DE10010400C2 - Device and method for heating and / or evaporating liquid or gaseous media - Google Patents
Device and method for heating and / or evaporating liquid or gaseous mediaInfo
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Description
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.The present invention relates to a device for heating and / or evaporation liquid or gaseous media according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a method for heating and / or evaporation liquid or gaseous media according to the preamble of claim 16. Finally, the invention also relates to a special use of the device and of the procedure.
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.Devices for heating and / or evaporating liquid or gaseous media are already known and are used for different tasks. A advantageous, exemplary application for evaporators is in the range Fuel cell technology. Fuel cells have been known for a long time and have significantly in the automotive industry in particular in recent years gained in importance.
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.Similar to battery systems, fuel cells generate electrical energy chemical way, but the individual reactants from the outside continuously fed and the reaction products are continuously removed. Here lies the Fuel cells are based on the functional principle that there are electrically neutral molecules or connect atoms and exchange electrons.
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.This process is called the redox process. With the fuel cell, the Oxidation and reduction processes spatially separated from each other via a membrane Cut. The membranes used have the property of protons exchange, but retain gases. The given in the reduction Electrons can be conducted as electrical current through a consumer, for example the electric motor of an automobile.
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.As gaseous reactants for the fuel cell, for example Hydrogen is used as fuel and oxygen as oxidant. Do you want that Fuel cell with an easily available or easy to store fuel such as Operate natural gas, methanol, gasoline or the like, you have to Hydrocarbons in an arrangement for producing / processing a fuel first convert to a hydrogen-rich gas. At least one of the Reactor elements of the arrangement for generating / processing the fuel is it is an evaporator. The evaporator has the task of being the raw material (Fuel and / or water) to obtain the suitable for the fuel cell Evaporate fuel before it is in the vapor state further treatment in the next reactor element, for example in one Reformer is initiated.
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.The known devices for heating and / or evaporating liquid or vaporous media, but have a number of disadvantages, especially when when used as an evaporator.
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 Austrittsöffnung. 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.The known devices usually have at least one Flow device for the medium to be treated with one or more Flow-through layers, the flow-through layer each having a number of Flow channels are provided. The flow channels have their Entry side via an entry opening and on their exit side via an exit opening. The medium to be evaporated or heated passes over the An entry opening into the flow channels, flows through them, it being by means of a Heater is heated or evaporated, and then occurs at the Exit side via the outlet opening from the respective flow channel. The Through-flow channels are connected via their inlet openings to the supply line medium which is to be heated and / or to be evaporated and via its outlet openings a corresponding derivative connected. There is usually one in this supply line Conveying device, for example a pump, provided that the medium in the Flow channels pumped into it. This conveyor is usually like this designed that they have only a slight overpressure compared to the pressure at the Outlet openings of the flow channels created.
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.The provision of those required for heating and / or evaporating the medium Thermal energy takes place via at least one heating device which consists of or several layers is formed and which with the flow device in the sense of a Heat exchanger is connected. The heating device can, for example have a number of electrically operated heating cartridges. The heating cartridges are all driven with the same power, so that the heating cartridges in the Flow channels generated surface temperature over which the Medium flowing through flow channels is heated or evaporated, along the entire flow device through the flow channels approximately is the same if the medium is not yet flowing through the flow channels.
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 Oberflächentemperaturen 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 Flüssigkeitssäule 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.Due to the low overpressure of the pump, especially when Start-up of the device in the entry area around the entry openings of the Flow channels form a vapor bubble, because the medium due to the high Surface temperatures already in the inlet area of the flow channels starts to evaporate. The pressure in the vapor bubble can result from the Flow resistance in the upstream part of a flow channel, in which, for example, may not yet have vaporized droplets, so high that it reaches or even exceeds the pump pressure. This can take under Circumstances of the liquid column against the actual flow direction be pushed back or come to a standstill. The smaller the cross section of the Flow channels, the greater the flow resistance and thus the Danger that the flow rate through the device is significantly reduced. in the At worst, the situation may arise that the flow through the device is even completely prevented.
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.This also means that the thermal energy generated by the heating cartridges is not can be derived to a sufficient extent so that the entire device undesirably overheated.
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. The present invention is based on the cited prior art Task based on a device and a method of the type mentioned to further develop such that the disadvantages described are avoided.
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.In particular, an apparatus and a method are to be provided with heating in a simple yet reliable manner and / or Evaporation of a liquid or gaseous medium is made possible.
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 Austrittsöffnung 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 Erhitzungseinrichtung 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.This object is achieved according to the first aspect of the present invention by a device for heating and / or evaporating liquid or gaseous Media, with at least one flow device, the one or more Flow layers with one or more flow channels for each Medium, wherein the flow channels each have an inlet opening and Have outlet opening and the inlet opening with a feed line and the Outlet opening can be connected to a discharge line for the medium, and with at least a heating device formed from one or more layers for Provide those needed to heat and / or evaporate the medium Thermal energy generated by the flow device in the sense of a heat exchanger connected is. This device is characterized in that the heating device is designed such that the surface temperature of the Flow channels at least in individual areas of the flow channels in Flow direction (D) of the medium can be set independently of other areas are.
