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DE10226204A1 - Druckentlasteter Reaktor-/Wärmeübertrageraufbau - Google Patents

Druckentlasteter Reaktor-/Wärmeübertrageraufbau

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DE10226204A1
DE10226204A1 DE2002126204 DE10226204A DE10226204A1 DE 10226204 A1 DE10226204 A1 DE 10226204A1 DE 2002126204 DE2002126204 DE 2002126204 DE 10226204 A DE10226204 A DE 10226204A DE 10226204 A1 DE10226204 A1 DE 10226204A1
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DE
Germany
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pressure
reactor
heat exchanger
exchanger unit
relieved
Prior art date
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DE2002126204
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English (en)
Inventor
Thomas Esser
Eugen Obermayr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Original Assignee
Ballard Power Systems AG
Siemens VDO Electric Drives Inc
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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen druckentlasteten Reaktor-/Wärmeübertrageraufbau mit einer Reaktor-/Wärmeübertragereinheit, einem selbige unter Belassung eines Druckraums mit Abstand umgebenden Druckbehälter und mit Druckausgleichsmitteln zwischen einem Mediumraum der Reaktor-/ Wärmeübertragereinheit und dem Druckraum. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist das Gasvolumen des Druckraums kleiner als dasjenige der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit und/oder die Druckausgleichsmittel beinhalten einen Druckausgleichskolben oder eine Druckausgleichsmembran. DOLLAR A Verwendung z. B. für brenngaserzeugende Komponenten in Brennstoffzellensystemen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen druckentlasteten Reaktor- /Wärmeübertrageraufbau mit einer Reaktor-/Wärmeübertragereinheit, einem die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit unter Belassung eines Druckraums mit Abstand umgebenden Druckbehälter und mit Druckausgleichsmitteln zwischen einem Mediumraum der Reaktor-/ Wärmeübertragereinheit und dem Druckraum.
  • Wärmeübertrager finden vielfach Einsatz in der Verfahrenstechnik. Ein bevorzugter Bautyp sind Plattenwärmeübertrager, die einen Aufbau aus aufeinander bzw. übereinander gestapelten Platten besitzen und eine hohe Wärmeübertragungs-Leistungsdichte aufweisen. Typischerweise werden hierbei abgedichtete, gelötete und/oder verschweißte Bauteile eingesetzt. Solche und ähnliche Aufbauten werden auch für Reaktoren, z. B. für katalytische Reaktionen verwendet, insbesondere solche mit Kombination einer Wärmeübertragerfunktion. Bei manchen Anwendungsfällen treten sehr hohe Medientemperaturen und Drücke auf, die den Reaktor-/Wärmeübertrageraufbau stark belasten, selbst bei Einsatz von Hochtemperatur-Werkstoffen.
  • Weitere bekannte Aufbautypen für Reaktoren und Wärmeübertrager sind Spiral- und Rohrbündelstrukturen. Diese basieren auf einem Druckbehälterkonzept, das zu geringeren mechanischen Spannungen führt als Plattenstapelstrukturen. Sie besitzen jedoch verglichen mit Plattenstapelstrukturen einen vergleichsweise großen Bauraum, ein höheres Gewicht, einen niedrigeren Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad, eine schlechtere Leistungs-Skalierbarkeit und sind durch ihren relativ komplizierten Aufbau nur bedingt serientauglich.
  • Ein druckentlasteter Reaktor-/Wärmeübertrageraufbau der eingangs genannten Art ist in der Offenlegungsschrift EP 0 459 414 A1 beschrieben. Der dortige Aufbau beinhaltet einen säulenförmigen Vergasungsreaktor und einen säulenförmigen Gaskühler, wobei beide Komponenten mit ihrem oberen Säulenende über eine Gasverbindungsleitung in Kontakt stehen. Der Gaskühler beinhaltet mehrere, im Abstand übereinander liegende Wärmeübertragereinheiten. Der Reaktor, der Gaskühler und die Gasverbindungsleitung sind von einem Druckbehälter mit Abstand umgeben, und der Zwischenraum steht mit dem Gasauslaß des Gaskühlers über Druckausgleichsmittel in Verbindung. Diese Druckausgleichsmittel beinhalten zwei durch Schwerkraft selbstschließende Klappen, von denen je eine öffnet, wenn der Druck im Zwischenraum um ein gewisses Maß über den Druck im Auslassbereich des Gaskühlers ansteigt bzw. unter diesen absinkt. Der Durchmesser des Druckbehälters ist um mehr als die Hälfte größer als der Durchmesser des Reaktorbehälters und des Gaskühlerbehälters, so dass das Zwischenraumvolumen deutlich größer als das Volumen von Reaktor und Gaskühler ist.
  • Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines druckentlasteten Reaktor-/wärmeübertrageraufbaus der eingangs genannten Art zugrunde, der mit relativ geringem Aufwand und Bauraum realisierbar ist und auch hohen Druck- und Temperaturbelastungen sicher standhält, wie sie z. B. in Hochdruck-Gaserzeugungssystemen zur katalytischen Brennstoffgewinnung für Brennstoffzellensysteme auftreten.
  • Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines druckentlasteten Reaktor-/Wärmeübertrageraufbaus mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 5.
  • Beim Aufbau nach Anspruch 1 ist das Gasvolumen des Druckraums, d. h. das effektiv für ein im Druckraum befindliches Gas zur Verfügung stehende Volumen, kleiner als das Volumen der innerhalb des Druckbehälters befindlichen Reaktor-/Wärmeübertragereinheit. Dies ermöglicht ein relativ geringes Bauvolumen bei gegebenem Volumen der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit unter voller Aufrechterhaltung der Druckentlastungsfunktion. Das geringe effektive Druckraumvolumen ermöglicht zudem kurze Reaktionszeiten des dort eingebrachten Mediums bei Druck- und/oder Temperaturänderungen in der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit.
  • Durch gasdurchlässiges Beladen des Druckraums mit einem Füllmaterial, wie in einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 vorgesehen, kann das effektive Druckraumvolumen weiter verringert werden. In Ausgestaltung dieser Maßnahme ist gemäß Anspruch 3 das Füllmaterial ein thermisch isolierendes Material. Dadurch kann die Außenmanteltemperatur des Druckbehälters auch bei relativ hohen Temperaturen in der Reaktor- /Wärmeübertragereinheit gering gehalten werden.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ist die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit von einer Plattenstapelstruktur gebildet, mit allen oben erwähnten Vorteilen einer solchen Struktur, wie unter anderem hohe Wärmeübertragungsleistung, geringes Gewicht und geringes Bauvolumen.
  • Beim Aufbau nach Anspruch 5 beinhalten die Druckausgleichsmittel speziell einen Druckausgleichskolben oder eine Druckausgleichsmembran. Durch diese Druckausgleichsmittel wird folglich eine gasdichte Trennung zwischen dem Druckraum und einem Mediumraum der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit bereitgestellt, die eine druckausgleichende Funktion unabhängig von der Schwerkraft und daher unabhängig von der Aufstellungs- oder Einbaulage des Aufbaus erfüllt.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
  • Hierbei zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Längsschnittansicht eines druckentlasteten Reaktor-/Wärmeüberttageraufbaus mit Druckausgleichsbohrung,
  • Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht eines druckentlasteten Reaktor-/Wärmeübertrageraufbaus mit Druckausgleichskolben und
  • Fig. 3 eine schematische Längsschnittansicht eines druckentlasteten Reaktor-/Wärmeübertrageraufbaus mit Druckausgleichsmembran.
  • Der in Fig. 1 gezeigte Reaktor-/Wärmeübertrageraufbau beinhaltet eine je nach Anwendungsfall als Reaktor und/oder Wärmeübertrager fungierende Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 mit herkömmlicher und daher nicht näher gezeigter Plattenstapelstruktur. Die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 kann beispielsweise zur Brenngaserzeugung für ein Brennstoffzellensystem dienen, wozu ein umzusetzendes Gasgemisch in entsprechende, als Reaktionsräume fungierende Mediumräume der Reaktor- /Wärmeübertragereinheit 1 eingeleitet und dort vorzugsweise katalytisch in das Brenngas umgesetzt wird. Durch eine zweite Gruppe von Mediumräumen wird ein Heiz- oder Kühlmedium durch die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 hindurchgeleitet, um die Reaktionsräume auf einer gewünschten Temperatur zu halten.
  • Die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 ist unter Belassung eines Druckraums 2 von einem Druckbehälter 3 mit Abstand umgeben. Zum Zu- und Abführen der beteiligten Medien sind Ein- und Auslässe, von denen in Fig. 1 stellvertretend zwei Anschlüsse 4, 5 gezeigt sind, gasdicht durch den Druckbehälter 3 hindurch nach außen geführt.
