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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verdampfung flüssiger Kohlenwasserstoffverbindungen oder von Flüssigkeiten in denen mindestens eine Kohlenwasserstoffverbindung enthalten ist und deren Verwendung.
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Für die Verdampfung von Flüssigkeiten wird eine Vielzahl von unterschiedlich konfigurierten Verdampfern eingesetzt. Die Erwärmung der zu verdampfenden Flüssigkeit erfolgt dabei mit unterschiedlichen Heizeinrichtungen. Bevorzugt sind dabei Brenner, Wärmetauscher oder auch elektrische Heizeinrichtungen.
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Dabei ist es generell problematisch den nach dem Sieden gebildeten Dampf ohne größere Druckschwankungen (pulsationsfrei) für eine weitere Nutzung zur Verfügung zu stellen. Die üblicherweise eingesetzten großvolumigen Behälter, durch die der gebildete Dampf für einen Druckausgleich geführt werden kann, haben den Nachteil, dass nicht nur eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckes des Dampfes auftreten, sondern sich auch dessen Temperatur verringert. Dadurch muss der Dampf mit erhöhter Temperatur, die deutlich über der Siedetemperatur liegt, gebildet werden, um eine frühzeitige Kondensation zu vermeiden.
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Das mit den Ablagerungen bei den höheren Temperaturen würde ich hier weglassen, da wir bei der Beschreibung der Erfindung nicht exakt aussagen, wie, womit und warum keine Ablagerungen entstehen.
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Auch der Einsatz von Ventilen für einen Druckausgleich des Dampfes hat nur begrenzt eine Wirkung. Ventile, die auch regelbar sein können, sind einmal mit erhöhten Kosten verbunden und zum Anderen unterliegen sie einem erhöhten Verschleiß. Dabei sind die hohen Kosten für die entsprechend temperaturbeständigen Ventile ein wesentlicher Nachteil.
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Ein weiteres Problem ist durch die zu verdampfenden Kohlenwasserstoffverbindungen oder in den zu verdampfenden Flüssigkeiten enthaltenden chemischen Verbindungen gegeben. Diese können chemisch aggressiv wirken, zu Korrosion führen oder bei den für die Verdampfung erforderlichen Temperaturen chemisch reagieren.
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Die genannten Probleme und Nachteile wirken sich besonders bei der Verdampfung von Ethanol oder Ethanol-Wassergemischen und dabei insbesondere dann aus, wenn Ethanol als Brennstoff für den Betrieb in Hochtemperaturbrennstoffzellen eingesetzt werden soll. Dies verstärkt sich noch, da Ethanol für die meissten Anwendungen nicht in chemisch reiner Form eingesetzt wird bzw. werden darf. So sind in der Regel Vergällungsmittel enthalten, die einen unmittelbaren Verzehr verhindern sollen. Solche Stoffe können aber bei der Verdampfung chemisch reagieren, was zu Nachteilen führt. Außerdem ist es nachteilig, dass auch die Siedetemperatur von der Siedetemperatur der eigentlich zu verdampfenden Kohlenwasserstoffverbindung und insbesondere von Ethanol abweicht.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Verdampfung von Kohlenwasserstoffverbindungen oder Flüssigkeiten in denen solche Verbindungen enthalten sind zur Verfügung zu stellen, bei denen der gebildete Dampf mit sehr geringer Druckdifferenz und in geeigneter Konsistenz zur Verfügung gestellt werden kann. Außerdem soll keine chemische Reaktion bei der Verdampfung und insbesondere mit einem Werkstoff, mit dem die Vorrichtung gebildet ist, auftreten können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Vorrichtung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Eine Verwendung ist mit dem Anspruch angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen angeführten Merkmalen realisiert werden.