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 Oberflächentemperaturprofil derart ausgebildet ist, daß die Temperatur im Eintrittsbereich der Durchströmkanäle 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.The adjustability of the surface temperature in the flow direction of the Medium through the flow channels can be reliably prevented the disadvantageous vapor bubble described above in the area of the inlet openings the flow channels can form. Avoiding such a vapor bubble can are particularly advantageously prevented if that Surface temperature profile is designed such that the temperature in Entry area of the throughflow channels is significantly smaller than in the rest of them Areas. Advantageous embodiments, such as a suitable temperature profile can be set will be explained in more detail later in the description.
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. The device according to the invention is basically suitable for heating media and / or evaporate. It is particularly advantageous if the Flow-through layer each in micro technology with micro-channels for the passage of the medium to be treated is formed.
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.For example, the device according to the invention can be used to to heat gaseous or liquid media. The media is heated in such a way that over the heating device along the flow device on the Such a temperature profile is set on the surfaces of the flow channels that A sufficiently low temperature in the inlet area of the flow channels Medium prevails in which the formation of a vapor bubble is reliably prevented. In the areas of the throughflow channels following the inlet area, a higher temperature can be set so that the gaseous or liquid medium is heated to the desired temperature.
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.Another possible application of the device according to the invention is for example in their use as an evaporator for a liquid medium. In In this case, the temperature profile on the surfaces of the flow channels again set so that the temperature in the inlet area of the throughflow channels so it is small that the formation of a vapor bubble is prevented. In the subsequent Areas are located at a sufficient distance from the entrance area over the Heating device provided so much heat energy that the Medium flowing through channels can be evaporated. In it Subsequent areas then heat energy according to the required Outlet temperature of the steam supplied.
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.In the following, the invention is based on a vaporizer Device described. However, it goes without saying that the invention is not based on this special configuration is limited.
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. The evaporator has at least one throughflow device through which the evaporating liquid medium is passed through. The flow device comprises one or more flow layers, each with one or more Flow channels. The liquid medium to be evaporated appears on the Inlets of the flow channels, flows through and leaves the Flow channels through their outlet openings. During that to be evaporated liquid medium the flow channels of the at least one flow device flows through, it is provided by the at least one further Heater heats and evaporates.
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.The heating device, which is connected to the flow device, exists from one or more layers and can be formed in different ways his. In principle, the invention is not based on a specific embodiment of the Heating device limited. Rather, this only has to be suitable for Heating and / or evaporation of the medium required thermal energy available to deliver.
Vorteilhaft können jeweils mehr als eine Durchströmeinrichtung und eine Erhitzungseinrichtung 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.Advantageously, more than one throughflow device and one Heating device may be provided. Each is preferably one Flow device and a heating device alternately one above the other arranged so that a layer sequence arises. The number of for the device, for example the evaporator, flow devices used and Heating devices result in particular from the performance requirements for the Contraption.
Die Durchströmeinrichtung und die Erhitzungseinrichtung sind so miteinander verbunden, daß die von der Erhitzungseinrichtung erzeugte Wärmeenergie auf das die Durchströmkanäle der Durchströmeinrichtung durchströmende Medium übertragen werden kann.The throughflow device and the heating device are thus together connected that the thermal energy generated by the heating device on the Flow channels of the medium flowing through the flow device can be.
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 Durchströmkanäle wieder in eine Ableitung austritt, ist das Temperaturprofil des Wärme aufnehmenden Mediums auch über die Länge der Durchströmkanäle beeinflußbar.According to the heating device is designed such that in the Flow channels along the flow device Surface temperature independent of others, at least in some areas Ranges is adjustable. Since the medium from a supply line at the inlet openings the flow channels enter them, the flow channels over their entire length Flows through and then at the outlet openings at the end of the The flow profile emerges through a drainage pipe again Heat absorbing medium also over the length of the flow channels influenced.
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. Due to the inventive design of the device, the supply of the Heating and / or evaporation of the thermal energy provided in a targeted manner be controlled that a vapor bubble in the area of the inlet openings of the Flow channels is safely prevented, the medium nevertheless on the desired temperature can be brought.