  • Ein hochdruckseitiger Anschluss 4 der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 ist im Bereich des Druckraums 2 mit einer öffnenden Bohrung 6 versehen, durch die folglich ein Druckausgleich zwischen dem betreffenden, im Betrieb unter Hochdruck stehenden Teil der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 und dem umgebenden Druckraum 2 bewirkt wird. Dies hat zur Folge, dass die Kräfte, die bei hohem Betriebsdruck pi im Inneren der Reaktor- /Wärmeübertragereinheit 1 wirken, von gleich großen, druckentlastenden Kräften neutralisiert werden, die vom Druckraum 2 auf die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 ausgeübt werden. Mit anderen Worten ist der Druck pa im Druckraum 2 gleich dem Druck pi in der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1, so dass letztere von hohen Differenzdrücken entlastet ist. Die Druckkräfte werden vom Druckbehälter 3 aufgefangen, der problemlos darauf ausgelegt werden kann, der Druckdifferenz zwischen dem Druck pa im Druckraum 2 und dem Umgebungsdruck pu standzuhalten.
  • Optional ist der Druckraum 2 gasdurchlässig mit einem Füllmaterial 7 beladen, wie in Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nur ausschnittweise angedeutet. Dadurch wird das Gasvolumen des Druckraums 2, welches für das dort befindliche Gas effektiv zur Verfügung steht, beträchtlich reduziert. Bevorzugt ist die Größe des Druckbehälters 3 so gewählt, dass er die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 mit relativ geringem Abstand umgibt, so dass schon das Differenzvolumen zwischen Druckbehälter 3 und Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1, d. h. das Bruttovolumen des Druckraums 2, kleiner als das Volumen der Reaktor- /Wärmeübertragereinheit 1 ist. Selbst wenn dies in entsprechenden Ausführungsbeispielen nicht der Fall ist, kann das effektive Gasvolumen des Druckraums durch die Beladung mit dem Füllmaterial 7 auf einen Wert deutlich kleiner als das Volumen der Reaktor-/ Wärmeübertragereinheit 1 reduziert werden. Somit kann in jedem Fall, wenn gewünscht, das effektive Gasvolumen und damit das Totvolumen des Druckraufns 2 deutlich kleiner gehalten werden als das Volumen der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1.
  • In einer vorteilhaften Realisierung besteht das Füllmaterial 7 aus einem thermisch isolierenden Material. Dies sorgt für eine thermische Isolierung der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1, d. h. die Außenwand des Druckbehälters 3 kann auch dann, wenn die Temperatur Ti im Inneren der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 im Betrieb relativ hoch ist, auf einem niedrigen Wert gehalten werden. Die Temperatur Ta im Druckraum 2 liegt in diesem Fall zwischen der Außentemperatur Tu und der Temperatur Ti der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1.
  • Fig. 2 zeigt eine Variante des Aufbaus von Fig. 1, die sich von letzterem dadurch unterscheidet, dass anstelle der offenen Bohrung 6 ein Druckausgleichskolben 8 angeordnet ist. Dieser bewirkt einen mediengetrennten Druckausgleich zwischen Druckraum 2 und Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1. Somit ist auch in diesem Ausführungsbeispiel eine praktisch vollständige Druckentlastung der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 gegeben. Zudem kann in den Druckraum 2 ein beliebiges Druckmedium eingebracht sein, unabhängig von den in der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 verwendeten Medien. Druckschwankungen egalisiert der Druckausgleichskolben 8 durch entsprechende, transversale Kolbenbewegung längs eines ihn aufnehmenden Leitungsabschnitts 9, der auf einer Seite in den Druckraum 2 und auf der anderen Seite in den gezeigten hochdruckseitigen Anschluss 4 der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 mündet. Im übrigen entspricht der Reaktor-/Wärmeübertrageraufbau von Fig. 2 in seinen Eigenschaften, Optionen und Vorteilen dem Aufbau von Fig. 1, so dass insoweit auf dessen obige Beschreibung verwiesen werden kann.
  • Fig. 3 zeigt eine weitere Variante, bei welcher statt des Druckausgleichskolbens 8 eine Druckausgleichsmembran 10 in dem Leitungsabschnitt 9 angeordnet ist. Die Membran 10 sorgt ebenfalls für einen mediengetrennten Druckausgleich zwischen Druckraum 2 und Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1. Druckschwankungen egalisiert die randseitig am Leitungsabschnitt 9 fixierte Membran 10 durch entsprechende, elastische Membranverformung. Im übrigen gelten für den Aufbau von Fig. 3 die oben zu den Beispielen der Fig. 1 und 2 erwähnten Eigenschaften und Vorteile, worauf verwiesen werden kann.