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An der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist eine Heizeinrichtung vorhanden, mit der eine Erwärmung oberhalb der Siedetemperatur der jeweiligen Kohlenwasserstoffverbindung oder einer Flüssigkeit erreichbar ist. Die Kohlenwasserstoffverbindung oder Flüssigkeit strömt durch mindestens einen Hohlraum, der in einem Körper oder einer Struktur ausgebildet ist, und wird dabei auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur erwärmt. Der Körper oder die Struktur ist aus einem keramischen Werkstoff, der für die jeweilige Kohlenwasserstoffverbindung und/oder in der Flüssigkeit enthaltende chemische Verbindungen oder chemische Elemente inert ist, gebildet.
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Dabei soll unter inert verstanden sein, dass keine chemische Reaktion mit dem Werkstoff und der jeweiligen Kohlenwasserstoffverbindung sowie keiner in der Flüssigkeit enthaltenen Komponente auftreten kann. Dies sind insbesondere keramische Werkstoffe in denen kein Cobalt und kein Chrom enthalten sind.
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Bei den Hohlräumen innerhalb des Körpers oder der Struktur kann es sich um mindestens einen Kanal, um Poren in einem offenporigen keramischen Schaumkörper oder um Freiräume zwischen keramischen Fasern aus denen eine Struktur gebildet ist, handeln.
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In einer erfindungsgemäßen Alterative kann die Kohlenwasserstoffverbindung oder die Flüssigkeit einen Kanal, der in einem keramischen Körper ausgebildet ist, durchströmen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Strömung durch mehrere Kanäle, die innerhalb des Körpers ausgebildet sind, strömen zu lassen und dabei die Erwärmung bis zum Verdampfen zu erreichen. Dabei kann eine Aufteilung des gesamten über mindestens einen Einlass eingeführten Flüssigkeitsstrom innerhalb des Körpers erfolgen.
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Die einzelnen Kanäle können dabei unterschiedliche Längen und allein oder zusätzlich dazu auch unterschiedliche freie Querschnittsflächen aufweisen. Dadurch ist für das Durchströmen der einzelnen Kanäle eine unterschiedliche Zeit erforderlich, bis der gebildete Dampf für eine nachfolgende Nutzung die Vorrichtung verlassen kann, wodurch eine weitere Reduzierung der zeitlich auftretenden Druckschwankungen, des austretenden gebildeten Dampfs erreicht werden kann.
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Ein oder mehrere Kanäle können mäanderförmig durch den Körper geführt sein. Dadurch kann die Baugröße, insbesondere unter dem Aspekt der Beheizung reduziert werden.
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Der Austritt eines oder mehrerer Kanäle kann eine Verjüngung der Größe der freien Querschnittsfläche aufweisen, an die sich ein Bereich mit sich vergrößernder freier Querschnittsfläche in Strömungsrichtung des gebildeten Dampfes anschließt. So wird die Strömungsgeschwindigkeit des gebildeten Dampfes im Bereich der Verjüngung erhöht, wodurch der Austritt erleichtert und eine Ablagerungsbildung im Kanal oder in den Kanälen vermieden werden kann. Mit der sich daran anschließenden Aufweitung und dem dort größeren freien Querschnitt, durch den der gebildete Dampf strömen kann, reduzieren sich die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck und ggf. zeitlich auftretende Druckschwankungen des gebildeten Dampfes können so weiter kompensiert und ausgeglichen werden.
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Die freie Querschnittsfläche im Bereich der Verjüngung sollte mindestens 10% kleiner als die freie Querschnittsfläche eines Kanals davor sein. Der Bereich der Aufweitung, die im Anschluss an die Verjüngung angeordnet ist, sollte sich konisch in Strömungsrichtung des Dampfes erweiternd ausgebildet sein.
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Ansonsten können Kanäle vom Eintritt der Kohlenwasserstoffverbindung oder Flüssigkeit bis zur Verjüngung mit konstanter freier Querschnittsfläche ausgebildet sein.
