DE10002005A1 - Zerstäubungsdüse - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsdüse zum Eintrag eines Gas/Flüssigkeitsgemisches in einen chemischen Reformer zur Erzeugung von Wasserstoff mit mindestens einer Gaszuleitung (21) für einen Gasstrom (20), mindestens einer Flüssigkeitszuleitung (25, 27) und mindestens einer Austrittsöffnung (19) für das zerstäubte Gas/Flüssigkeitsgemisch sowie einer ersten Kammer (24), in die die Flüssigkeitszuleitung (25, 27) mündet, wobei die Kammer (24) eine Kammerwand (16) aufweist, die austrittsseitig eine Lippe (18) ausbildet, zu der beidseitig je ein Gasstrom (20, 22) zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Zerstäubungsdüse, insbesondere zum Eintrag eines Gas/Flüssigkeitsgemisches in einen chemi­ schen Reformer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Unter den alternativen Antriebskonzepten für Kraftfahrzeuge finden zur Zeit vor allem brennstoffzellengestützte Systeme eine verstärkte Aufmerksamkeit. Diese Systeme beinhalten üb­ licherweise PEM-Brennstoffzellen (PEM: Polymer Electrolyte Membrane), die mit Wasserstoff und Luft als Energieträger betrieben werden.

Da sich die Betankung und Speicherung von Wasserstoff im Kraftfahrzeug nach wie vor als problematisch erweist, wird der Wasserstoff in einer vorgeschalteten Reformerstufe aus gut zu handhabenden Kraftstoffen wie beispielsweise Metha­ nol, Methan, Diesel oder Benzin je nach Bedarf direkt "on board" hergestellt und sofort verbraucht. Die dabei zum Ein­ satz kommenden Reformer stellen chemische Reaktoren dar, mit deren Hilfe die Kraftstoffe unter Luft- und Feuchtigkeitszu­ satz beispielsweise bei 800°C an entsprechenden Katalysato­ ren partiell zu Wasserstoff und weiteren Folgeprodukten wie CO und CO₂ oxidiert werden.

Dabei kommt der Beschickung des Reformers mit den für die Reaktion benötigten Edukten eine große Bedeutung zu. Übli­ cherweise werden alle Edukte wie Luft, Wasser und Kraftstoff in gasförmigem Zustand dem Reformer zugeführt. Dies erfor­ dert einen Vorverdampfer, der in der Lage ist, die entspre­ chenden Mengen an gasförmigem Kraftstoff und Wasserdampf zur Verfügung zu stellen.

Während der Kaltstartphase kommt es allerdings zu Problemen, da die flüssigen Edukte dann nicht über die Abwärme des Re­ formers verdampft werden können, sondern nur mittels eines elektrisch beheizten Verdampfers. Auch bei sich abrupt än­ dernden Lastwechselanforderungen sind konventionelle Ver­ dampfer nicht in der Lage, verzögerungsfrei die entsprechen­ den Mengen an gasförmigen Reaktanden zu erzeugen.

Alternativ wurden daher Konzepte entwickelt, Treibstoffe und Wasser in flüssiger Form direkt in den Reformer einzusprit­ zen. Um jedoch eine möglichst optimale Reaktionsführung im Reformer zu gewährleisten, müssen die flüssigen Edukte in feinstverteilter Form in den Reformer eingetragen werden. In der US-PS 3,971,847 wird ein Reaktor zur Herstellung von Wasserstoff beschrieben, der eine Düse beinhaltet, mit deren Hilfe flüssige Kohlenwasserstoffe in einen Luftstrom einge­ sprüht werden. Der entstehende Nebel wird an Ablenkplatten verwirbelt bevor er in die eigentliche Reaktionszone ge­ langt. Das zur Reaktion benötigte Wasser wird jedoch separat in einem Vorverdampfer verdampft.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Zerstäubungsdüse für die gleichzeitige Zerstäubung von Wasser und flüssigen Kraftstoffen bereitzustellen, wobei die Zerstäubungsdüse einen sehr hohen Zerstäubungs- und Vermischungsgrad der Edukte und darüber hinaus eine verzögerungs­ freie Zudosierung flüssiger Edukte gewährleisten soll.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Zerstäubungsdüse mit den kennzeichnen­ den Merkmalen des Anspruchs 1 weist den Vorteil auf, daß ein Gas/Flüssigkeitsgemisch erzeugt wird, das sich durch einen hohen Zerstäubungsgrad und eine gute Durchmischung der Reak­ tanden auszeichnet. Darüber hinaus wird ein gutes Kaltstart­ verhalten des Systems und eine adäquate Reaktionsfähigkeit auf dynamische Lastwechsel gewährleistet.