Wie im Hinblick auf den Stand der Technik bereits ausgeführt wurde, trat bei bekannten 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 Durchströmkanäle 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 Durchströmungsrichtung verläßt, ohne daß ein zur nennenswerten 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.As has already been stated with regard to the prior art, joined known evaporators the case that during the heating of the Evaporator before this formed a kind of steam plug. This was through Evaporation of the medium generated directly at the inlet area of the flow channels. The steam thus generated was not immediately along the flow direction dissipated, but dammed up in front of the canals. Against this stopper, the one Formed overpressure, the conveyor arrived only to a limited extent, so that the delivery rate set on the conveyor was drastically reduced. As part of the further development of the well-known evaporator has now been surprisingly found that after switching off the Heating device of the entry area of the device or the Flow channels quickly cool down so that no steam plug in front of the Flow channels is built up more. The medium is so far from Entry area away inside the evaporator that evaporates it Evaporator leaves in the direction of flow without any significant Obstruction of the liquid supply leading overpressure of the steam, is built up, for example, by liquid drops in microchannels. The Conveyor can therefore the set flow rate through the evaporator conduct. This effect was used in the device according to the invention.
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 weitergebildet worden, daß an der Oberfläche der Strömungskanäle ein Temperaturprofil in Strömungsrichtung gezielt eingestellt werden kann, so daß ein kontinuierlicher Betrieb der Vorrichtung möglich wird.To avoid the heater being actuated first and then must be switched off so that trouble-free heating and / or evaporation of the medium, the device is according to the invention in this regard have been further developed that on the surface of the flow channels Temperature profile in the direction of flow can be set so that a continuous operation of the device is possible.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Advantageous embodiments of the device result from the Dependent claims.
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 Leistungsfähigkeit 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 Kanalvolumen, geschaffen, über die der Wärmeaustausch besonders effektiv erfolgt. Dadurch sind solche Vorrichtungen, insbesondere wenn sie als Verdampfer eingesetzt werden, außerordentlich leistungsfähig.The flow layers in microstructure technology and the Flow channels can be designed as microchannels. By designing the Device in microstructure technology is achieved that this at high Performance can be trained to save space. It is in generally provided that in a small space in the cubic centimeter range a large number of several thousand microchannels is arranged. Through this Microchannels, each with a height and width of only a few µm, are large specific surfaces, i.e. high ratios of channel surface to Channel volume created through which the heat exchange takes place particularly effectively. This makes such devices, especially when used as evaporators become extraordinarily powerful.
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.When an evaporator is connected to a fuel cell system, such as one Fuel cell system for a vehicle that is to be used is usually only available a small amount of space is available. For this reason, the individual Components of the fuel cell system are made as small as possible. To an evaporator using microstructure technology can be used for this purpose, for example become.
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.The heating device is regularly designed such that the temperature of the Inner surface free and at least in individual areas of the flow channels is adjustable independently of other areas. This allows the temperature profile be adapted to the current conditions. With conventional Heat exchangers and evaporators can be the performance of the heat source usually affect only as a whole, so that in the event of a throttling Surface temperature lowered over the entire length of the flow channels becomes.
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 Eintrittsbereich 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.According to the heating device is designed such that in the Flow channels along the flow device a temperature profile in the Medium is adjustable according to the relationship T1 <T2 <T3, with T1 = temperature in Entry area of the flow channels, T3 = temperature in the exit area of the Flow channels and T2 = temperature in the area between the inlet area and the outlet area of the flow channels. This is done through an appropriate choice of Surface temperature in the flow channels reached and should be based on a Example are clarified.
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 Dampfblase 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.If, for example, water is to be evaporated in the device, the such a surface temperature generated by the heating device Temperature profile can be set in the medium that in the entry area of the Flow channels prevailing temperature T1 is so small that a Vapor bubble can not form in front of the inlet openings of the flow channels. For example, the temperature T1 can be chosen so that the water in the The inlet area of the flow channels does not exceed a temperature of 80 ° C. in the the flow of the flow channels must open the water Boiling temperature T2 are heated and evaporated. For this, the Surface temperature of the flow channels in the area that corresponds to the The inlet area of the flow channels clearly connects the evaporation temperature exceed. For example, the surface temperature can be chosen so that the water or the water vapor already formed up to depending on the pressure a temperature T2 of 150 ° C is heated.
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.The length of the entry area and the second area are selected preferably such that the evaporation of the water only as far as possible Inside the flow channels takes place. This ensures that always a sufficient amount of liquid in the flow channels can flow in, so that there is no excess pressure in the inlet region of the channels can build up, which reduces the flow rate.
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 Durchströmkanälen auf eine Temperatur T3 von etwa 230°C angestrebt werden, wozu die Kanaloberfläche im Austrittsbereich auf beispielsweise 350°C erhitzt werden müßte.In order to overheat the now evaporated water so that the escaping steam has a temperature T3 required for further process steps, the im Outlet area of the flow channels set surface temperature clearly can be set higher. For example, heating the steam in the Flow channels are aimed at a temperature T3 of about 230 ° C, for which purpose the channel surface in the outlet area are heated to, for example, 350 ° C. would.
