media
  • Fig. 3 is a schematic plan view of the entrance area of the device according to the invention, as shown in Figure 2.
  • FIG. 1 shows a device 10 for heating and / or evaporating media, which in the present exemplary embodiment is designed as an evaporator for liquid media.
  • the evaporator 10 can, for example, be part of a device (not shown) for generating / processing a fuel for a fuel cell system (also not shown).
  • the invention is not restricted to this special application form, so that the device 10 can basically be used for all applications in which a liquid or gaseous medium is to be heated and / or evaporated.
  • the device 10 is connected on its input side 11 to a feed line 13 via which the liquid medium to be evaporated, for example a fuel such as methanol, ethanol, gasoline or the like, which serves as the starting material for the fuel of a fuel cell, is introduced into the evaporator 10.
  • the evaporator 10 On its output side 12, the evaporator 10 is connected to a discharge line 14, via which the fuel converted into the vapor state is discharged from the evaporator 10 and to other reactor elements, such as one not shown
  • Reformer is fed.
  • a delivery device 15 designed as a pump is provided in the feed line 13, with which a low overpressure compared to the ambient pressure can be generated.
  • Supply line 13 and a temperature sensor 16, 17 are provided in the discharge line 14.
  • the evaporator 10 is designed using microstructure technology. It has a total of three flow-through devices 20, each of which has two flow-through layers 21 with a number of flow-through channels 22.
  • the throughflow layers 21 are in microstructure technology and the throughflow channels 22 are in the form of microchannels.
  • the evaporator 10 is closed off with an upper cover element 40 and a lower cover element 41, respectively.
  • Heating devices 30 are located between the individual flow devices 20 intended.
  • the heating devices 30 each consist of a layer 31 in which a number of heating elements, in the present case three electrical heating elements 32, 33, 34, are arranged.
  • the heating elements 32, 33, 34, the z. B. can be designed as heating coils, heating cartridges or the like are connected to an electrical power source, not shown. When electrical power is received from the electrical power source, the heating elements 32, 33, 34 heat up. The thermal energy generated in this way can be released to the through-flow channels 22 and there ensure a correspondingly high surface temperature.
  • heating elements are provided per layer 31 in the example according to FIGS. 2 and 3, the invention is not restricted to this special number of heating elements.
  • the use of electrical heating elements can be dispensed with.
  • different layers with channels can be provided, the structure of which corresponds approximately to the flow-through layers 21 and the flow-through channels 22.
  • a correspondingly suitable heat transfer medium at the temperature required for the desired surface temperature can then be passed through these channels.
  • a total of two heating devices 30 are provided, which are arranged between the throughflow devices 20, so that an alternating layer sequence of one throughflow device 20 and one heating device 30 results.
  • the medium to be evaporated enters the throughflow channels 22 as a medium inflow 42 from the feed line 13 shown in FIG. 1 via corresponding inlet openings 26. It then flows through the flow channels 22 in the flow direction D, that is, in the direction of the longitudinal axes of the flow channels 22. During the flow through the flow channels 22, the initially liquid medium is evaporated. The medium which has passed into the vapor state leaves the evaporator 10 or the flow channels 22 as Medium outflow 43 via corresponding outlet openings 27 of the throughflow channels 22. The now vaporous medium is then passed on via the discharge line 14 shown in FIG.
  • Vapor bubble can form in the area of the inlet openings 26 of the throughflow channels 22, whereby flow through the throughflow channels 22 with the medium to be evaporated can be hindered or even prevented, is provided according to the invention in that the heating device 30 in the throughflow channels 22 in the flow direction D of the medium a profile of the surface temperatures is set so that the medium flowing through the through-flow channels 22 is exposed to sections of differently high temperatures in different areas of the through-flow channels 22
  • this is achieved by the heating elements 32, 33, 34
  • Heating elements are aligned perpendicular to the throughflow channels 22 and each extend over all throughflow channels 22 of the associated throughflow layers 21. In this way, an evaporator 10 is created in which the thermal energy generated and provided by the heating elements 32, 33, 34 is applied in sections to the Flow channels 22 flowing through, to be evaporated
  • the individual heating elements 32, 33, 34 can be regulated freely and independently of one another.
  • T3 can be set, T1 being the temperature in the inlet area 23 of the throughflow channels 22, T3 being the temperature in the outlet area 24 of the throughflow channels 22 and T2 being the temperature in the area 25 between the inlet area 23 and the outlet area 24 of the throughflow channels 22
  • the heating element 32 is heated only slightly, so that the lowest temperature with regard to the temperature profile is set in the inlet area 23.
  • This temperature T1 is to be selected so that the medium to be evaporated is heated but not already evaporated. In this way, the medium to be evaporated can preheat, but enter the through-flow channels 22 while still in a liquid state. Furthermore, it is ensured that the liquid medium remains in the liquid state in the entire inlet area 23 of the flow channels 22.
  • the heating element 34 corresponding to the outlet area 24 of the flow channels 22 can be subjected to very high heating power, while the temperature profile in the area 25 of the flow channels 22 can be varied by a power variation in the middle heating element 33. In this way, the place where the medium, which was still liquid up to that point, begins to change into the vapor state, can be moved forwards or backwards within the through-flow channels 22, as required. If the heating element 33 is subjected to only a low heating power, this means that the surface temperature prevailing in the flow channels 22 and consequently also the temperature T2 of the medium is low, as a result of which the evaporation of the liquid medium is reduced or suspended. If, on the other hand, the heating element 33 is subjected to a high heating line, the surface temperature in the throughflow channels 22 will also increase, so that a larger proportion of the liquid medium is evaporated in the region 25.
  • the setting and control of the respective heating elements 32, 33, 34 can take place via corresponding control signals which are generated via temperature measurements with the aid of the temperature sensors 16, 17.
  • the heating element 32 is subjected to such a heating power that the still liquid medium flowing through the flow channels 22 is exposed to a surface temperature at which it heats up to a temperature T1, however is not yet evaporated. After the still liquid medium has left the inlet area 23 of the throughflow channels 22, it comes into the area of influence of the heating element 33.
  • This heating element 33 is subjected to an increased heating power, so that the still liquid medium in the area 25 of the throughflow channels 22 following the entry area 23 is exposed to a surface temperature above the evaporation temperature T2 to be evaporated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien, bei der/dem das zu erhitzende und/oder zu verdampfende Medium wenigstens eine Durchströmeinrichtung durchströmt, die eine oder mehrere Durchströmschichten mit jeweils einem oder mehreren Durchströmkanälen aufweist. Die Durchströmkanäle sind als Mikrokanäle ausgebildet. Das Medium wird über wenigstens eine Erhitzungseinrichtung zum Bereitstellen von Wärmeenergie, die mit der Durchströmeinrichtung verbunden ist, erhitzt. Über die Erhitzungseinrichtung wird in den Durchströmkanälen in Strömungsrichtung des Mediums ein Temperaturprofil eingestellt, so dass das die Durchströmkanäle durchströmende Medium in verschiedenen Bereichen der Durchströmkanäle unabhängig voneinander einstellbaren, unterschiedlich hohen Oberflächentemperaturen ausgesetzt wird und sich auf diese Weise gezielt auf unterschiedlich hohe Temperaturen erwärmen kann.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 16. Schließlich betrifft die Erfindung auch eine besondere Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens.
Vorrichtungen zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien sind bereits bekannt und werden für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt. Eine vorteilhafte, beispielhafte Anwendungsmöglichkeit für Verdampfer liegt im Bereich der Brennstoffzellentechnologie. Brennstoffzellen sind bereits seit langem bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei aber die einzelnen Reaktanten von außen kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den Brennstoffzellen das Funktionsprinzip zu Grunde, daß sich elektrisch neutrale
Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen.
Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei der Brennstoffzelle werden die Oxidations- und Reduktionsprozesse über eine Membran räumlich voneinander getrennt. Die eingesetzten Membranen haben die Eigenschaft, Protonen auszutauschen, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Will man die
Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leicht zu speichernden Kraftstoff wie Erdgas, Methanol, Benzin oder dergleichen betreiben, muß man diese Kohlenwasserstoffe in einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Bei wenigstens einem der Reaktorelemente der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs handelt es sich um einen
Verdampfer. Der Verdampfer hat die Aufgabe, den Ausgangsstoff (Kraftstoff und/oder Wasser) zur Gewinnung des für die Brennstoffzelle geeigneten Brennstoffs zunächst zu verdampfen, bevor dieser in dampfförmigem Zustand zur weiteren Behandlung in das nächste Reaktorelement, beispielsweise in einen Reformer eingeleitet wird.
Die bekannten Vorrichtungen zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder dampfförmiger Medien, haben jedoch eine Reihe von Nachteilen, insbesondere dann, wenn sie als Verdampfer verwendet werden.
Üblicherweise weisen die bekannten Vorrichtungen wenigstens eine Durchströmeinrichtung für das zu behandelnde Medium mit einer oder mehreren Durchströmschichten auf, wobei die Durchströmschicht jeweils mit einer Anzahl von Durchströmkanälen versehen sind. Die Durchströmkanäle verfügen an ihrer Eintrittsseite jeweils über eine Eintrittsöffnung und an ihrer Ausgangsseite über jeweils eine Austritts- Öffnung. Das zu verdampfende oder zu erhitzende Medium tritt über die Eintrittsöffnung in die Durchströmkanäle ein, durchströmt diese, wobei es mittels einer Erhitzungseinrichtung erhitzt beziehungsweise verdampft wird, und tritt dann an der Ausgangsseite über die Austrittsöffnung aus dem jeweiligen Durchströmkanal aus. Die Durchströmkanäle sind über ihre Eintrittsöffnungen mit einer Zuleitung für das zu erhitzende und/oder zu verdampfende Medium und über ihre Austrittsöffnungen mit einer entsprechenden Ableitung verbunden. In dieser Zuleitung ist in der Regel eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, vorgesehen, die das Medium in die Durchströmkanäle hineinpumpt. Diese Fördereinrichtung ist üblicherweise so ausgelegt, daß sie nur einen geringen Überdruck gegenüber dem Druck an den Austrittsöffnungen der Durchströmkanäle erzeugt. Die Bereitstellung der zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigten Wärmeenergie erfolgt über wenigstens eine Erhitzungseinrichtung, die aus einer oder mehreren Schichten gebildet ist und die mit der Durchströmeinrichtung im Sinne eines Wärmeaustauschers verbunden ist. Die Erhitzungseinrichtung kann beispielsweise eine Reihe von elektrisch betriebenen Heizpatronen aufweisen. Die Heizpatronen werden alle mit gleicher Leistung angesteuert, so daß die über die Heizpatronen in den Durchströmkanälen erzeugte Oberflächentemperatur, über die das die Durchströmkanäle durchströmende Medium erhitzt beziehungsweise verdampft wird, entlang der gesamten Durchströmeinrichtung durch die Durchströmkanäle in etwa gleich hoch ist, wenn das Medium noch nicht durch die Durchströmkanäle strömt.
Auf Grund des geringen Überdrucks der Pumpe kann sich insbesondere beim Anfahren der Vorrichtung im Eintrittsbereich um die Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle eine Dampfblase bilden, da das Medium auf Grund der hohen Oberflächen- temperaturen bereits im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle zu verdampfen beginnt.
Der Druck in der Dampfblase kann infolge des Strömungswiderstands im stromaufwärts gelegenen Teil eines Durchströmkanals, in dem beispielsweise noch nicht verdampfte Tröpfchen vorhanden sein können, so hoch werden, dass er den Pumpendruck erreicht oder sogar übersteigt. Dadurch kann unter Umständen die Flüssigkeits- säule entgegen der eigentlichen Strömungsrichtung zurückgedrückt werden oder zum
Stillstand kommen. Je kleiner der Querschnitt der Durchströmkanäle wird, desto größer wird der Strömungswiderstand und somit die Gefahr, dass die Durchflußrate durch die Vorrichtung erheblich reduziert wird. Im schlimmsten Fall kann die Situation auftreten, daß der Durchfluß durch die Vorrichtung sogar vollständig unterbunden wird. Dies hat auch zur Folge, dass die von den Heizpatronen erzeugte Wärmeenergie nicht in ausreichendem Maß abgeleitet werden kann, so daß sich die gesamte Vorrichtung unerwünscht stark erhitzt.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitgestellt werden, mit der/dem auf einfache und dennoch zuverlässige Weise eine Erhitzung und/oder Verdampfung eines flüssigen oder gasförmigen Mediums möglich gemacht wird.
Diese Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung zum Erhitzten und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien, mit wenigstens einer Durchströmeinrichtung, die eine oder mehrere Durchströmschichten mit jeweils einem oder mehreren Durchströmkanälen für das Medium aufweist, wobei die Durchströmkanäle jeweils eine Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung aufweisen und die Eintrittsöffnung mit einer Zuleitung und die Austrittsöfnung mit einer Ableitung für das Medium verbindbar ist, und mit wenigstens einer aus einer oder mehreren Schichten gebildeten Erhitzungseinrichtung zum Bereitstellen der zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigten Wärmeenergie, die mit der Durchströmeinrichtung im Sinne eines Wärmetauschers verbunden ist. Diese Vorrichtung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungs- einrichtung derart ausgebildet ist, daß die Oberflächentemperatur der Durchströmkanäle zumindest in einzelnen Bereichen der Durchströmkanäle in Strömungsrichtung (D) des Mediums unabhängig von anderen Bereichen einstellbar sind.
Durch die Einstellbarkeit der Oberflächentemperatur in Durchströmungsrichtung des Mediums durch die Durchströmkanäle kann zuverlässig verhindert werden, daß sich die weiter oben beschriebene nachteilige Dampfblase im Bereich der Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle bilden kann. Die Vermeidung einer solchen Dampfblase kann insbesondere dann vorteilhaft verhindert werden, wenn das Oberflächentemperatur- profil derart ausgebildet ist, daß die Temperatur im Eintrittsbereich der Durchström- kanäle deutlich geringer ist als in deren übrigen Bereichen. Vorteilhafte Ausführungsformen, wie ein geeignetes Temperaturprofil eingestellt werden kann, werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist grundsätzlich dazu geeignet, Medien zu erhitzen und/oder zu verdampfen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Durchströmungsschicht jeweils in Mikrotechnik mit Mikrokanälen für die Durchleitung des zu behandelnden Mediums ausgebildet ist.
Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu verwendet werden, gasförmige oder flüssige Medien zu erhitzen. Die Erhitzung der Medien erfolgt derart, daß über die Erhitzungseinrichtung entlang der Durchströmungseinrichtung auf den Oberflächen der Durchströmkanäle ein solches Temperaturprofil eingestellt wird, daß im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle eine ausreichend niedrige Temperatur im Medium vorherrscht, bei der die Bildung einer Dampfblase zuverlässig verhindert wird. In den dem Eintrittsbereich folgenden Bereichen der Durchströmkanäle kann dann eine höhere Temperatur eingestellt werden, so daß das gasförmige oder flüssige Medium auf die gewünschte Temperatur erhitzt wird. Eine andere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt beispielsweise in deren Verwendung als Verdampfer für ein flüssiges Medium. In diesem Fall wird das Temperaturprofil auf den Oberflächen der Durchströmkanäle wieder so eingestellt, daß die Temperatur im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle so gering ist, daß die Bildung einer Dampfblase verhindert wird. In den anschließenden Bereichen wird in ausreichendem Abstand vom Eintrittsbereich über die Erhitzungseinrichtung aber soviel Wärmeenergie zur Verfügung gestellt, daß das die Durchströmkanäle durchströmende Medium verdampft werden kann. In den sich daran anschließenden Bereichen wird dann Wärmeenergie entsprechend der geforderten
Austrittstemperatur des Dampfes zugeführt.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer als Verdampfer ausgebildeten Vorrichtung beschrieben. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf diese spezielle Ausgestaltung beschränkt ist.
