DE19909725A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Förderung einer Flüssigkeit - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Förderung von wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit aus einem Speicherbereich in einem Verdampfungsbereich mit einem in Form wenigstens eines Strömungskanals ausgebildeten, den Speicherbereich und den Verdampfungsbereich verbindenden Zuleitungsbereich, mit Mitteln zur Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur in dem Speicherbereich zur Förderung der in dem Speicherbereich befindlichen Flüssigkeit in den Zuleitungsbereich und dem mit dem Zuleitungsbereich verbundenen Verdampfungsbereich.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Förde­ rung wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit aus einem Speicher in einen Verdampfungsbereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein entsprechendes Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Die Gewinnung von Wasserstoff aus Kohlenwasserstoffen bzw. Kohlenwasserstoffderivaten ist bekannt. Bei Verwendung von Methanol basiert die Gewinnung auf der Gesamtreaktion CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3 H₂. Zur Durchführung dieser Reaktion wird in der Praxis ein Kohlewasserstoffderivat und Wasserdampf umfassendes Reaktionsgemisch unter Zufuhr von Wärme an einem geeigneten Katalysator entlanggeleitet, um in einem zwei- oder mehrstufi­ gen Reaktionsablauf den gewünschten Wasserstoff zu erzeugen. Das katalytische Material ist typischerweise in einem als Ge­ häuse dienenden Reformer bzw. Reaktor vorgesehen.

Vorrichtungen zur Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas bzw. Wasserstoff finden beispielsweise in der Brennstoffzellentech­ nik Verwendung. Aus der US 4,670,359 ist es bekannt, ein Methanol-Wasser-Gemisch in einem Verdampfer zu verdampfen und anschließend über Leitungen einem Brenner bzw. Überhitzer zu­ zuführen, bei dem der erzeugte Dampf in einen überhitzten Zu­ stand überführt wird.

Für zahlreiche Anwendungen ist es notwendig, sehr kleine Mengen an Wasserstoff zu erzeugen, so daß es zweckmäßig ist, ent­ sprechend kleine Mengen an zu reagierenden Flüssigkeiten, bei­ spielsweise Wasser zusammen mit einem geeigneten Kohlenwasser­ stoff, insbesondere Methanol, dem Umwandlungsprozess zuzufüh­ ren. Neben einem kleinen und kompakten Aufbau wird an das För­ dersystem zusätzlich die Forderung einer kostengünstigen Her­ stellung gestellt.

Es sind aus dem Stand der Technik relativ groß bauende und ko­ stenaufwendige Ventildosierungs- und Einspritzsysteme mit ge­ pulsten Einspritzraten bekannt. Mittels derartiger Systeme werden die zunächst zu verdampfenden Komponenten eines Reakti­ onsgemisches aus jeweiligen Speicherbereichen einem gemeinsa­ men Verdampfungsraum zugeführt. Es sind in diesem Zusammen­ hang, beispielsweise hergestellt durch das Institut für Mikro­ technik Mainz (IMM) Mikro Pumpen bekannt, welche anstreben, Vorgehensweisen der herkömmlichen Pumpentechnik auf die Mikro­ technik zu übertragen, was sich jedoch in der Praxis als rela­ tiv aufwendig erweist.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung einer un­ aufwendigen Vorrichtung bzw. eines entsprechenden Verfahrens zur Förderung von Flüssigkeiten, insbesondere kleinen Mengen von Flüssigkeiten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zur Förderung wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit aus einem Spei­ cherbereich in einen Verdampfungsbereich mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein entsprechendes Verfahren zur Förderung von wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit aus einem Speicherbereich in einem Verdampfungsbereich nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 10.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen sehr kompakten Aufbau sowie eine sehr preisgünstige Herstel­ lung aus. Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in sehr einfacher und zuver­ lässiger Weise kleinste Mengen zu verdampfender Flüssigkeiten förderbar. Insbesondere die Verbindung von wenigstens zwei Speicherbereichen für unterschiedliche Flüssigkeiten mit einem gemeinsamen Verdampfungsraum ist mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung in besonders kompakter und einfacher Weise reali­ sierbar.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Un­ teransprüche.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Druck- bzw. Temperaturerhöhung in dem Speicherbereich durch Erwärmen eines in dem Speicherbereich befindlichen Fluids.