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 erhitzenden beziehungsweise zu verdampfenden Medium in Kontakt kommt. Je größer der Kontaktbereich zwischen Medium und Oberfläche ist, desto besser kann Wärme übertragen werden.The example described above is purely exemplary Values that reflect the basic idea of setting a temperature profile should clarify. However, the invention is not based on the temperature values mentioned limited. Rather, the setting of the required temperatures depends of the media to be heated and / or evaporated and the structure of the Flow channels. About the structure of the flow channels, preferably as Microchannels are formed, the surface is fixed, which with the heating or evaporating medium comes into contact. The bigger the area of contact between the medium and the surface, the better heat can be be transmitted.
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.The heating device advantageously has a plurality of layers in which the Setting the temperature profile, an electric heating device, in particular two or more electric heating elements are provided. Such heating elements can, for example, but not exclusively, as Heating wires, heating cartridges or the like may be formed. When operating one with the Electric power source connected heating elements is in the heating elements Generates heat, which then to be heated or evaporated Medium can be transferred.
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.At least individual heating elements are free and independent of the others Adjustable heating elements. This makes a simple yet accurate setting the temperature profile in different areas of the flow channels in medium flowing through the existing surface temperature in the Flow channels possible.
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.This will be described using an example. In this example, in Based on the three temperatures T1 to T3 used a total of three electrical heating elements. However, it is of course, that the invention is not limited to a certain number Heating elements or different to be set Temperature ranges of the temperature profile is limited. Rather, it results Number of heating elements required, such as the number of different ones Temperature ranges of the temperature profile according to the respective specific requirement to the device.
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.If, as described, three heating elements are used, the first is Heating element preferably arranged in the heating device such that the heat energy given off the temperature T1 of the medium in Entry area of the flow channels influenced. The third heating element is preferably arranged in the heating device such that it is the temperature T3 of the temperature profile in the outlet area of the flow channels is determined. The second heating element is preferably between the first and third Heating element arranged and determines the temperature T2 of the temperature profile of the Medium, which is set in that area of the flow channels that is located between the entry area and the exit area.
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.To prevent the formation of a harmful vapor bubble at the inlet openings of the To prevent flow channels, the first heating cartridge should be comparatively low heat output can be operated. In this way it is achieved that medium to be heated or evaporated in the inlet area of the Flow channels do not reach the evaporation temperature and in liquid State remains. 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 by a Performance variation in the middle, second heating element, the temperature profile varies can be so that the entry of the medium to be evaporated in the Evaporation area in the throughflow channels targeted and individually as required can be moved along the longitudinal axis of the channel.
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.In such an embodiment, the second heating element is advantageously freely controllable trained, while the first and the third heating element each not adjustable can be trained. However, it is also possible that all heating elements are free and so that they can be regulated independently of each other. This leaves a very precise and targeted Setting the temperature profile and the steam outlet temperature too.
Vorzugsweise können sich die Heizelemente quer, insbesondere senkrecht zur Durchströmungsrichtung des Mediums über mehrere Durchströmkanäle erstrecken.The heating elements can preferably be transverse, in particular perpendicular to Flow direction of the medium extend over several flow channels.
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.According to another embodiment, the heating device can be one or have several layers, each one for setting the temperature profile Include number of channels for a heat transfer medium.
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. These layers are preferably in microstructure technology and the corresponding ones Channels designed as micro-channels. The advantages are based on the above Versions in connection with the flow device for the medium directed.
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 beziehungsweise 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.In this embodiment, it is used to heat and / or evaporate the medium required heat energy not via electrical heating elements but via a Corresponding heat transfer medium, for example as a liquid such as oil or the like can be provided. If that is to be heated or the medium to be evaporated, the flow channels of the Flows through, it is through the channels of the layers of Heating device flowing through the heat transfer medium and heated if necessary evaporated.
Vorteilhaft können die Kanäle der Schichten und die Durchströmkanäle der Durchströmschichten winklig, vorzugsweise senkrecht zueinanderausgerichtet 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.The channels of the layers and the flow channels of the Flow layers be angled, preferably perpendicular to each other ( "Cross-flow design"). If the device is used as an evaporator, this means that the liquid to be evaporated flows in one direction the corresponding flow channels flow perpendicular to the orientation of the Channels in which the heat transfer medium is located are aligned.
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.However, it is also conceivable that the channels of the layers and the flow channels the flow layers are aligned parallel to one another. In one The medium to be heated or evaporated can be constructed the heat transfer medium, if it is, for example, liquid or gaseous flow through the respective channels in parallel or in the "countercurrent principle".
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 Durchströmkanäle 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.The individual channels of the layer can be used to set a temperature profile are flowed through with heat transfer media of different temperatures. at the channels of the layers and the Flow channels of the flow layers, preferably in "cross-flow construction" aligned. For setting the respective temperature ranges of the temperature profile is in the flowing medium along the flow device in this case provided that in the corresponding areas of the heating device intended channels with different names, the respective Heat transfer media adapted to temperature requirements are flowed through.