Der hohe Zerstäubungsgrad wird erreicht, indem die zu zer­ stäubende Flüssigkeit in eine von einem Gasstrom durchström­ te Kammer geleitet wird und der sich dabei an der Kammerwand ausbildende Flüssigkeitsfilm an einer Lippe oder Abrisskante vom Gasstrom erfaßt und mitgerissen wird. Besonders vorteil­ haft ist dabei, daß die Lippe beidseitig von einem Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit umströmt wird, was die Zerstäu­ bungswirkung noch verstärkt und zu sehr großen Spraywinkeln führt. Dies ist eine Voraussetzung für eine kompakte Bauwei­ se des Reformers. Da die Zerstäubungsdüse mehrere Flüssig­ keits- und Gaszuleitungen beinhaltet, kann je nach Betriebs­ zustand des Reformers die jeweils erforderliche Gemischmenge und -zusammensetzung zur Verfügung gestellt werden.

Aufgrund der rein gasunterstützten Zerstäubung der Flüssig­ keiten sind nur geringe Flüssigkeitsdrücke erforderlich und der Einbau kostspieliger Hochdruckpumpen entfällt.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfin­ dung möglich. So ist die Zerstäubungsdüse vorteilhafterweise mit einer kreisringförmigen Lippe und Austrittsöffnung versehen und beinhaltet einen axial beweglichen Stößel, der trotz variierender Gasvolumenströme an der Lippe für einen Gasstrom mit gleichbleibend hoher Geschwindigkeit sorgt. Der Stößel weist mindestens eine weitere Flüßigkeitszuleitung auf, die eine druckunterstütze Zudosierung flüssiger Edukte direkt in den Reformer ermöglicht. Dies ist besonders bei geringen Lastanforderungen an das System wichtig, da in die­ sem Fall die geringen Gasvolumenströme keine ausreichende gasunterstützte Zerstäubung der flüssigen Reaktanden ermög­ lichen. Eine direkte druckunterstützte Einspritzung der flüssigen Edukte ist darüber hinaus auch bei einem abrupten Anstieg der Lastanforderungen an das System von Vorteil, da die zusätzlich benötigte Menge an flüssigen Edukten verzöge­ rungsfrei bereitgestellt werden kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind zwei se­ parate Gaszuleitungen vorgesehen, die innerhalb der Zerstäu­ bungsdüse in je eine Kammer münden. Beide Kammern sind so angeordnet, daß sie eine gemeinsame Wandung aufweisen, deren austrittseitiges Ende die Lippe darstellt. Die Lippe kann auf diese Weise zwei Gasströmen unterschiedlicher Geschwin­ digkeit und Zusammensetzung ausgesetzt werden.

Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, daß in minde­ stens einer der Kammern Gasleitvorrichtungen zur Verdrallung des Gasstromes vorgesehen sind. Dies bewirkt eine Erhöhung des Durchmischungsgrades des Gas/Flüssigkeitsgemisches.

Vorteilhaft ist weiterhin, die Oberflächen von Kammer und Stößel so auszuführen, daß der zwischen Kammerwand und Stö­ ßel verbleibende Kammerquerschnitt im Bereich der Lippe ein Minimum aufweist und die dadurch bedingten hohen Strömungs­ geschwindigkeiten des Gasstroms zu einer effektiven Zerstäu­ bung der Flüssigkeit führen.

Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in einer nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figur zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Zerstäubungsdüse.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der erfindungsgemäßen Zer­ stäubungsdüse 10, die in eine Reaktorwand eines als Aus­ schnitt dargestellten chemischen Reformers 12 angeordnet ist.