Es ist möglich, als zu erwärmendes Fluid die zu fördernde Flüssigkeit selbst zu verwenden. In diesem Fall ist eine ent­ sprechende Ausgestaltung des Speicherbereichs (beispielsweise mit einem relativ hohen Füllpegel) vorzunehmen.

Zweckmäßigerweise handelt es sich bei dem Fluid um ein zusätz­ lich zu der zu fördernden Flüssigkeit in dem Speicherbereich befindlichen Gas, insbesondere Luft. Beispielsweise durch Er­ wärmung dehnt sich dieses Gas aus und drängt die zu fördernde Flüssigkeit in den Zuleitungsbereich und den mit diesem kommu­ nizierenden Verdampfungsraum.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese Mittel zum Erwärmen eines mit dem Speicherbereich mittels eines Druckerzeugungsmechanismus in Wirkverbindung stehenden weiteren Fluids auf. Durch diese Maß­ nahme ist es möglich, Fluide zu erwärmen, welche besonders günstige Ausdehnungseigenschaften aufweisen (insbesondere eine leicht zu verdampfende Flüssigkeit oder ein Gas mit geeigneten Ausdehnungseigenschaften), ohne daß diese mit der zu verdamp­ fenden Flüssigkeit in Berührung kommen.

Zweckmäßigerweise weist der Druckerzeugungsmechanismus einen beweglichen Kolben auf, welcher zwischen dem Speicherbereich und einem Ausdehnungsbereich, in welchem das weitere Fluid er­ wärmbar ist, ausgebildet ist. Mittels eines derartigen Kolben­ mechanismus ist eine Beaufschlagung des Speicherbereichs mit Druck in sehr einfacher Weise möglich.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die jeweilige Erwärmung, d. h. die Erwärmung des Spei­ cherbereichs bzw. des Ausdehnungsbereichs bzw. der in diesem vorgesehenen Fluide, mittels elektrischer Heizmittel. Derartige Heizmittel sind in sehr preiswerter Weise verfügbar, bauen sehr klein, und erweisen sich in der Praxis als sehr robust.

Zweckmäßigerweise ist in dem Speicherbereich oder dem Ausdeh­ nungsbereich ein Druckventil zur Einstellung einer maximal förderbaren Flüssigkeitsmenge vorgesehen. Ein derartiges Ven­ til öffnet sich bei Erreichen eines bestimmten Drucks, so daß dieser bestimmte Druck nicht überschritten werden kann und so­ mit die Fördermenge konstant gehalten werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zweckmäßigerweise Mit­ tel zur Unterbrechung der Förderung der zu fördernden Flüssig­ keit auf. Zu diesem Zwecke kann es vorgesehen sein, daß die Förderung der Flüssigkeit dadurch unterbrochen wird, daß ihr Niveau bzw. Pegel unter das Niveau des in Form eines Strö­ mungskanals ausgebildeten Zuleitungsbereichs abgesenkt wird. Es ist ferner möglich, die Förderung dadurch zu unterbrechen, daß zwischen Speicher- und Verdampfungsbereich ein Schieber geschlossen wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren werden nun anhand der beigefügten Zeichnung im ein­ zelnen erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung zur Förderung von zu verdampfenden Flüssigkeiten aus einem Speicherbereich in einen Ver­ dampfungsbereich in einer schematischen Schnittansicht.

In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung in einer geschnittenen schematischen An­ sicht dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Vorrich­ tung 10 weist ein Gehäuse 1 auf, in welches zwei Speicherbe­ reiche zur Speicherung jeweils zu fördernder Flüssigkeiten ausgebildet sind. Die Speicherbereiche sind mit Bezugsziffern 2, 3, die entsprechenden Flüssigkeiten mit 2a, 3a bezeichnet. Die Speicherbereiche 2, 3 sind derart ausgelegt, daß oberhalb des jeweiligen Flüssigkeitsspiegel der Flüssigkeiten 2a, 3a ein Luft- bzw. Gasraum verbleibt. Mittels jeweils verschiebbarer Kolben 4, 5 ist der Druck in den jeweiligen Speicherbereichen 2, 3 variierbar. Die Kolben 4, 5 trennen die Speicherbereiche 2 bzw. 3 jeweils von Ausdehnungsbereichen 6, 7, welche jeweils mittels schematisch dargestellter elektrischer Heizungsmittel 8, 9 beheizbar sind. Im Falle einer Beheizung der Ausdehnungs­ räume 6 bzw. 7 mittels der Heizmittel 8, 9 expandiert ein in den Ausdehnungsräumen 6, 7 befindliches Fluid, wodurch die je­ weiligen Kolben 4, 5 in der Zeichnung nach rechts bzw. nach links verschoben werden. Hierdurch erhöht sich der in den je­ weiligen Speicherbereichen 2, 3 herrschende Druck, wodurch die Flüssigkeiten 2a bzw. 3a in mit 11 bezeichnete Strömungskanäle gedrängt bzw. gefördert werden.