Der Verdampfer weist wenigstens eine Durchströmeinrichtung auf, durch die das zu verdampfende flüssige Medium hindurchgeleitet wird. Die Durchströmeinrichtung umfaßt eine oder mehrere Durchströmschichten mit jeweils einem oder mehreren Durchströmkanälen. Das zu verdampfende flüssige Medium tritt an den Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle ein, durchströmt diese und verläßt die Durchströmkanäle über deren Austrittsöffnungen. Während das zu verdampfende flüssige Medium die Durchströmkanäle der wenigstens einen Durchströmeinrichtung durchströmt, wird es durch die weiterhin vorgesehene wenigstens eine Erhitzungseinrichtung erhitzt und verdampft.
Die Erhitzungseinrichtung, die mit der Durchströmeinrichtung verbunden ist, besteht aus einer oder mehreren Schichten und kann auf verschiedene Weisen ausgebildet sein. Grundsätzlich ist die Erfindung nicht auf eine bestimmt Ausgestaltungsform der Erhitzungseinrichtung beschränkt. Vielmehr muß diese lediglich geeignet sein, die zum
Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigte Wärmeenergie zur Verfügung zu stellen.
Vorteilhaft können jeweils mehr als eine Durchströmeinrichtung und eine Erhitzungs- einrichtung vorgesehen sein. Vorzugsweise sind jeweils eine Durchströmeinrichtung und eine Erhitzungseinrichtung abwechselnd übereinander angeordnet, so daß eine Schichtabfolge entsteht. Die Anzahl der für die Vorrichtung, beispielsweise den Verdampfer, verwendeten Durchströmeinrichtungen und Erhitzungseinrichtungen ergibt sich insbesondere aus der Leistungsanforderung an die Vorrichtung.
Die Durchströmeinrichtung und die Erhitzungseinrichtung sind so miteinander ver- bunden, daß die von der Erhitzungseinrichtung erzeugte Wärmeenergie auf das die
Durchströmkanäle der Durchströmeinrichtung durchströmende Medium übertragen werden kann.
Erfindungsgemäß ist die Erhitzungseinrichtung derart ausgebildet, daß in den Durchströmkanälen entlang der Durchströmungseinrichtung die Oberflächentemperatur zumindest in einzelnen Bereichen unabhängig von anderen Bereichen einstellbar ist. Da das Medium aus einer Zuleitung an den Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle in diese eintritt, die Durchströmkanäle über deren gesamte Länge durchströmt und anschließend an den Austrittsöffnungen am Ende der Durchström- kanäle wieder in eine Ableitung austritt, ist das Temperaturprofil des Wärme aufnehmenden Mediums auch über die Länge der Durchströmkanäle beeinflußbar.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung kann die Zufuhr der zum Erhitzen und/oder Verdampfen der Medien bereitgestellten Wärmeenergie so gezielt gesteuert werden, daß eine Dampfblase im Bereich der Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle sicher verhindert wird, wobei das Medium dennoch auf die gewünschte Temperatur gebracht werden kann.
Wie im Hinblick auf den Stand der Technik bereits ausgeführt wurde, trat bei be- kannten Verdampfern der Fall auf, daß sich während der Aufheizung des Verdampfers vor diesem eine Art Dampfpfropfen bildete. Dieser wurde durch Verdampfen des Mediums direkt am Eintrittsbereich der Durchströmkanäle erzeugt. Der so erzeugte Dampf wurde nicht sofort entlang der Durchströmungsrichtung abgeführt, sondern staute sich vor den Kanälen auf. Gegen diesen Pfropfen, der einen Überdruck bildete, kam die Fördereinrichtung nur beschränkt bis gar nicht an, so daß sich die an der
Fördereinrichtung eingestellte Fördermenge drastisch reduzierte. Im Rahmen der Weiterentwicklung der bekannten Verdampfer wurde nun überraschenderweise herausgefunden, daß sich nach dem Abschalten der Erhitzungseinrichtung der Eintrittsbereich der Vorrichtung beziehungsweise der Durchström- kanäle schnell soweit abkühlt, daß kein Dampfpfropfen vor den Durchströmkanälen mehr aufgebaut wird. Das Medium wird dabei soweit vom Eintrittsbereich entfernt im Inneren des Verdampfers verdampft, daß es den Verdampfer in Durchströmungs- richtung verläßt, ohne daß ein zur nenneswerten Behinderung der Flüssigkeitszufuhr führender Überdruck des entstehenden Dampfes, beispielsweise durch Flüssigkeitstropfen in Mikrokanälen, aufgebaut wird. Die Fördereinrichtung kann deshalb die eingestellte Fördermenge durch den Verdampfer leiten. Dieser Effekt wurde in der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt.
Um zu vermeiden, daß die Erhitzungseinrichtung zunächst betätigt und dann abgeschaltet werden muß, damit eine störungsfreie Erhitzung und/oder Verdampfung des Mediums erfolgen kann, ist die Vorrichtung erfindungsgemäß dahingehend weiterge- bildet worden, daß an der Oberfläche der Strömungskanäle ein Temperaturprofil in
Strömungsrichtung gezielt eingestellt werden kann, so daß ein kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung möglich wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteran- Sprüchen.
Vorteilhaft können die Durchströmschichten in Mikrostrukturtechnik und die Durchströmkanäle als Mikrokanäle ausgebildet sein. Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung in Mikrostrukturtechnik wird erreicht, daß diese bei hoher Leistungs- fähigkeit besonders platzsparend ausgebildet werden kann. Dabei ist im allgemeinen vorgesehen, daß auf einem kleinen Bauraum im Kubikzentimeterbereich eine große Anzahl von mehreren tausend Mikrokanälen angeordnet ist. Durch diese Mikrokanäle, die jeweils eine Höhe und Breite von nur wenigen μm aufweisen, werden große spezifische Oberflächen, das heißt hohe Verhältnisse von Kanaloberfläche zu Kanal- volumen, geschaffen, über die der Wärmeaustausch besonders effektiv erfolgt.
Dadurch sind solche Vorrichtungen, insbesondere wenn sie als Verdampfer eingesetzt werden, außerordentlich leistungsfähig.
Wenn ein Verdampfer in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem, etwa einem Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, verwendet werden soll, steht in der Regel nur ein geringes Platzangebot zur Verfügung. Aus diesem Grund müssen die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems möglichst klein ausgebildet werden. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Verdampfer in Mikrostrukturtechnik verwendet werden.
Die Erhitzungseinrichtung ist regelmäßig derart ausgebildet, daß die Temperatur der Innenoberfläche zumindest in einzelnen Bereichen der Durchströmkanäle frei und unabhängig von anderen Bereichen einstellbar ist. Dadurch kann das Temperaturprofil den aktuellen Gegebenheiten angepaßt werden. Bei herkömmlichen Wärmeaustauschern und Verdampfern läßt sich die Leistung der Wärmequelle üblicherweise nur als ganzes beeinflussen, so dass im Fall einer Drosselung die Oberflächentemperatur über die gesamte Länge der Durchströmkanäle abgesenkt wird.
Erfindungsgemäß ist die Erhitzungseinrichtung derart ausgebildet, daß in den Durchströmkanälen entlang der Durchströmungseinrichtung ein Temperaturprofil im Medium nach der Beziehung T1 < T2 < T3 einstellbar ist, mit T1 = Temperatur im Eintritts- bereich der Durchströmkanäle, T3 = Temperatur im Austrittsbereich der Durchströmkanäle und T2 = Temperatur im Bereich zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich der Durchströmkanäle. Dies wird durch eine geeignete Wahl der Oberflächentemperatur in den Durchströmungskanälen erreicht und soll anhand eines Beispiels verdeutlicht werden.
Wenn in der Vorrichtung beispielsweise Wasser verdampft werden soll, muß über die von der Erhitzungseinrichtung erzeugte Oberflächentemperatur ein solches Temperaturprofil im Medium eingestellt werden, daß die im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle vorherrschende Temperatur T1 so klein ist, daß sich eine Dampfbiase vor den Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle nicht bilden kann. Beispielsweise kann die Temperatur T1 so gewählt werden, daß das Wasser im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle eine Temperatur von 80°C nicht übersteigt. Im weiteren Durchströmungsverlauf der Durchströmkanäle muß das Wasser auf Siedetemperatur T2 erhitzt und verdampft werden. Hierzu sollte die Oberflächentemperatur der Durchströmkanäle in dem Bereich, der sich dem Eintrittsbereich der Durchströmkanäle anschließt die Verdampfungstemperatur deutlich übersteigen. Beispielsweise kann die Oberflächentemperatur so gewählt werden, daß das Wasser beziehungsweise der bereits gebildete Wasserdampf je nach Druck bis auf eine Temperatur T2 von 150°C erwärmt wird.