Die Zerstäubungsdüse 10 umfaßt ein Gehäuse 14, das reaktor­ seitig eine Austrittsöffnung 19 aufweist. Diese ist bei­ spielsweise kreisringförmig ausgeführt. Im Gehäuse 14 befin­ det sich eine erste Kammer 24 in die mindestens eine erste Gaszuleitung 21 mündet, die einen ersten Gasstrom 20 der Kammer 24 zuführt. In die erste Kammer 24 münden in Strö­ mungsrichtung des Gasstromes 20 nachgeordnet eine erste Flüssigkeitszuleitung 25 und eine zweite Flüssigkeitszulei­ tung 27, die der Zufuhr flüssiger Edukte in die Kammer 24 dienen. Um ein Nachtropfen der Flüssigkeiten auszuschließen, sind die Flüssigkeitszuleitungen 25, 27 mit federgestützen Rückschlagventilen 29 ausgestattet.

An den Austrittsöffnungen der Flüssigkeitszuleitungen 25, 27 befinden sich in der Kammer 24 Ringspalte 28, 30, die es er­ möglichen, daß die austretende Flüssigkeit die gesamte Wand 16 der Kammer 24 benetzt. Die mit dem Flüssigkeitsfilm be­ deckte Wand 16 der Kammer 24 wird austrittseitig von einer Lippe 18 begrenzt, an der der Flüssigkeitsfilm mitgerissen und dabei zerstäubt wird. Die Kammer 24 kann zusätzlich ein nicht dargestelltes Mittel zur Verdrallung des Gasstromes, wie beispielsweise eine Gasleitvorrichtung, aufweisen.

Innerhalb der Kammer 24 ist weiterhin ein Stößel 32 angeord­ net, dessen Oberfläche 34 der Geometrie der Kammerwand 16 angepaßt ist, wobei der Abstand von Stößeloberfläche 34 und Kammerwand 16 im Bereich der Lippe 18 ein Minimum aufweist. Dies führt zu hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Lippe 18 und somit zu einer effektiven Zerstäubung der Flüssigkeit. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich die Oberflächen des Stößels 34 und der Kammer 16 im Bereich der Lippe 18 dergestalt annähern, daß eine einer Venturi-Düse ähnliche Durchlaßöffung entsteht, da so die auftretenden Drosselverluste minimiert werden können und gleichzeitig die Durchmischung von Gas und zerstäubter Flüssigkeit optimiert wird.

Der Stößel 32 beinhaltet in axialer Richtung mindestens ei­ ne, vorzugsweise zwei weitere Flüssigkeitszuleitungen 35, die eine direkte druckunterstützte Zudosierung flüssiger Edukte in den Reformer ermöglichen. Dazu befindet sich am austrittseitigen Ende der weiteren Flüssigkeitszuleitung 35 ein Zerstäuber 36, der beispielsweise in Form einer Dralldü­ se oder einer Lochstrahldüse mit einer oder mehreren Bohrun­ gen ausgeführt ist. Die druckunterstützte Zudosierung der flüssigen Edukte spielt vor allem bei geringen Lastanforde­ rungen an das System eine Rolle, wenn eine ausreichende Zer­ stäubung aufgrund der dann nur geringen zuzuführenden Gas­ menge nicht möglich ist. Eine direkte druckunterstützte Ein­ spritzung der flüssigen Edukte ist darüber hinaus auch bei einem abrupten Anstieg der Lastanforderungen an das System von Vorteil, da die zusätzlich benötigte Menge an flüssigen Edukten verzögerungsfrei bereitgestellt werden kann.

Der Stößel 32 ist mittels Zug- oder Druckfedern 33 mit dem Gehäuse 14 so verbunden, daß die Federkraft der Federn 33 die vom Gasstrom auf den Stößel 32 in axialer Richtung aus­ geübten Kräfte kompensiert und, bedingt durch den kleinen Querschnitt der Kammer 24, zu einer hohen Strömungsgeschwin­ digkeit des Gasstromes 20 führt. Auf diese Weise ergibt sich bei geringen Lastanforderungen eine dem dann schwachen Gasstrom 20 entsprechende kleine Spaltweite zwischen der Kammerwand 16 und der Oberfläche des Stößels 34 und bei gro­ ßen Lastanforderungen eine entsprechend erweiterte Spaltwei­ te. Die Spaltweite läßt sich auf diese Weise dem Durchsatz anpassen. In Fig. 1 ist ein Anordnung dargestellt, bei der der Stößel 32 mittels einer Zugfeder 33 an einem Absatz 37 befestigt ist.