Die Strömungskanäle 11 erstrecken sich von den Speicherberei­ chen durch ein Isolierelement 12 hindurch in einen Verdamp­ fungsbereich 13, welcher von einem Gehäuse 14 umschlossen wird. In dem Gehäuse 14 sind Heizungsmittel 15 vorgesehen. Das Gehäuse 14 weist zur Ausgabe von verdampfter Flüssigkeit bzw. Gas einen Gasauslaß 16 auf.

Wie erwähnt, erstrecken sich die Strömungskanäle 11 von den Speicherbereichen 2, 3 in den Verdampfungsbereich 13. Bei aus­ reichender Druckerzeugung in den jeweiligen Speicherbereichen 2, 3 werden die Flüssigkeiten 2a, 3a daher über die entspre­ chenden Strömungskanäle 11 in den Verdampfungsraum gefördert, wo sie anschließend (durch Erwärmung des Verdampfungsbereichs mittels der Heizungsmittel 15) verdampfbar sind.

Es sei angemerkt, daß die Beaufschlagung der Speicherbereiche 2, 3 mit den jeweiligen Kolben 4, 5 zur Erhöhung des Drucks auch dadurch erfolgen kann, daß die Kolben 4, 5 direkt auf die zu verdampfenden Flüssigkeiten 2a, 3a einwirken. Es wäre ferner gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, lediglich über eine Erwärmung des Spei­ cherbereiches 2 bzw. 3 (Erwärmung der zu verdampfenden Flüs­ sigkeit bzw. eines über der zu verdampfenden Flüssigkeit be­ findlichen Gases) die gewünschte Druckerhöhung zur Einleitung der Förderung der Flüssigkeiten 2a bzw. 3a durch die Strö­ mungs- bzw. Förderkanäle 11 zu erzielen.

Die Ausdehnungsbereiche 6, 7 sind jeweils mit einer isolieren­ den Ummantelung 20 bzw. 21 umgeben. Hierdurch kann der Wir­ kungsgrad der mittels der Heizmittel 8, 9 zugeführten Wärme erhöht werden.

Die Ausdehnungsbereich 6 bzw. 7 sind jeweils mit einem Druck­ begrenzungsventil 22, 23 ausgebildet. Hierdurch ist die maxi­ malförderbare Flüssigkeitsmenge begrenzbar, da die Ventile bei Erreichen eines entsprechenden Drucks öffnen, und somit den Druck in den Speicherbereichen 2, 3 und damit die geförderte Flüssigkeitsmenge konstant halten.

Die Flüssigkeitsförderung von den Speicherbereichen 2, 3 in den Verdampfungsbereich 13 kann dadurch unterbrochen werden, daß der Pegel der zu fördernden Flüssigkeit unter das untere Ende der jeweiligen Strömungskanäle 11, welche in der Fig. 1 je­ weils mit Bezugsziffer 11a bezeichnet sind, abgesenkt wird. Auch eine Anhebung der Strömungskanäle 11 über einen herr­ schenden Flüssigkeitspegel ist denkbar. Es ist ferner möglich, die Förderung mittels (nicht dargestellter) Schieber, welche beispielsweise die Strömungskanäle 11 öffnen bzw. schließen, zu regeln bzw. zu unterbrechen.