Die Auswahl der Länge des Eintrittsbereichs und des zweiten Bereichs erfolgt vorzugsweise derart, daß die Verdampfung des Wassers erst möglichst weit im Inneren der Durchströmkanäle stattfindet. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß immer eine ausreichend große Menge an Flüssigkeit in die Durchströmkanäle nachströmen kann, so daß sich im Eintrittsbereich der Kanäle kein Überdruck aufbauen kann, der die Durchströmrate verringert. Um das mittlerweile verdampfte Wasser so zu überhitzen, daß der austretende Dampf eine für weitere Prozeßschritte erforderliche Temperatur T3 hat, muß die im Austrittsbereich der Durchströmkanäle eingestellte Oberflächentemperatur deutlich höher eingestellt werden. Beispielsweise kann eine Erhitzung des Dampfs in den Durch- strömkanälen auf eine Temperatur T3 von etwa 230°C angestrebt werden, wozu die
Kanaloberfläche im Austrittsbereich auf beispielsweise 350°C erhitzt werden müßte.
Bei dem vorstehend beschriebenen Beispiel handelt es sich um rein exemplarische Werte, die den grundlegenden Gedanken der Einstellung eines Temperaturprofils verdeutlichen sollen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die genannten Temperaturwerte beschränkt. Vielmehr hängt die Einstellung der jeweils erforderlichen Temperaturen von den zu erhitzenden und/oder verdampfenden Medien sowie der Struktur der Durchströmkanäle ab. Über die Struktur der Durchströmkanäle, die vorzugsweise als Mikrokanäle ausgebildet sind, wird die Oberfläche festgelegt, die mit dem zu er- hitzenden beziehungsweise zu verdampfenden Medium in Kontakt kommt. Je größer der Kontaktbereich zwischen Medium und Oberfläche ist, desto besser kann Wärme übertragen werden.
Vorteilhaft weist die Erhitzungseinrichtung mehrere Schichten auf, in denen zur Einstellung des Temperaturprofils jeweils eine elektrische Heizeinrichtung, insbesondere jeweils zwei oder mehr elektrische Heizelemente vorgesehen sind. Derartige Heizelemente können beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, als Heizdrähte, Heizpatronen oder dergleichen ausgebildet sein. Bei Betrieb einer mit den Heizelementen verbundenen elektrischen Leistungsquelle wird in den Heizelementen Wärme erzeugt, die dann an das zu erhitzende beziehungsweise verdampfende
Medium übertragen werden kann.
Zumindest einzelne Heizelemente sind frei und unabhängig von den anderen Heizelementen regelbar. Dadurch wird eine einfache und dennoch genaue Einstellung des Temperaturprofils in verschiedenen Bereichen der Durchströmkanäle im durchströmenden Medium über die jeweils vorhandene Oberflächentemperatur in den Durchströmkanälen möglich.
Dies soll anhand eines Beispiels beschrieben werden. Bei diesem Beispiel werden in Anlehnung an die weiter oben beschrieben drei einzustellenden Temperaturen T1 bis
T3 insgesamt drei elektrische Heizelemente eingesetzt. Es ist jedoch selbstverständlich, daß die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Heizelementen beziehungsweise von einzustellenden unterschiedlichen Temperaturbereichen des Temperaturprofils beschränkt ist. Vielmehr ergibt sich die Anzahl der erforderlichen Heizelemente wie die Anzahl unterschiedlicher Temperaturbereiche des Temperaturprofils nach der jeweiligen konkreten Anforderung an die Vorrichtung.
Wenn, wie beschrieben, drei Heizelemente verwendet werden, ist das erste Heizelement vorzugsweise derart in der Erhitzungseinrichtung angeordnet, daß die von diesem abgegebene Wärmeenergie die Temperatur T1 des Mediums im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle beeinflußt. Das dritte Heizelement ist vorzugsweise derart in der Erhitzungseinrichtung angeordnet, daß es die Temperatur T3 des
Temperaturprofils im Austrittsbereich der Durchströmkanäle bestimmt. Das zweite Heizelement ist vorzugsweise zwischen dem ersten und dem dritten Heizelement angeordnet und bestimmt die Temperatur T2 des Temperaturprofils des Mediums, die in demjenigen Bereich der Durchströmkanäle eingestellt wird, der sich zwischen dem Eintrittsbereich und dem Austrittsbereich befindet.
Um die Bildung einer schädlichen Dampfblase an den Eintrittsöffnungen der Durchströmkanäle zu verhindern, sollte die erste Heizpatrone mit vergleichsweise geringer Heizleistung betrieben werden. Auf diese Weise wird erreicht, daß das zu erhitzende beziehungsweise zu verdampfende Medium im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle die Verdampfungstemperatur nicht erreicht und in flüssigem Zustand verbleibt. Es kann auch eine Lösung vorgesehen sein, bei der auf ein Heizelement im Eintrittsbereich vollständig verzichtet wird. Das dritte Heizelement kann mit hoher Heizleistung beaufschlagt werden, während durch eine Leistungsvariation bei dem mittleren, zweiten Heizelement das Temperaturprofil variiert werden kann, so dass der Eintritt des zu verdampfenden Mediums in den Verdampfungsbereich in den Durchströmkanälen gezielt und je nach Bedarf individuell entlang der Kanallängsachse verschoben werden kann.
Bei einer solchen Ausführungsform ist das zweite Heizelement vorteilhaft frei regelbar ausgebildet, während das erste und das dritte Heizelement jeweils nicht regelbar ausgebildet sein können. Es ist jedoch auch möglich, daß alle Heizelemente frei und damit unabhängig voneinander regelbar sind. Dies läßt eine sehr genaue und gezielte Einstellung des Temperaturprofils und der Dampfaustrittstemperatur zu.
Vorzugsweise können sich die Heizelemente quer, insbesondere senkrecht zur Durchströmungsrichtung des Mediums über mehrere Durchströmkanäle erstrecken. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann die Erhitzungseinrichtung eine oder mehrere Schichten aufweisen, die zur Einstellung des Temperaturprofils jeweils eine Anzahl von Kanälen für ein Wärmeträgermedium umfassen.
Diese Schichten sind vorzugsweise in Mikrostrukturtechnik und die entsprechenden Kanäle als Mikrokanäle ausgebildet. Zu den Vorteilen wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit der Durchströmeinrichtung für das Medium verwiesen.
Bei dieser Ausführungsform wird die zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums erforderliche Wärmeenergie nicht über elektrische Heizelemente sondern über ein entsprechendes Wärmeträgermedium, das beispielsweise als Flüssigkeit wie Öl oder dergleichen ausgebildet sein kann, bereitgestellt. Wenn das zu erhitzende beziehungs- weise zu verdampfende Medium die Durchströmkanäle der Durchströmeinrichtung durchströmt, wird es durch das die Kanäle der Schichten der Erhitzungseinrichtung durchströmende Wärmeträgermedium erhitzt und bei Bedarf verdampft.
Vorteilhaft können die Kanäle der Schichten und die Durchströmkanäle der Durch- strömschichten winklig, vorzugsweise senkrecht zueinander ausgerichtet sein
("Kreuzstrombauweise"). Wenn die Vorrichtung als Verdampfer verwendet wird, bedeutet dies, daß die zu verdampfende Flüssigkeit in einer Strömungsrichtung durch die entsprechenden Durchströmkanäle strömt, die senkrecht zur Ausrichtung der Kanäle, in denen sich das Wärmeträgermedium befindet, ausgerichtet sind.
Es ist jedoch auch denkbar, daß die Kanäle der Schichten und die Durchströmkanäle der Durchströmschichten parallel zueinander ausgerichtet sind. In einer solchen Bauweise können das zu erhitzende beziehungsweise zu verdampfende Medium und das Wärmeträgermedium, wenn es beispielsweise flüssig oder gasförmig ausgebildet ist, die jeweiligen Kanäle parallel oder im "Gegenstromprinzip" durchströmen.