Im Gehäuse 14 befindet sich neben der ersten Kammer 24 eine weitere Kammer 26, in die mindestens eine zweite Gaszulei­ tung 23 mündet, die der Kammer 26 einen zweiten Gasstrom 22 zuführt. Die Kammer 26 weist mit der Kammer 24 eine gemein­ same Wandung 15 auf, deren Wandstärke sich austrittsseitig verjüngt und die Lippe 18 ausbildet. Die Kammer 26 ist dabei vorzugsweise so ausgestaltet, daß ihre Kammerwand im Bereich der Lippe eine einer Venturi-Düse ähnliche Durchlaßöffnung für den Gasstrom 22 ausbildet. Die Kammer 26 ist beispiels­ weise in Form eines Zylindermantels um die Kammer 24 herum angeordnet.

Alle Komponenten der Zerstäuberdüse 10 sind beispielsweise aus rostfreiem Stahl gefertigt, es lassen sich aber auch an­ dere hitzebeständige und korrosionsfeste Materialien verwen­ den.

Zur Erzeugung des Wasserstoffs können je nach Anforderungen verschiedene Eduktgemische zum Einsatz kommen. So läßt sich Wasserstoff durch partielle Oxidation von Kraftstoffen unter Zusatz von wahlweise Wasserdampf, Luft oder einem Gemisch aus beidem gewinnen. Die Umsetzung erfolgt an einem übli­ cherweise beheizbaren Katalysator, wobei als Kraftstoffe Benzin, Diesel, Methan oder Methanol verwendet werden kön­ nen. Es eignen sich darüber hinaus auch Methanol/Wasser­ mischungen oder Kraftstoff/Wasseremulsionen.

Je nach Lastanforderung an die Brennstoffzelle sind ver­ schiedene Betriebszustände des Reformers bzw. des Gesamtsy­ stems zu unterscheiden. Die erfindungsgemäße Zerstäubungsdü­ se ist auch bei wechselnden Betriebszuständen stets in der Lage, die benötigten Edukte in der erforderlichen Menge und Zusammensetzung dem System zur Verfügung zu stellen.

Unter stationären Betriebsbedingungen müssen dem Reformer Luft und/oder Wasserdampf zugeführt werden. Dies kann wahl­ weise so geschehen, daß der Wasserdampf beispielsweise über die Gaszuleitung 23 dem Reformer zugeführt wird und die Luft über die Gaszuleitung 21 oder daß beide Gaszuleitungen 21, 23 mit einem Luft/Wasserdampfgemisch beschickt werden. Auf diese Weise lassen sich Luft und Wasserdampf entweder in be­ reits vorgemischter Form oder als weitestgehend getrennte Gasströme dem Reformer zuführen. Der flüssige Kraftstoff wird vorzugsweise über die erste oder zweite Flüssigkeitszu­ leitung 25, 27 zugeführt und gelangt in feinstverteilter Form in den Reformer 12. Es ist alternativ aber auch mög­ lich, den Kraftstoff über die weitere Flüssigkeitszuleitung 35 direkt in den Reformer einzuspritzen. Wahlweise kann dem System auch Wasser über eine der Flüssigkeitszuleitungen 25, 27, 35 zugeführt werden. Dies ist vor allen Dingen bei ab­ rupten Lastwechselvorgängen von Bedeutung.

Während der Kaltstartphase des Systems steht kein Wasser­ dampf zur Verfügung und das Wasser wird in flüssiger Form dem Reformer zugeführt. Der hohe Zerstäubungsgrad der von der erfindungsgemäßen Zerstäubungsdüse erzeugten Gas/­ Flüssigkeitsgemische bewirkt eine deutliche Beschleunigung des Startvorgangs. Ergänzend kann das Startverhalten durch einen beheizten Katalysator im Reformer weiter verbessert werden.