Die dargestellte Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Fö­ rerung kleiner Mengen beispielsweise von Wasserstoff (Flüssig­ keit 2a) und Kohlenwasserstoff, insbesondere Methanol, (Flüs­ sigkeit 3a) in einen Verdampfungsraum. Ein derartiges Wasser- Kohlenwasserstoff-Gemisch ist in dem Verdampfungsraum 13 in einfacher und genau dosierbarer Weise verdampfbar, und an­ schließend, beispielsweise im Zuge einer Wasserstoff- Reformierung, über den Auslaßkanal 16 Reformierungsmitteln zum Reformieren des erzeugten Dampfs unter Herstellung von Wasser­ stoff zuführbar.

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Förderung von wenigstens einer zu verdamp­ fenden Flüssigkeit (2a, 3a) aus einem Speicherbereich (2, 3) in einem Verdampfungsbereich (13) mit einem in Form wenigsten eines Strömungskanals ausgebildeten, den Speicherbereich (2, 3) und den Verdampfungsbereich (13) verbindenden Zuleitungsbe­ reich (11), gekennzeichnet durch Mittel (4, 8, 5, 9) zur Erhö­ hung des Drucks und/oder der Temperatur in dem Speicherbereich (2, 3) zur Förderung der in dem Speicherbereich befindlichen Flüssigkeit (2a, 3a) in den Zuleitungsbereich (11) und dem mit dem Zuleitungsbereich (11) verbundenen Verdampfungsbereich (13).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Erwärmen eines in dem Speicherbereich (2, 3) befindlichen Fluids.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Fluid um die zu fördernde Flüssigkeit (2a, 3a) handelt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Fluid um ein zusätzlich zu der zu fördernden Flüssigkeit (2a, 3a) in dem Speicherraum (2, 3) befindliches Gas handelt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (8, 9) zum Erwärmen eines mit dem Speicherbereich (2, 3) mit­ tels eines Druckerzeugungsmechanismus (4, 5) in Wirkverbindung stehenden Fluids.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerzeugungsmechanismus einen beweglichen Kolben (4, 5) aufweist, welcher zwischen dem Speicherbereich (2, 3) und ei­ nem Ausdehnungsbereich (6, 7), in welchem das weitere Fluid erwärmbar ist, ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Erwärmung mittels elektri­ scher Heizmittel (8, 9, 15) durchführbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung einer maximal förderbaren Flüssigkeitsmenge ein Druckventil (22, 23) mit dem Ausdeh­ nungsraum (6, 7) oder dem Speicherbereich (2, 3) in Wirkverbin­ dung steht.

9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch Mittel zur Unterbrechung der Förderung der zu fördernden Flüssigkeit (2a, 3a).

10. Verfahren zur Förderung wenigstens einer zu verdampfenden Flüssigkeit (2a, 3a) aus einem Speicherbereich (2, 3) in einen Verdampfungsbereich (13) über einen in Form eines Strömungska­ nals (11) ausgebildeten, den Speicherbereich (2, 3) und den Verdampfungsbereich (13) verbindenden Zuleitungsbereich, ge­ kennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Erhöhung des Drucks und/oder der Temperatur in dem Speicher­ bereich (2, 3) zur Förderung der in dem Speicherbereich (2, 3) befindlichen Flüssigkeit in den Zuleitungsbereich (11) und den mit dem Zuleitungsbereich verbundenen Verdampfungsbereich (13).

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein in dem Speicherbereich (2, 3) befindliches Fluid, insbeson­ dere die zu verdampfende Flüssigkeit und/oder ein zusätzlich zu der zu verdampfenden Flüssigkeit (2a, 3a) in dem Speicherbe­ reich (2, 3) befindliches Gas, erwärmt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein mittels eines Druckerzeugungsmechanismus (4, 8) mit dem Spei­ cherbereich (2, 3) in Wirkverbindung stehendes weiteres Fluid, insbesondere eine leicht verdampfbare Flüssigkeit oder ein Gas mit einem hohen Temperaturausdehnungskoeffizienten, erwärmt wird.

13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Erwärmung mittels elektrischer Heizmittel (8, 9) durchgeführt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zur Unterbrechnung der Förderung der zu för­ dernden Flüssigkeit der Flüssigkeitspegel unter ein unteres En­ de (11a) des Strömungskanals (11) abgesenkt wird, bzw. das un­ tere Ende (11a) des Strömungskanals (11) über den Flüssig­ keitspegel angehoben wird.