Die einzelnen Kanäle der Schicht können zur Einstellung eines Temperaturprofils jeweils mit Wärmeträgermedien unterschiedlicher Temperatur durchströmt werden. Bei einer solcher Ausgestaltung sind die einzelnen Kanäle der Schichten und die Durch- Strömkanäle der Durchströmschichten vorzugsweise in "Kreuzstrombauweise" ausgerichtet. Zur Einstellung der jeweiligen Temperaturbereiche des Temperaturprofils im durchströmenden Medium entlang der Durchströmungseinrichtung ist in diesem Fall vorgesehen, daß in den entsprechenden Bereichen der Erhitzungseinrichtung vorgesehene Kanäle mit unterschiedlich heißen, den jeweiligen Temperaturerfordernissen angepaßten Wärmeträgermedien durchströmt werden.
Die Bereitstellung unterschiedlich heißer Wärmeträgermedien kann auf verschiedene Weise erfolgen. So ist es beispielsweise möglich, verschiedene Quellen mit unterschiedlich heißen Wärmeträgermedien vorzusehen. Bei einer solchen Ausführungsform werden dann die jeweiligen Kanäle mit den entsprechenden Quellen der Wärmeträgermedien verbunden.
Es ist jedoch auch denkbar, daß nur eine einzige Wärmeträgermediumquelle vorgesehen ist, die mit allen Kanälen, die vom Wärmeträgermedium durchströmt werden sollen, verbunden ist. Das Wärmeträgermedium kann dann außerhalb der Vorrichtung in der jeweiligen Zuleitung zu den verschiedenen Kanälen der Erhitzungseinrichtung durch eine geeignete Heizquelle erhitzt und in bedarfsweise unterschiedlich erhitztem
Zustand durch die dafür vorgesehenen Kanäle der Erhitzungseinrichtung hindurchgeleitet werden. Die vom Wärmeträgermedium gespeicherte Wärmeenergie wird dabei an das zu erhitzende beziehungsweise zu verdampfende Medium abgegeben. Die Erhitzung des Wärmeträgermediums auf die erforderliche Temperatur kann beispiels- weise über elektrische Heizelemente, geeignete Wärmetauscher oder dergleichen erfolgen.
In weiterer Ausgestaltung können die Kanäle der Schichten katalytisch beschichtet sein. In diesem Fall kann als Wärmeträgermedium ein unter dem Einfluß der kataly- tischen Beschichtung exotherm reagierendes Reaktionsmedium vorgesehen sein.
Wenn dieses Reaktionsmedium die Kanäle durchströmt, wird durch die entsprechende Beschichtung der Kanalwände eine Reaktion ausgelöst, wobei Wärme entsteht. Diese Wärme kann auf das zu erhitzende beziehungsweise zu verdampfende Medium, das die Durchströmkanäle der Durchströmeinrichtung durchströmt, übertragen werden.
Wenn die Bereitstellung der erforderlichen Wärmeenergie auf diese Weise erfolgt, sind die Kanäle der Erhitzungseinrichtung und die Durchströmkanäle der Durchströmeinrichtung vorzugsweise entsprechend dem "Gegenstromprinzip" ausgerichtet. In diesem Fall korrespondiert der Austrittsbereich der Durchströmkanäle mit dem Eintrittsbereich der Kanäle der Erhitzungseinrichtung. Wenn das Reaktionsmedium die katalytisch beschichteten Kanäle durchströmt, wird es im Eintrittsbereich der Kanäle zunächst zu einer sehr heftigen Reaktion kommen, bei der sehr viel Wärme freigesetzt wird. Auf diese Weise kann in den Durchströmkanälen in deren Austrittsbereich eine sehr hohe Temperatur eingestellt werden. Wenn das Reaktionsmedium die katalytisch beschichteten Kanäle im weiteren Verlauf durchströmt, wird die Heftigkeit der auftretenden Reaktion und damit die Menge der entstehenden Wärmeenergie immer schwächer. Im Austrittsbereich der katalytisch beschichteten Kanäle ist die Reaktion am schwächsten, da ein Großteil des Reaktionsmediums bereits zuvor reagiert hat. Im Austrittsbereich der katalytisch beschichten Kanäle wird somit den Erfodemissen entsprechend nur eine relativ geringe Menge an Wärmeenergie zur Verfügung gestellt.
Da die katalytisch beschichteten Kanäle und die Durchströmkanäle vorzugsweise im
"Gegenstromprinzip" durchströmt werden, bedeutet dies, daß dem die Durchströmkanäle durchströmenden Medium im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle nur wenig Wärmeenergie zugeführt wird, wobei die Menge der zugeführten Wärmeenergie im weiteren Durchströmungsverlauf des Mediums durch die Durchströmkanäle zuneh- mend größer wird. Im Endbereich der Durchströmkanäle ist die zur Verfügung stehende Wärmeenergie am größten. Dadurch können die im Hinblick auf die elektrischen Heizelemente bereits beschriebenen vorteilhaften Effekte im Hinblick auf die Einstellung des Temperaturprofils erzielt werden.
Vorzugsweise können die Kanäle der Schichten einen oder mehrere Bereiche mit jeweils unterschiedlicher katalytischer Beschichtung aufweisen. Das Temperaturprofil kann durch eine solche Variation der katalytischen Beschichtung, beispielsweise einer Variation in der Erhitzungseinrichtung in Richtung der Längsachse der Kanäle, gezielt beeinflußt werden.
In der Zuleitung zur Eintrittsöffnung der Durchströmungskanäle kann wenigstens eine Fördereinrichtung, insbesondere eine Pumpe, vorgesehen sein. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit, in den Durchströmkanälen ein Temperaturprofil frei einzustellen, kann eine Fördereinrichtung verwendet werden, die gegenüber dem Umgebungsdruck nur einen geringen Überdruck erzeugt. Solche Fördereinrichtungen sind einfach und kostengünstig herstellbar.
In weiterer Ausgestaltung kann in der Zuleitung im Bereich der Eintrittsöffnung der Durchströmkanäle und/oder in der Ableitung im Bereich der Austrittsöffnung der Durchströmkanäle ein Temperatursensor vorgesehen sein. Über diesen Temperatursensor beziehungsweise diese Temperatursensoren können die Temperaturen des Mediums beim Eintritt in die Vorrichtung sowie beim Austritt aus der Vorrichtung erfaßt werden. Über die Erfassung der Temperaturen kann die Einstellung der zweckmäßigen Oberflächentemperatur in den Durchströmungskanälen gesteuert werden. Wenn die Temperatur im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle etwa zu hoch ist, kann durch eine entsprechende Ansteuerung der Erhitzungseinrichtung, beispielsweise der jeweiligen elektrischen Heizelemente, die Temperatur im Eintrittsbereich gesenkt werden. Auf entsprechende Weise kann das Temperaturprofil auch zu höheren Temperaturen hin variiert werden, wenn dies erforderlich ist.
Im Rahmen der Erfindung kann auch eine Erhitzungseinrichtung vorgesehen sein, die außer einer mit einem Wärmeträgermedium betriebenen Heizeinrichtung im Sinne einer Zusatzheizung auch eine elektrische Heizeinrichtung umfaßt. Auf diese Weise könnte voteilhaft eine Grundiast der Erwärmung über das Wärmeträgermedium eingebracht werden, während die erforderlichen höheren Temperaturen bereichsweise über die besonders einfach regelbare elektrische Zusatzheizung erzeugt werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien unter Verwendung einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung bereitgestellt, bei dem das zu erhitzende und/oder zu verdampfende Medium einen oder mehrere Durchströmkanäle wenigstens einer Durchströmeinrichtung durchströmt und dabei über wenigstens eine Erhitzungseinrichtung zum Bereitstellen von Wärmeenergie, die mit der wenigstens einen Durchströmeinrichtung im Sinne eines Wärmeaustauschers verbunden ist, erhitzt und/oder verdampft wird. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Erhitzungseinrichtung zur Beeinflussung der Oberflächentemperatur in den Durchströmkanälen in Strömungsrichtung des Mediums zumindest in einzelnen Bereichen unter voneinander unabhängig einstellbaren
Betriebsbedingungen betrieben wird. Das Medium wird daher in verschiedenen Bereichen der Durchströmkanäle in Strömungsrichtung unterschiedlich hohen Temperaturen ausgesetzt .