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.The provision of different heat transfer media can be different Way. For example, it is possible to use different sources to provide different heat transfer media. With such a Embodiment then becomes the respective channels with the corresponding sources the heat transfer media connected.
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 beispielsweise über elektrische Heizelemente, geeignete Wärmetauscher oder dergleichen erfolgen.However, it is also conceivable that only a single heat transfer medium source is provided with all channels through which the heat transfer medium flows should be connected. The heat transfer medium can then outside of Device in the respective supply line to the various channels of the Heating device heated by a suitable heating source and in need differently heated condition through the dedicated channels of the Heating device can be passed. The from the heat transfer medium Stored thermal energy is added to the one to be heated or evaporating medium released. The heating of the heat transfer medium to the the required temperature can be achieved, for example, using electrical heating elements, suitable heat exchangers or the like.
In weiterer Ausgestaltung können die Kanäle der Schichten katalytisch beschichtet sein. In diesem Fall kann als Wärmeträgermedium ein unter dem Einfluß der katalytischen 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.In a further embodiment, the channels of the layers can be coated catalytically his. In this case, a heat transfer medium under the influence of catalytic coating provided exothermic reaction medium his. When this reaction medium flows through the channels, the appropriate coating of the channel walls triggered a reaction, causing heat arises. This heat can affect what is to be heated or evaporated Medium that flows through the flow channels of the flow device, be transmitted.
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 Erfordernissen entsprechend nur eine relativ geringe Menge an Wärmeenergie zur Verfügung gestellt.If the required thermal energy is provided in this way, are the channels of the heating device and the flow channels of the Flow device preferably according to the "counterflow principle" aligned. In this case, the outlet area of the throughflow channels corresponds with the entrance area of the channels of the heating device. If that Reaction medium flows through the catalytically coated channels, it is in the The entrance area of the channels initially leads to a very violent reaction, in which a lot of heat is released. In this way, in the flow channels whose outlet area a very high temperature can be set. If that Reaction medium the catalytically coated channels in the further course flows through, the intensity of the reaction occurring and thus the amount of resulting heat energy is becoming weaker and weaker. In the exit area the catalytic coated channels, the response is weakest because much of the Reaction medium has already reacted. In the exit area the catalytic Coating channels is therefore only one relative to the requirements small amount of thermal energy provided.
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 zunehmend 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.Since the catalytically coated channels and the flow channels are preferably in Flowing through "countercurrent principle", this means that the Medium flowing through flow channels in the inlet area of the flow channels only a little heat energy is supplied, the amount of the supplied Thermal energy in the further flow of the medium through the Flow channels becomes increasingly larger. In the end area of the flow channels the greatest available thermal energy. This allows the With regard to the electrical heating elements already described advantageous effects be achieved with regard to the setting of the temperature profile.
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.The channels of the layers can preferably have one or more regions each have a different catalytic coating. The temperature profile can by such a variation of the catalytic coating, for example one Variation in the heating device in the direction of the longitudinal axis of the channels, targeted to be influenced.
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.At least one can be in the feed line to the inlet opening of the flow channels Conveying device, in particular a pump, may be provided. Through the Possibility according to the invention, a temperature profile freely in the flow channels adjust, a conveyor can be used, which is opposite the Ambient pressure generated only a slight excess pressure. Such funding institutions are easy and inexpensive to manufacture.
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 vorteilhaft eine Grundlast der Erwärmung über das Wärmeträgermedium eingebracht werden, während die erforderlichen höheren Temperaturen bereichsweise über die besonders einfach regelbare elektrische Zusatzheizung erzeugt werden.In a further embodiment, the. In the feed line in the area of the inlet opening Flow channels and / or in the discharge in the area of the outlet opening Flow channels, a temperature sensor may be provided. About this Temperature sensor or these temperature sensors can Temperatures of the medium when entering the device and when leaving the device Device can be detected. The setting can be made by recording the temperatures controlled the appropriate surface temperature in the flow channels become. If the temperature in the inlet area of the flow channels is too high by means of appropriate control of the heating device, for example, the respective electrical heating elements, the temperature in Entry area can be lowered. In a corresponding way, the temperature profile can also be varied to higher temperatures if necessary. A heating device can also be provided within the scope of the invention except in the sense of a heating device operated with a heat transfer medium an additional heater also includes an electric heater. In this way could advantageously be a base load of heating via the heat transfer medium be introduced while the required higher temperatures in some areas can be generated via the particularly easy-to-control electrical auxiliary heating.
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.According to a second aspect of the present invention, a method for Heating and / or evaporating liquid or gaseous media using a device according to the invention as described above provided at the medium to be heated and / or evaporated one or more Flow channels flow through at least one flow device and thereby via at least one heating device for providing thermal energy, the with the at least one flow device in the sense of a heat exchanger is connected, heated and / or evaporated. The method is according to the invention characterized in that the heating device for influencing the Surface temperature in the flow channels in the direction of flow of the medium at least in individual areas among independently adjustable Operating conditions. The medium is therefore different Areas of the flow channels in the flow direction of different heights Exposed to temperatures.