Wird die Zerstäubungsdüse mit einem entsprechenden Dosiersy­ stem für die gasförmigen und flüssigen Edukte gekoppelt, so ergibt sich vorteilhaft eine räumliche Trennung von Dosie­ rung und Zerstäubung. Dies ist vor allem deshalb von Bedeu­ tung, da die Dosierventile bei geringer räumlicher Distanz zum Reformer aufwendig gekühlt werden müßten.

Die erfindungsgemäße Zerstäubungsdüse ist nicht auf das be­ schriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind weitere Ausgestaltungen einer Zerstäuberdüse, die auf einer gasstromunterstützten Zerstäubung beruht, denkbar. So ist es beispielweise nicht zwingend erforderlich, die Zerstäubungs­ düse in die Reaktorwand des Reformers 12 zu integrieren, sie kann auch im Zuleitungssystem des Reformers angeordnet wer­ den.

Claims (12)

1. Zerstäubungsdüse für ein Gas/Flüssigkeitsgemisch, insbe­ sondere zum Eintrag in einen chemischen Reformer zur Er­ zeugung von Wasserstoff, mit mindestens einer Gaszulei­ tung für einen Gasstrom, mindestens einer Flüssigkeits­ zuleitung und mindestens einer Austrittsöffnung für das zerstäubte Gas/Flüssigkeitsgemisch sowie mit einer ersten Kammer, in die die Flüssigkeitszuleitung mündet, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kammer (24) eine Kammerwand (16) aufweist, die austrittsseitig eine Lippe (18) aus­ bildet, zu der beidseitig je ein Gasstrom (20, 22) zuge­ führt ist.

2. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gaszuleitung (21) vorgesehen ist, die in die erste Kammer (24) in Strömungsrichtung vor der Ein­ mündung der Flüssigkeitszuleitung (28, 30) führt, daß ei­ ne zweite Gaszuleitung (23) in eine zweite Kammer (26) führt und daß beide Kammern (24, 26) eine gemeinsame Wan­ dung (15) aufweisen, die an ihrem austrittsseitigen Ende die Lippe (18) ausbildet.

3. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lippe (18) und/oder die Austrittsöff­ nung (19) kreisringförmig ausgeführt sind.

4. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß mindestens eine erste Flüssigkeitszuleitung (25) und mindestens eine zweite Flüssigkeitszuleitung (27) vorgesehen sind und daß die erste und die zweite Flüssigkeitszuleitung (25, 27) innerhalb der Kammer (24) in je einen Ringspalt (28, 30) münden.

5. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Flüssigkeitszuleitungen (25, 27) federbeauf­ schlagte Rückschlagventile (29) vorgesehen sind, um ein Nachtropfen der Flüssigkeiten zu verhindern.

6. Zerstäubungsdüse nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser und/oder einen Kraftstoff umfaßt.

7. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (24) mindestens ein Mittel zur Verdrallung des Gasstromes (20) aufweist.

8. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom (20, 22) Luft und/oder Wasserdampf um­ faßt.

9. Zerstäubungsdüse nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der er­ sten Kammer (24) ein axial beweglicher Stößel (32) ange­ ordnet ist, dessen Oberfläche (34) eine Geometrie auf­ weist, die der Kammerwand (16) der Kammer (24) zumindest annähernd angepaßt ist und daß der Stößel (32) mittels mindestens einer Feder (33) mit dem Gehäuse (14) verbun­ den ist.

10. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Querschnitt des Stößels (32) aus­ trittsseitig vergrößert, so daß der Abstand von dessen Oberfläche (34) zur Kammerwand (16) im Bereich der Lippe (18) ein Minimum aufweist.

11. Zerstäubungsdüse nach Anspruch 9 und 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Stößel (32) stempelförmig ist und mindestens eine weitere Flüssigkeitszuleitung (35) ent­ hält, die an der Stirnseite des Stößels (32) eine weitere Düse (36) zur druckunterstützten Zerstäubung der zugelei­ teten Flüssigkeit aufweist.

12. Verwendung der Zerstäubungsdüse nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Zerstäubung flüssiger Edukte eines Reformers für Brennstoffzellen.