Auf diese Weise wird ein Verfahren geschaffen, mit dem flüssige oder gasförmige
Medien auf einfache und dennoch zuverlässige Weise erhitzt beziehungsweise verdampft werden können, ohne daß sich die im Stand der Technik auftretenden nachteiligen Dampfblasen im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle bilden können. Zu den Vorteilen, Effekten, Wirkungen und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Ver- fahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen. Die Erfindung sieht vor, daß das Temperaturprofil des Mediums zumindest in einzelnen Bereichen der Durchströmkanäle frei und unabhängig von anderen Bereichen variiert werden kann. Vorteilhaft kann die Oberflächentemperatur der Durchströmungskanäle derart eingestellt werden, daß im Eingangsbereich der Durchström- kanäle die im Hinblick auf das gewünschte Temperaturprofil niedrigste Temperatur vorherrscht.
Zur Einstellung der jeweils erforderlichen Oberflächentemperatur in einem Bereich der Durchströmkanäle kann eine elektrische Erhitzungseinrichtung mit entsprechend bereichsweise unterschiedlicher elektrischer Leistung betrieben werden. Im Falle einer mit einem Wärmeträgermedium betriebenen Erhitzungseinrichtung kann das Wärmeträgermedium mit einer entsprechend bereichsweise unterschiedlichen Anfangstemperatur in die jeweilige Eintrittsöffnung der Durchströmkanäle geführt werden. Auch über eine Variation der Strömungsgeschwindigkeit des Wärmeträgermediums in einzelnen Durchströmkanälen gegenüber anderen läßt sich eine Beeinflussung der
Oberflächentemperatur in einem Bereich entlang der Durchströmeinrichtung zur Ausbildung eines erwünschten Temperaturprofils im zu behandelnden Medium bewirken. Selbstverständlich kann auch, wie vorstehend bezüglich der Vorrichtung bereits erwähnt, durch eine elektrische Zusatzheizung die durch eine mit einem Wärme- trägermedium betriebene Erhitzungseinrichtung erhältliche Oberflächentemperatur bei
Bedarf örtlich angehoben werden, also insbesondere im Ausgangsbereich der Durchströmkanäle.
Besonders vorteilhaft kann eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder ein wie vorstehend beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen eines Brennstoffs und/oder eines Kraftstoffs verwendet werden.
Ein solcher Brennstoff und/oder Kraftstoff kann beispielsweise zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eingesetzt werden. Ein Brennstoffzellensystem besteht in der
Regel aus einer oder mehreren Brennstoffzellen, die wenigstens eine Zuleitung und wenigstens eine Ableitung für einen Brennstoff sowie wenigstens eine Zuleitung und wenigstens eine Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweisen. Weiterhin ist üblicherweise eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs vorgesehen, in der der Brennstoff aus einem Ausgangsmaterial (Kraftstoff) zunächst hergestellt beziehungsweise aufbereitet wird. Vorteilhaft kann die Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Brennstoffs eine Anzahl von Reaktorelementen aufweisen, beispielsweise einen Verdampfer, einen Reformer, einen Shift-Reaktor und einen Reaktor für eine selektive Oxidation. Die einzelnen Reaktorelemente sind über entsprechende Leitungen miteinander ver- bunden, so daß der Brennstoff während seiner Erzeugung beziehungsweise Aufbereitung die einzelnen Reaktorelemente nacheinander durchströmt. Wenigstens eines der Reaktorelemente, vorzugsweise der Verdampfer, ist als eine wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung ausgebildet. Ein solcher Verdampfer ist etwa erforderlich, wenn Wasserstoff aus Methanol, Benzin, Erdgas, Ethanol oder anderen flüssigen Kohlenwasserstoffen reformiert werden soll. Dem Verdampfer muß zum Betrieb Wärme zugeführt werden.
Vorteilhaft kann ein wie vorstehend beschriebenes Brennstoffzellensystem in einem oder für ein Fahrzeug verwendet werden. Auf Grund der rasanten Entwicklung in der Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor bietet eine solche Verwendung zur Zeit besonders gute Einsatzmöglichkeiten. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellen für mobile Geräte wie Computer oder dergleichen bis hin zu stationären Einrichtungen wie Kraftwerksanlagen. Besonders eignet sich die Brennstoffzellentechnik auch für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
In bevorzugter Weise wird die vorliegende Erfindung in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM) verwendet. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem
Verschleiß.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in stark schematisierter und vereinfachter Ansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen von Medien sowie diverse Peripherieeinrichtungen,
Fig. 2 in schematischer, seitlicher Ansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen von Medien und Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf den Eintrittsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in Figur 2 dargestellt ist.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Erhitzen und/oder Verdampfen von Medien dargestellt, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Verdampfer für flüssige Medien ausgebildet ist. Der Verdampfer 10 kann beispielsweise Bestandteil einer nicht dargestellten Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Brennstoffs für ein ebenfalls nicht dargestelltes Brennstoffzellensystem sein. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Anwendungsform beschränkt, so daß die Vorrichtung 10 grundsätzlich für alle Anwendungen einsetzbar ist, in denen ein flüssiges oder gasförmiges Medium erhitzt und/oder verdampft werden soll.
Die Vorrichtung 10 ist an ihrer Eingangsseite 1 1 mit einer Zuleitung 13 verbunden, über die das zu verdampfende flüssige Medium, beispielsweise ein als Ausgangsmaterial für den Brennstoff einer Brennstoffzelle dienender Kraftstoff wie Methanol, Ethanol, Benzin oder dergleichen, in den Verdampfer 10 eingeleitet wird. An seiner Ausgangsseite 12 ist der Verdampfer 10 mit einer Ableitung 14 verbunden, über den der in den dampfförmigen Zustand überführte Kraftstoff aus dem Verdampfer 10 abge- leitet und anderen Reaktorelementen wie beispielsweise einem nicht dargestellten
Reformer zugeführt wird. Zur Einstellung einer vorgegebenen Fördermenge ist in der Zuleitung 13 eine als Pumpe ausgebildete Fördereinrichtung 15 vorgesehen, mit der ein gegenüber dem Umgebungsdruck geringer Überdruck erzeugt werden kann.
Zur Temperaturmessung am Eintritt sowie am Austritt des Verdampfers 10 ist in der
Zuleitung 13 und in der Ableitung 14 jeweils ein Temperatursensor 16, 17 vorgesehen.
Der Verdampfer 10 sowie dessen Funktionsweise werden nun in Verbindung mit den Figuren 2 und 3 näher beschrieben.
Der Verdampfer 10 ist in Mikrostrukturtechnik ausgebildet. Er verfügt über insgesamt drei Durchströmeinrichtungen 20, die jeweils zwei Durchströmschichten 21 mit einer Anzahl von Durchströmkanälen 22 aufweisen. Die Durchströmschichten 21 sind in Mikrostrukturtechnik und die Durchströmkanäle 22 sind als Mikrokanäle ausgebildet. An der oberen und unteren Seite ist der Verdampfer 10 mit einem oberen Deckelelement 40 bzw. einem unteren Deckelelement 41 abgeschlossen. Zwischen den einzelnen Durchströmeinrichtungen 20 sind jeweils Erhitzungseinrichtungen 30 vorgesehen. Die Erhitzungseinrichtungen 30 bestehen im vorliegenden Beispiel aus jeweils einer Schicht 31 , in der eine Anzahl von Heizelementen, im vorliegenden Fall drei elektrisch Heizelemente 32, 33, 34, angeordnet sind.
Die Heizelemente 32, 33, 34, die z. B. als Heizwendeln, Heizpatronen oder dergleichen ausgebildet sein können, sind mit einer nicht dargestellten elektrischen Leistungsquelle verbunden. Bei Aufnahme elektrischer Leistung aus der elektrischen Leistungsquelle erwärmen sich die Heizelemente 32, 33, 34. Die so erzeugte Wärmeenergie kann an die Durchströmkanäle 22 abgegeben werden und sorgen dort für eine entsprechen hohe Oberflächentemperatur.