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 Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.In this way, a method is created with which liquid or gaseous Media heated in a simple yet reliable manner can be evaporated without occurring in the prior art can form disadvantageous vapor bubbles in the inlet area of the flow channels. To the advantages, effects, effects and the functioning of the invention The method is based on the above statements on the invention Device fully referenced and hereby referenced.
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 Durchströmkanäle die im Hinblick auf das gewünschte Temperaturprofil niedrigste Temperatur vorherrscht.The invention provides that the temperature profile of the medium at least in individual Areas of the flow channels freely and independently of other areas varied can be. The surface temperature of the flow channels can be advantageous be set so that in the entrance area of the flow channels Lowest temperature prevails with regard to the desired temperature profile.
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 Wärmeträgermedium betriebene Erhitzungseinrichtung erhältliche Oberflächentemperatur bei Bedarf örtlich angehoben werden, also insbesondere im Ausgangsbereich der Durchströmkanäle.To set the required surface temperature in a range of An electrical heating device can also flow through channels accordingly electrical power can be operated in different areas. In case of a with a heat transfer medium operated heating device Heat transfer medium with a correspondingly different in some areas Start temperature in the respective inlet opening of the flow channels become. Also by varying the flow rate of the Heat transfer medium in individual flow channels compared to others an influence on the surface temperature in an area along the Flow-through device for forming a desired temperature profile in the effect treating medium. Of course, as above already mentioned with regard to the device, by an additional electrical heater by a heating device operated with a heat transfer medium available surface temperature can be raised locally, if necessary especially in the exit area of the flow channels.
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.An inventive as described above can be particularly advantageous Device and / or a method according to the invention as described above for heating and / or vaporizing a fuel and / or a fuel be used.
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.Such a fuel and / or fuel can be used, for example, to operate a Fuel cell system can be used. A fuel cell system consists of Usually made up of one or more fuel cells that have at least one supply line and at least one discharge line for a fuel and at least one supply line and have at least one derivation for an oxidizing agent. Still is usually a device for generating / processing the fuel provided in which the fuel from a starting material (fuel) initially is manufactured or processed.
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 verbunden, 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.The device for producing / processing the fuel can advantageously be a Have number of reactor elements, for example an evaporator, one Reformer, a shift reactor and a selective oxidation reactor. The individual reactor elements are connected to one another via corresponding lines connected so that the fuel during its generation respectively Processing flows through the individual reactor elements one after the other. At least one of the reactor elements, preferably the evaporator, is as one as above described inventive device formed. Such an evaporator is about required if hydrogen from methanol, gasoline, natural gas, ethanol or other liquid hydrocarbons to be reformed. The evaporator must heat is supplied for operation.
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.A fuel cell system as described above can be advantageous in one or used for a vehicle. Due to the rapid development in the Fuel cell technology in the automotive sector currently offers such use particularly good uses. Still there are others Possible applications. Examples include fuel cells for mobile devices such as computers or the like to stationary facilities such as Power plants. Fuel cell technology is also particularly suitable for decentralized energy supply of houses, industrial plants or the like.
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.Preferably, the present invention is in connection with Fuel cells with polymer membranes (PEM) are used. These fuel cells have a high electrical efficiency, cause minimal emissions, have optimal part-load behavior and are essentially free of mechanical wear.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: The invention will now be described by way of example using exemplary embodiments explained in more detail with reference to the accompanying drawing. Show it:
Fig. 1 in stark schematisierter und vereinfachter Ansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen von Medien sowie diverse Peripherieeinrichtungen, Fig. 1 in a highly schematic and simplified view of an inventive device for heating and / or evaporation of media as well as various peripheral devices,
Fig. 2 in schematischer, seitlicher Ansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erhitzen und/oder Verdampfen von Medien und Fig. 2 shows a schematic, side view of an inventive device for heating and / or evaporating media and
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf den Eintrittsbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. Fig. 3 is a schematic plan view of the entrance area of the device according to the invention, as shown in Fig. 2.
In Fig. 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.In Fig. 1, an apparatus 10 is illustrated for heating and / or evaporation of media that is formed in the present embodiment as an evaporator for liquid media. The evaporator 10 can, for example, be part of a device (not shown) for producing / processing a fuel for a fuel cell system (also not shown). However, 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.
Die Vorrichtung 10 ist an ihrer Eingangsseite 11 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 abgeleitet 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.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 . On its outlet 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 fed to other reactor elements, such as a reformer (not shown). In order to set a predetermined delivery rate, 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.
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.A temperature sensor 16 , 17 is provided in the feed line 13 and in the discharge line 14 for temperature measurement at the inlet and at the outlet of the evaporator 10 .