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Solche bei der Erfindung einsetzbaren Körper aus keramischem Werkstoff können einfach, flexibel und kostengünstig aus Laminaten/Folien hergestellt werden. Die einzelnen Schichten/Laminate/Folien können vor der eigentlichen Sinterung in die jeweils gewünschte Form gebracht werden. Dabei können aus ihnen Bereiche ausgeschnitten (z. B. durch Laserschneiden) bzw. anderweitig entfernt werden. Dann werden die Schichten/Laminate/Folien übereinander gestapelt und ggf. auch unter Druckkraftbeaufschlagung in an sich bekannter Technologie gesintert, so dass der Körper nach dem Sintern aus den stoffschlüssig und dabei auch für Flüssigkeiten und Gase dicht miteinander verbundenen Schichten/Laminaten/Folien gebildet ist. Im Multilayeraufbau ist/sind dann der Kanal oder die Kanäle ausgebildet.
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Hierfür können die ebenfalls bekannten LTCC- oder HTCC-Keramikwerkstoffe eingesetzt werden.
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Bei der Erfindung besteht auch die Möglichkeit, dass im Körper mindestens ein weiterer Kanal ausgebildet ist, durch den ein heißes Medium, bevorzugt im Kreuz- oder Gegenstrom geführt werden kann, mit dem eine Erwärmung auf eine Temperatur zumindest oberhalb der Siedetemperatur der Kohlenwasserstoffverbindung erreichbar ist. Ein solcher Kanal für heißes Medium kann dann neben, bevorzugt mindestens bereichsweiseparallel zu einem oder mehreren Kanälen durch den Körper geführt sein, so dass die Erwärmung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit durch Wärmeaustausch erreicht werden kann.
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Dabei kann auch Prozessabwärme und insbesondere heißes Abgas als heißes Medium genutzt werden. So kann beispielsweise die Abwärme von Hochtemperaturbrennstoffzellen oder eines Startbrenners für solche Zellen eingesetzt werden, deren heißes Abgas kann dann bevorzugt für die Verdampfung eingesetzt werden. Dadurch kann auch der Gesamtwirkungsgrad eines Systems, beispielsweise von SOFC mit erfindungsgemäßer Vorrichtung (durch Einsparung an Balance-of-Plant-Energy) erhöht werden.
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Bei einer Ausführung der Erfindung mit einem keramischen Schaumkörper sollte(n) sich die Porosität und/oder die Porengröße innerhalb des Schaumkörpers in Strömungsrichtung des gebildeten Dampfes vergrößern. Dadurch kann ebenfalls positiv Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit des gebildeten Dampfes und des Druckes bis zum Austritt aus der Vorrichtung genommen werden und dadurch können die zeitlich auftretenden Druckdifferenzen nach dem Austritt des Dampfes weiter reduziert werden. Die Veränderung von Porosität und/oder Porengröße kann dabei kontinuierlich oder auch mindestens zweifach gestuft erfolgen.
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Die Herstellung geeigneter Schaumkörper aus keramischen Werkstoffen gehört zum Stand der Technik. Dabei wird ein poröser Grundkörper aus organischem Material mit einer Keramikpulver-Bindermischung an der Oberfläche und insbesondere auch im Inneren des Schaumes beschichtet. Bei einer Wärmebehandlung werden die organischen Komponenten zum größten Teil in Folge Pyrolyse entfernt und dann das keramische Pulver gesintert, so dass ein entsprechender keramischer Schaumkörper erhalten wird.
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So sollte ein bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzter homogener Schaumkörper eine Porendichte von mindestens 15 ppi, bevorzugt 20 ppi und eine Porosität von 80% bis 95%, bevorzugt von 80% bis 90% aufweisen.
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Bei Schaumkörpern mit sich in Strömungsrichtung verändernder Schaumstruktur kann ein Bereich mit einer Porendichte von mindestens 15 ppi, bevorzugt 20 ppi zuerst durchströmt werden, an den sich ein Bereich mit einer größeren Porengröße anschließt. Dieser Bereich kann eine Porendichte von 30 ppi aufweisen und dann mindestens die Hälfte, bevorzugt Dreiviertel der durchströmten Weglänge durch den Schaumkörper ausmachen.