Auch wenn im Beispiel gemäß den Figuren 2 und 3 jeweils drei Heizelemente pro Schicht 31 vorgesehen sind, ist die Erfindung nicht auf diese spezielle Anzahl von Heizelementen beschränkt. Ebenso kann, wie weiter oben in der Beschreibung bereits ausführlich dargelegt wurde, auf die Verwendung von elektrischen Heizelementen verzichtet werden. Stattdessen können verschiedene Schichten mit Kanälen vorgesehen sein, die in ihrem Aufbau in etwa den Durchströmschichten 21 und den Durchströmkanälen 22 entsprechen. Durch diese Kanäle kann dann ein entsprechend geeignetes Wärmeträgermedium mit der für die angestrebte Oberflächentemperatur jeweils erforderlichen Temperatur hindurchgeleitet werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 2 und 3 sind insgesamt zwei Erhitzungseinrichtungen 30 vorgesehen, die zwischen den Durchströmeinrichtungen 20 angeordnet sind, so daß sich eine abwechselnde Schichtfolge von jeweils einer Durchströmeinrichtung 20 und einer Erhitzungseinrichtung 30 ergibt. Die Anzahl und
Anordnung der erforderlichen Durchströmeinrichtungen 20 und Erhitzungseinrichtungen 30 für den Verdampfer 10 ergibt sich je nach Bedarf und Anwendungsfall.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Verdampfers 10 beschrieben.
Das zu verdampfende Medium tritt als Medium-Zustrom 42 aus der in der Figur 1 dargestellten Zuleitung 13 über entsprechende Eintrittsöffnungen 26 in die Durchströmkanäle 22 ein. Anschließend durchströmt es die Durchströmkanäle 22 in Strömungsrichtung D, das heißt in Richtung der Kanallängsachsen der Durchström- kanäle 22. Während der Durchströmung der Durchströmkanäle 22 wird das zunächst flüssige Medium verdampft. Das in den dampfförmigen Zustand übergegangene Medium verläßt den Verdampfer 10 beziehungsweise die Durchströmkanäle 22 als Medium-Abstrom 43 über entsprechende Austnttsoffnungen 27 der Durchstromkanale 22 Das nunmehr dampfförmige Medium wird anschließend über die in Figur 1 dargestellte Ableitung 14 weitergeleitet
Um zu vermeiden, daß sich eine wie im Stand der Technik beschriebene nachteilige
Dampfblase im Bereich der Eintrittsoffnungen 26 der Durchstromkanale 22 bilden kann, wodurch ein Durchströmen der Durchstromkanale 22 mit dem zu verdampfenden Medium behindert oder gar unterbunden werden kann, ist erfindungs- gemaß vorgesehen, daß über die Erhitzungseinrichtung 30 in den Durchstromkanalen 22 in Stromungsrichtung D des Mediums ein Profil der Oberflachentemperaturen eingestellt wird, so daß das die Durchstromkanale 22 durchströmende Medium in verschiedenen Bereichen der Durchstromkanale 22 abschnittsweise unterschiedlich hohen Temperaturen ausgesetzt wird
Dies wird im Ausfuhrungsbeispiel durch die Heizelemente 32, 33, 34 erreicht Diese
Heizelemente sind senkrecht zu den Durchstromkanalen 22 ausgerichtet und erstrecken sich jeweils über alle Durchstromkanale 22 der zugeordneten Durch- stromungsschichten 21 Auf diese Weise wird ein Verdampfer 10 geschaffen, in dem die von den Heizelementen 32, 33, 34 erzeugte und bereitgestellte Wärmeenergie abschnittsweise auf das die Durchstromkanale 22 durchströmende, zu verdampfende
Medium übertragen wird Dies entspricht in etwa einer "Kreuzstrombauweise" allerdings mit dem Unterschied, dass die elektrischen Heizelemente über ihre gesamte Lange hinweg eine gleich hohe Wärmeleistung abgeben können, wahrend bei einem mittels Warmetragermedium beheizten Verdampfer die Wärmeleistung wegen der abnehmenden Temperatur des Warmetragermediums von Durchstromungskanal zu
Durchstromungskanal kontinuierlich abnimmt
Die einzelnen Heizelemente 32, 33, 34 sind frei und unabhängig voneinander regelbar Über die Heizelemente 32, 33, 34 kann ein Temperaturprofil des Mediums in Durch- stromungsrichtung D durch die Durchstromkanale 22 nach der Beziehung T1 < T2 <
T3 eingestellt werden, wobei mit T1 die Temperatur im Eintrittsbereich 23 der Durchstromkanale 22, mit T3 die Temperatur im Austrittsbereich 24 der Durchstromkanale 22 und mit T2 die Temperatur im Bereich 25 zwischen dem Eintrittsbereich 23 und dem Austrittsbereich 24 der Durchstromkanale 22 bezeichnet ist
Um die störende Bildung einer Dampfblase vor den Eintrittsoffnungen 26 der Durchstromkanale 22 zu verhindern, wird das Heizelement 32 nur gering beheizt, so daß sich im Eintrittsbereich 23 die im Hinblick auf das Temperaturprofil geringste Temperatur einstellt. Diese Temperatur T1 ist so zu wählen, daß das zu verdampfende Medium zwar erhitzt, nicht jedoch bereits verdampft wird. Auf diese Weise kann das zu verdampfende Medium vorgewärmt, aber in noch flüssigem Zustand in die Durch- Strömkanäle 22 eintreten. Weiterhin wird gewährleistet, daß das flüssige Medium auch im gesamten Eintrittsbereich 23 der Durchströmkanäle 22 in flüssigem Zustand verbleibt. Das mit dem Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 korrespondierende Heizelement 34 kann mit sehr hoher Heizleistung beaufschlagt werden, während durch eine Leistungsvariation bei dem mittleren Heizelement 33 das Temperaturprofil im Bereich 25 der Durchströmkanäle 22 variiert werden kann. Damit kann der Ort, wo das bis dahin noch flüssige Medium in den dampfförmigen Zustand überzugehen beginnt, je nach Bedarf innerhalb der Durchströmkanäle 22 nach vorne oder nach hinten verschoben werden. Wenn das Heizelement 33 mit nur geringer Heizleistung beaufschlagt wird, bedeutet dies, daß die in den Durchströmkanälen 22 herrschende Oberflächentemperatur und folglich auch die Temperatur T2 des Mediums gering ist, wodurch die Verdampfung des flüssigen Mediums reduziert beziehungsweise ausgesetzt wird. Wenn hingegen das Heizelement 33 mit hoher Heizleitung beaufschlagt wird, wird sich auch die Oberflächentemperatur in den Durchströmkanälen 22 erhöhen, so daß im Bereich 25 ein größerer Anteil des flüssigen Mediums verdampft wird.
Die Einstellung und Steuerung der jeweiligen Heizelemente 32, 33, 34 kann über entsprechende Steuersignale erfolgen, die über Temperaturmessungen mit Hilfe der Temperatursensoren 16, 17 generiert werden.