Der Verdampfer 10 sowie dessen Funktionsweise werden nun in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 näher beschrieben. The evaporator 10 and its mode of operation will now be described in more detail in connection with FIGS. 2 and 3.
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.The evaporator 10 is designed using microstructure technology. It has a total of three throughflow devices 20 , each of which has two throughflow layers 21 with a number of throughflow channels 22 . The throughflow layers 21 are in microstructure technology and the throughflow channels 22 are in the form of microchannels. On the upper and lower side, the evaporator 10 is closed off with an upper cover element 40 and a lower cover element 41 , respectively. Heating devices 30 are provided between the individual flow devices 20 . In the present example, 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.
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 entsprechend hohe Oberflächentemperatur.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.
Auch wenn im Beispiel gemäß den Fig. 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.Even if three 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. Likewise, as has already been explained in detail in the description above, the use of electrical heating elements can be dispensed with. Instead, 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 with the temperature required for the desired surface temperature can then be passed through these channels.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 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. In the exemplary embodiment according to FIGS. 2 and 3, a total of two heating devices 30 are provided, which are arranged between the throughflow devices 20 , so that an alternating layer sequence of in each case one throughflow device 20 and one heating device 30 results. The number and arrangement of the required throughflow devices 20 and heating devices 30 for the evaporator 10 are determined depending on the need and application.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Verdampfers 10 beschrieben.The operation of the evaporator 10 will now be described.
Das zu verdampfende Medium tritt als Medium-Zustrom 42 aus der in der Fig. 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 Durchströmkanäle 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 Austrittsöffnungen 27 der Durchströmkanäle 22. Das nunmehr dampfförmige Medium wird anschließend über die in Fig. 1 dargestellte Ableitung 14 weitergeleitet.The medium to be evaporated enters the flow 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 to say 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 a medium outflow 43 via corresponding outlet openings 27 of the flow channels 22 . The now vaporous medium is then passed on via the derivation 14 shown in FIG. 1.
Um zu vermeiden, daß sich eine wie im Stand der Technik beschriebene nachteilige Dampfblase im Bereich der Eintrittsöffnungen 26 der Durchströmkanäle 22 bilden kann, wodurch ein Durchströmen der Durchströmkanäle 22 mit dem zu verdampfenden Medium behindert oder gar unterbunden werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß über die Erhitzungseinrichtung 30 in den Durchströmkanälen 22 in Strömungsrichtung D des Mediums ein Profil der Oberflächentemperaturen eingestellt wird, so daß das die Durchströmkanäle 22 durchströmende Medium in verschiedenen Bereichen der Durchströmkanäle 22 abschnittsweise unterschiedlich hohen Temperaturen ausgesetzt wird.In order to avoid that a as described in the prior art adverse vapor bubble in the region of the inlet openings of the flow channels may form 22 26, whereby a flow through the flow channels 22 can be hindered or with the medium to be evaporated even prevented, the invention provides that on the heating means 30 in the flow passages 22 of the medium a profile of surface temperatures is set in a flow direction D, so that the flow channels 22 by flowing medium 22 is exposed to high temperatures in sections different in different areas of the flow channels.
Dies wird im Ausführungsbeispiel durch die Heizelemente 32, 33, 34 erreicht. Diese Heizelemente sind senkrecht zu den Durchströmkanälen 22 ausgerichtet und erstrecken sich jeweils über alle Durchströmkanäle 22 der zugeordneten Durchströmungsschichten 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 Durchströmkanäle 22 durchströmende, zu verdampfende Medium übertragen wird. Dies entspricht in etwa einer "Kreuzstrombauweise" allerdings mit dem Unterschied, dass die elektrischen Heizelemente über ihre gesamte Länge hinweg eine gleich hohe Wärmeleistung abgeben können, während bei einem mittels Wärmeträgermedium beheizten Verdampfer die Wärmeleistung wegen der abnehmenden Temperatur des Wärmeträgermediums von Durchströmungskanal zu Durchströmungskanal kontinuierlich abnimmt.In the exemplary embodiment, this is achieved by the heating elements 32 , 33 , 34 . These heating elements are aligned perpendicular to the flow channels 22 and each extend over all flow channels 22 of the associated flow 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 transferred in sections to the medium to be evaporated flowing through the through-flow channels 22 . This corresponds roughly to a "cross-flow design" with the difference that the electrical heating elements can emit the same high heat output over their entire length, while in an evaporator heated by means of a heat transfer medium the heat output decreases continuously from flow channel to flow channel due to the decreasing temperature of the heat transfer medium ,
Die einzelnen Heizelemente 32, 33, 34 sind frei und unabhängig voneinander regelbar. Über die Heizelemente 32, 33, 34 kann ein Temperaturprofil des Mediums in Durchströmungsrichtung D durch die Durchströmkanäle 22 nach der Beziehung T1 < T2 < T3 eingestellt werden, wobei mit T1 die Temperatur im Eintrittsbereich 23 der Durchströmkanäle 22, mit T3 die Temperatur im Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 und mit T2 die Temperatur im Bereich 25 zwischen dem Eintrittsbereich 23 und dem Austrittsbereich 24 der Durchströmkanäle 22 bezeichnet ist.The individual heating elements 32 , 33 , 34 are freely and independently controllable. Via the heating elements 32 , 33 , 34 , a temperature profile of the medium in the flow direction D through the flow channels 22 can be set according to the relationship T1 <T2 <T3, with T1 the temperature in the inlet area 23 of the flow channels 22 , with T3 the temperature in the outlet area 24 of the flow channels 22 and T2 denotes the temperature in the area 25 between the inlet area 23 and the outlet area 24 of the flow channels 22 .