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In einer weiteren Alternative für die Erfindung kann auch eine mit keramischen Fasern gebildete Struktur eingesetzt werden, bei der die Hohlräume mit den Freiräumen zwischen den Fasern gebildet sind. Die keramischen Fasern können dabei als Gelege, Gewirk, Gewebe oder Geflecht die Struktur bilden. Es besteht auch die Möglichkeit die Fasern miteinander stoffschlüssig zu verbinden. Hierfür können grüne noch nicht gesinterte Fasern in die gewünschte Form gebracht werden und dann an den Berührungsstellen punktuell über Sinterbrücken bei einer zur Sinterung führenden Wärmebehandlung miteinander verbunden werden.
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Für bei der Erfindung einsetzbare Körper oder Strukturen können keramische Werkstoffe eingesetzt werden, die ausgewählt sind aus SiC, Si3N4, WC, AlN, TiN und Molybdänsilizid.
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Bei Einsatz von elektrisch leitfähigen keramischen Werkstoffen, wie z. B. SiC (SSiC u. CSiC sind bevorzugt), TiN, WC oder Molybdänsilizid besteht die Möglichkeit einer Beheizung durch direkten Anschluss an eine elektrische Spannungsquelle, um die Erwärmung unmittelbar mit dem Körper oder der Struktur, die zur Verdampfung führt, zu erreichen. Dabei bildet der Körper oder die Struktur eine elektrische Widerstandsheizquelle. Diese keramischen Werkstoffe sind auch wegen ihrer guten thermischen Leitfähigkeit gut geeignet. Der Körper oder die Struktur bilden dabei ein Heizelement.
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Es besteht aber auch die Möglichkeit elektrisch leitende Elemente, wie z. B. metallische Drähte durch einen Körper oder eine Struktur zu führen oder den Körper oder die Struktur in ein elektrisch leitendes Element einzusetzen und diese mit einem elektrischen Anschluss als Heizelement zu nutzen. Analog dazu können aber auch mindestens ein Rohr um den oder an dem Körper oder einer Struktur vorgesehen sein, durch das ein heißes Medium, zur Erwärmung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit bis oberhalb der Siedetemperatur durch Wärmetausch, strömt. Der Körper oder eine Struktur kann auch in einem Behälter angeordnet sein, durch den ein heißes Medium zur Erwärmung strömt. Auch hier kann die Abwärme von Abgas aus einem Prozess genutzt werden.
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Es ist auch eine Kombination eines elektrischen Widerstandsheizelements mit einem Heizelement, bei dem die Erwärmung durch Wärmetausch erfolgt, möglich.
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Die flüssige Kohlenwasserstoffverbindung oder die Flüssigkeit kann der Vorrichtung aus einem Behälter zugeführt werden, der in vertikaler Richtung so angeordnet ist, dass eine Förderung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit allein in Folge der wirkenden Gravitationskraft in die Vorrichtung erreicht werden kann. Der Eintritt sollte bevorzugt vertikal unten bzw. im vertikal unteren Bereich der Vorrichtung und der Abzug entsprechend vertikal oben oder im vertikal oberen Bereich erfolgen.
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Nachfolgend soll die Erfindung an Hand von Beispielen näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel mit einem Kanal, der durch einen Körper mäanderförmig geführt ist;
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2 eine Schnittdarstellung durch einen Körper mit verzweigten Kanälen;
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3 eine Schnittdarstellung durch einen Körper mit mehreren Kanälen und
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4 eine Teilschnittdarstellung durch ein Beispiel mit einem offenporigen Schaumkörper, durch dessen offene Poren die Kohlenwasserstoffverbindung oder die Flüssigkeit bei der Erwärmung bis oberhalb der Siedetemperatur strömt.