Um eine vollständige und störungsfreie Verdampfung eines flüssigen Mediums erreichen zu können, wird das Heizelement 32 mit solch einer Heizleistung beaufschlagt, daß das die Durchströmkanäle 22 durchströmende, noch flüssige Medium, einer Oberflächentemperatur ausgesetzt wird, bei der es zwar auf eine Temperatur T1 erhitzt, jedoch noch nicht verdampft wird. Nachdem das noch flüssige Medium den Eintrittsbereich 23 der Durchströmkanäle 22 verlassen hat, kommt es in den Einflußbereich des Heizelements 33. Dieses Heizelement 33 wird mit einer erhöhten Heizleistung beaufschlagt, so daß das noch flüssige Medium in dem dem Eintrittsbereich 23 folgenden Bereich 25 der Durchströmkanäle 22 einer über der Verdampfungstemperatur T2 liegenden Oberflächentemperatur ausgesetzt wird, daß es verdampft wird. Da aus dem Eintrittsbereich 23 immer flüssiges Medium nachströmt, wird sicher verhindert, daß sich vor den Eintrittsöffnungen 26 der Durchströmkanäle 22 eine störende Dampfblase bilden kann. Um zu gewährleisten, daß der über die Austritts- Öffnungen 27 aus den Durchströmkanälen 22 austretende dampfförmige Medium- Abstrom 43 die für die weiteren Prozeßschritte erforderliche Temperatur aufweist, kann es notwendig sein, das dampfförmige Medium im Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 zu überhitzen. Dazu wird das mit dem Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 korrespondierende Heizelement 34 mit sehr hoher Heizleistung beaufschlagt. Auf diese Weise wird eine entsprechend hohe Oberflächentemperatur erzeugt, der das bereits verdampfte Medium im Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 ausgesetzt wird, so dass es sich auf die Überhitzungstemperatur T3 erwärmt. Der so überhitzte gasförmige Medium-Abstrom 43 kann über die Ableitung 14 weiteren Prozeßschritten oder Reaktorelementen, wie beispielsweise einem Reformer, zugeführt werden.
Bezugszeichenliste
10 = Vorrichtung zum Erhitzen/Verdampfen von Medien (Verdampfer) 1 1 = Eingangsseite
12 = Ausgangsseite
13 = Zuleitung
14 = Ableitung
15 = Fördereinrichtung (Pumpe) 16 = Temperatursensor
17 = Temperatursensor
20 = Durchströmeinrichtung
21 = Durchströmschicht
22 = Durchströmkanal 23 = Eintrittsbereich
24 = Austrittsbereich
25 = Bereich zwischen Eintrittsbereich und Austrittsbereich
26 = Eintrittsöffnung
27 = Austrittsöffnung 30 = Erhitzungseinrichtung
31 = Schicht
32 = Heizelement
33 = Heizelement
34 = Heizelement 40 = Deckelelement (oben)
41 = Deckeielement (unten)
42 = Medium-Zustrom
43 = Medium-Abstrom D = Strömungsrichtung

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien, mit wenigstens einer Durchströmeinrichtung (20), die eine oder mehrere Durchströmschichten (21 ) mit jeweils einem oder mehreren Durchströmkanälen (22) für das Medium aufweist, wobei die Durchströmkanäle (22) jeweils eine Eintrittsöffnung (26) und eine Austrittsöffnung (27) aufweisen und die Eintrittsöffnung (26) mit einer Zuleitung (13) und die Austrittsöffnung (27) mit einer Ableitung (14) verbindbar ist, und mit wenigstens einer aus einer oder mehreren Schichten (31 ) gebildeten Erhitzungseinrichtung (30) zum Bereitstellen der zum Erhitzen und/oder Verdampfen des Mediums benötigten Wärmeenergie, die mit der Durchströmeinrichtung (20) im Sinne eines Wärmeaustauschers verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung einer Einstellbarkeit der Oberflächentemperaturen der Durchströmkanäle zumindest in einzelnen Bereichen (23, 24, 25) der Durchströmkanäle (22) in Strömungsrichtung (D) unabhängig von anderen Bereichen die Heizleistung der Erhitzungseinrichtung (30) bereichsweise einstellbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmschichten (21 ) in Mikrostrukturtechnik und dass die Durchströmkanäle (22) als Mikrokanäle ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungseinrichtung (30) eine oder mehrere Schichten (31 ) aufweist, in denen zur Einstellung des Temperaturprofils jeweils eine elektrische Heizeinrichtung vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Heizeinrichtung jeweils zwei oder mehr elektrische Heizelemente (32, 33, 34) aufweist und zumindest einzelne Heizelemente (32, 33, 34) frei und unabhängig von den anderen Heizelementen regelbar sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente (32, 33, 34) sich quer zur Strömungsrichtung (D) des Mediums über mehrere Durchströmkanäle (22) erstrecken.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungseinrichtung (30) eine oder mehrere Schichten (31 ) aufweist, die zur Einstellung des Temperaturprofils jeweils eine Anzahl von Kanälen für ein Wärmeträgermedium umfassen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht(en) (31 ) in Mikrostrukturtechnik und daß die Kanäle als
Mikrokanäle ausgebildet ist/sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der Schicht(en) (31 ) und die Durchströmkanäle (22) der
Durchströmschichten (21 ) winklig, insbesondere senkrecht, zueinander ausgerichtet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Kanäle der Schicht(en) (31 ) zur Einstellung des Temperaturprofils mit Wärmeträgermedien unterschiedlicher Temperatur durchströmt werden oder durchströmbar sind.
10. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der Schicht(en) (31 ) und die Durchströmkanäle (22) der Durchströmschichten (21 ) parallel zueinander ausgerichtet sind.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der Schicht(en) (31 ) katalytisch beschichtet sind und daß als Wärmeträgermedium ein unter dem Einfluß der katalytischen Beschichtung exotherm reagierendes Reaktionsmedium vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle der Schicht(en) (31 ) einen oder mehrere Bereiche mit jeweils unterschiedlicher katalytischer Beschichtung aufweisen.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (13) wenigstens eine Fördereinrichtung (15), insbesondere eine Pumpe, vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (13) im Bereich der Eintrittsöffnung (26) der Durchström- kanäle (22) und/oder in der Ableitung (14) im Bereich der Austrittsöffnung (27) der Durchströmkanäle (22) ein Temperatursensor (16, 17) vorgesehen ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungseinrichtung (30) eine mit einem Wärmeträgermedium betriebene Heizeinrichtung und zusätzliche zumindest in einzelnen Bereichen entlang den Durchströmkanälen (22) im Sinne einer Zusatzheizung auch eine elektrische Heizeinrichtung umfaßt.
16. Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger
Medien unter Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem das zu erhitzende und/oder zu verdampfende Medium einen oder mehrere Durchströmkanäle wenigstens einer Durchströmeinrichtung durchströmt und dabei über wenigstens eine Erhitzungseinrichtung zum Bereitstellen von Wärmeenergie, die mit der wenigstens einen Durchströmeinrichtung im Sinne eines Wärmeaustauschers verbunden ist, erhitzt und/oder verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungseinrichtung zur Beeinflussung der Oberflächentemperatur in den Durchströmkanälen in Strömungsrichtung des Mediums zumindest in einzelnen Bereichen unter voneinander unabhängig einstellbaren Betriebsbe- dingungen betrieben wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Erhitzungseinrichtung mit bereichsweise unterschiedlicher elektrischer Leistung betrieben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mit einem Wärmträgermedium betriebene Erhitzungseinrichtung bereichsweise mit unterschiedlich hoher Temperatur und/oder mit unterschiedlich großer Strömungsgeschwindigkeit in die jeweilige Eintrittsöffnung der Durchströmkanäle geführt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur in den Durchströmungskanälen, die durch die mit einem Wärmeträgermedium betriebene Erhitzungseinrichtung beheizt werden, bereichsweise durch eine elektrische Zusatzheizung eingestellt wird.
20. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 16 bis 19 zum Erhitzen und/oder Verdampfen eines Brennstoffs und/oder eines Kraftstoffs.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erhitzen und/oder Verdampfen flüssiger oder gasförmiger Medien, bei der/dem das zu erhitzende und/oder zu verdampfende Medium wenigstens eine Durchströmeinrichtung durchströmt, die eine oder mehrere Durchströmschichten mit jeweils einem oder mehreren Durchströmkanälen aufweist. Die Durchströmkanäle sind als Mikrokanäle ausgebildet. Das Medium wird über wenigstens eine Erhitzungseinrichtung zum Bereitstellen von Wärmeenergie, die mit der Durchströmeinrichtung verbunden ist, erhitzt. Über die Erhitzungseinrichtung wird in den Durchströmkanälen in Strömungsrichtung des Mediums ein Temperaturprofil eingestellt, so dass das die Durchströmkanäle durchströmende Medium in verschiedenen Bereichen der
Durchströmkanäle unabhängig voneinander einstellbaren, unterschiedlich hohen Oberfiächentemperaturen ausgesetzt wird und sich auf diese Weise gezielt auf unterschiedlich hohe Temperaturen erwärmen kann.
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