Um die störende Bildung einer Dampfblase vor den Eintrittsöffnungen 26 der Durchströmkanäle 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 Durchströmkanäle 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. In order to prevent the formation of a vapor bubble in front of the inlet openings 26 of the through-flow 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 region 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 be preheated, but can enter the 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 throughflow channels 22 can be subjected to very high heating power, while the temperature profile in the area 25 of the throughflow channels 22 can be varied by a power variation in the middle heating element 33 . In this way, the location where the medium, which was still liquid by then, begins to change into the vapor state can be shifted 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 .
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.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 .
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 Austrittsöffnungen 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. In order to be able to achieve complete and trouble-free evaporation of a liquid medium, 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 flow 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 so that it is evaporated. Since liquid medium always flows in from the inlet area 23 , it is reliably prevented that a disturbing vapor bubble can form in front of the inlet openings 26 of the throughflow channels 22 . In order to ensure that the vaporous medium outflow 43 emerging from the throughflow channels 22 via the outlet openings 27 has the temperature required for the further process steps, it may be necessary to overheat the vaporous medium in the outlet region 24 of the throughflow channels 22 . For this purpose, the heating element 34 corresponding to the outlet area 24 of the throughflow channels 22 is acted upon with very high heating power. In this way, a correspondingly high surface temperature is generated, to which the already evaporated medium in the outlet region 24 of the throughflow channels 22 is exposed, so that it heats up to the superheating temperature T3. The gaseous medium outflow 43 which has been overheated in this way can be fed via the discharge line 14 to further process steps or reactor elements, such as, for example, a reformer.
1010
Vorrichtung zum Erhitzen/Verdampfen von Medien (Verdampfer)
Device for heating / evaporating media (evaporator)
1111
Eingangsseite
input side
1212
Ausgangsseite
output side
1313
Zuleitung
supply
1414
Ableitung
derivation
1515
Fördereinrichtung (Pumpe)
Conveyor (pump)
1616
Temperatursensor
temperature sensor
1717
Temperatursensor
temperature sensor
2020
Durchströmeinrichtung
throughflow
2121
Durchströmschicht
Durchströmschicht
2222
Durchströmkanal
flow-through
2323
Eintrittsbereich
entry area
2424
Austrittsbereich
exit area
2525
Bereich zwischen Eintrittsbereich und Austrittsbereich
Area between entrance area and exit area
2626
Eintrittsöffnung
inlet opening
2727
Austrittsöffnung
outlet opening
3030
Erhitzungseinrichtung
heating means
3131
Schicht
layer
3232
Heizelement
heating element
3333
Heizelement
heating element
3434
Heizelement
heating element
4040
Deckelelement (oben)
Cover element (top)
4141
Deckelelement (unten)
Cover element (bottom)
4242
Medium-Zustrom
Medium-influx
4343
Medium-Abstrom
D Strömungsrichtung
Medium effluent
D flow direction
Claims (20)
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 Durchström einrichtung (20) im Sinne eines Wärmeaustauschers verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Einstellung eines gewünschten Temperaturprofils auf den Oberflächen 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.1. Device for heating and / or vaporizing liquid or gaseous media, with at least one throughflow device ( 20 ) which has one or more throughflow layers ( 21 ), each with one or more throughflow channels ( 22 ) for the medium, the throughflow channels ( 22 ) each have an inlet opening ( 26 ) and an outlet opening ( 27 ) and the inlet opening ( 26 ) can be connected to a feed line ( 13 ) and the outlet opening ( 27 ) to a discharge line ( 14 ),
and with at least one heating device ( 30 ) formed from one or more layers ( 31 ) for providing the thermal energy required for heating and / or evaporation of the medium, which is connected to the throughflow device ( 20 ) in the sense of a heat exchanger,
characterized by
that in order to set a desired temperature profile on the surfaces of the flow channels, at least in individual areas ( 23 , 24 , 25 ) of the flow channels ( 22 ) in the flow direction (D), the heating power of the heating device ( 30 ) can be set in certain areas independently of other areas.
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