  • In den Beispielen mit mediengetrenntem Druckausgleich gemäß den Fig. 2 und 3 kann bei Bedarf vorgesehen sein, dass beim Betriebsstart der Druckaufbau im Druckraum 2 über zugehörige herkömmliche, nicht gezeigte Gaszufuhrmittel weitgehend synchron zum Druckanstieg in der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 und entsprechend bei Betriebsende ein weitestgehend synchroner Druckabbau durch Auslassen des Gases aus dem Druckraum 2 über entsprechende Gasauslassmittel erfolgt, so dass zu keinem Zeitpunkt hohe Druckdifferenzen auf die Reaktor-/wärmeübertragereinheit 1 wirken.
  • Wie die obige Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen deutlich macht, ermöglicht der erfindungsgemäße, druckentlastete Reaktor-/Wärmerübertrageraufbau eine Aufteilung der kombinierten Druck- und Temperaturbelastung des Materials der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit. Indem sich die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 in einem Druckbehälter 3 befindet, in dessen Druckraum 2 derselbe Druck herrscht wie in der Reaktor- /Wärmeübertragereinheit 1, ist das Material der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit frei von Druckbelastungen und wird nur thermisch belastet. Die Druckbelastung wird vom Druckbehälter 3 aufgenommen. Durch geeignete thermische Isolierung kann die Manteltemperatur des Druckbehälters 3 bei Bedarf relativ niedrig gehalten werden, z. B. näher bei der Umgebungstemperatur Tu als bei der Temperatur Ti in der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1. Die thermische und mechanische (Druck) Belastung wird somit von getrennten Komponenten getragen. Die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit wird daher im Inneren der Komponente lediglich thermisch belastet, während die durch den Prozeß auftretenden Drücke von dem umgebenden Mäntel aufgenommen werden. Beim gezeigten Einsatz einer Plattenstapelstruktur ist die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit 1 in ihrer Leistung sehr einfach über die Anzahl der verwendeten Platten skalierbar. Der gesamte Aufbau lässt sich relativ einfach herstellen und montieren, er erfordert nur einen relativ geringen Bauraum und lässt sich mit geringem Gewicht realisieren. Durch die Trennung der thermischen Belastungen und der mechanischen Druckbelastungen besitzt der Aufbau eine hohe Lebensdauer, und es können gezielt jeweils geeignete Materialien zur Aufnahme dieser Belastungen eingesetzt werden.

Claims (5)

1. Druckentlasteter Reaktor-/Wärmerübertrageraufbau mit
- einer Reaktor-/Wärmeübertragereinheit (1),
- einem die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit unter Belassung eines Druckraums (2) mit Abstand umgebenden Druckbehälter (3) und
- Druckausgleichsmitteln (6, 8, 10) zwischen einem Mediumraum der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit und dem Druckraum,
dadurch gekennzeichnet, dass
- das Gasvolumen des Druckraums (2) kleiner als dasjenige der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit (1) ist.
2. Druckentlasteter Reaktor-/Wärmerübertrageraufbau nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum gasdurchlässig mit einem Füllmaterial (7) beladen ist.
3. Druckentlasteter Reaktor-/Wärmerübertrageraufbau nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial ein thermisch isolierendes Material ist.
4. Druckentlasteter Reaktor-/Wärmerübertrageraufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit (1) eine Plattenstapelstruktur beinhaltet.
5. Druckentlasteter Reaktor-/Wärmerübertrageraufbau, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit
- einer Reaktor-/Wärmeübertragereinheit (1),
- einem die Reaktor-/Wärmeübertragereinheit unter Belassung eines Druckraums (2) mit Abstand umgebenden Druckbehälter (3) und
- Druckausgleichsmitteln (6, 8, 10) zwischen einem Mediumraum der Reaktor-/Wärmeübertragereinheit und dem Druckraum,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Druckausgleichsmittel einen medientrennenden Druckausgleichskolben (8) oder eine medientrennende Druckausgleichsmembran (10) beinhalten.
DE2002126204 2002-06-13 2002-06-13 Druckentlasteter Reaktor-/Wärmeübertrageraufbau Withdrawn DE10226204A1 (de)

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