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In 1 ist eine Schnittdarstellung durch einen Körper 1, der aus mehreren durch Sinterung stoffschlüssig miteinander verbundenen Lagen aus einer LTCC-Keramik erhalten worden ist, gezeigt. In den einzelnen Lagen sind Ausschnitte entfernt worden, die einen durch den Körper 1 mäanderförmig geführten Kanal 1 ausbilden. Durch den Eintritt 2.1 kann Ethanol oder ein Ethanol-Wassergemisch in den Kanal 1 einströmen und aus dem Austritt 2.2 wieder als Dampf/Dampfgemisch ausströmen. Der Kanal 2 hat über seine gesamte Länge eine gleich große Querschnittsfläche von 1 mm. Lediglich am Austritt 2.2 ist eine Verjüngung ausgebildet, bei der die Querschnittsfläche des Kanals 2 auf 0,7 mm reduziert ist. Daran schließt sich eine konisch ausgebildete Aufweitung an, mit der eine weitere Vergleichmäßigung des Druckes des austretenden Dampfes über der Zeit erreicht werden kann. Der Kanal 2 hatte eine Gesamtlänge von 100 mm.
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Bei einem Volumenstrom von 50 ml/h an zugeführtem Ethanol wurde der Kanal 2 mit einer Geschwindigkeit von 0,014 m/s durchströmt. Die Erwärmung erfolgte mit einer Energie von 11 W. Es wurde auf eine Temperatur oberhalb 100°C bis maximal 150°C erwärmt, um das Ethanol sicher und vollständig zu verdampfen. Die erreichbare Druckdifferenz des austretenden Dampfes betrug maximal 3 mbar über einen längeren Zeitraum, so dass die für eine nachfolgende Nutzung zu berücksichtigende Druckschwankung des Dampfes vernachlässigt werden kann.
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Die Beheizung erfolgte über eine Doppelrohrmantelheizung (nicht dargestellt), durch die heißes Gas mit einer Temperatur von mindestens 150°C zugeführt wurde. Eine entsprechende Erwärmung des Körpers 1 und der zu verdampfenden Flüssigkeit kann auch mit einem weiteren Kanal (ebenfalls nicht dargestellt) erfolgen, der neben dem Kanal 2 durch den Körper 1 geführt ist und durch den heißes Medium zur Erwärmung im Gegenstrom zur zu verdampfenden Flüssigkeit geführt werden kann. Alternativ kann die Erwärmung auch mit einer elektrischen Widerstandsheizung erfolgen. Dabei können elektrische Leiter, durch die ein elektrischer Strom fließt vorgesehen sein. Hierfür können aufgedruckte Leiter, beispielsweise aus Silber genutzt werden. Eine elektrische Widerstandsheizung kann auch in Kombination mit einer der vorab erläuterten Möglichkeiten vorgesehen sein.
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Die 2 zeigt ein Beispiel bei dem in einem Körper, der aus einem keramischen Werkstoff hergestellt worden ist, ausgehend von einem Eintritt 2.1 für zu verdampfende Flüssigkeit sich ein Kanal 1 in mehrere einzelne Kanäle verzweigt, die in Richtung Austritt 2.2 wieder zusammengeführt werden. Dabei legt die zu verdampfende Flüssigkeit je nach dem unterschiedlich lange Wege innerhalb der Vorrichtung zurück und verbleibt entsprechend längere oder kürzere Zeit in der Vorrichtung. Auch dadurch kann die zeitliche Druckschwankung des austretenden Dampfes reduziert und nahezu auf einen konstanten Druck vergleichmäßigt werden.
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Dieser Effekt kann bei einem Beispiel, wie es in 3 gezeigt ist ebenfalls ausgenutzt werden. Auch hier erfolgt eine Verzweigung der zu verdampfenden Flüssigkeit ausgehend vom Eintritt 2.2 in mehrere Kanäle 2, die am Austritt 2.2 wieder zusammengeführt sind.
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Der Bereich um den Austritt 2.2 kann bei den Beispielen nach den 2 und 3, wie beim Beispiel nach 1 mit Verjüngung und Aufweitung ausgebildet werden.
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In 4 ist ein Beispiel mit einem Körper 1, der als offenporiger Schaumkörper 1.1 ausgebildet ist, gezeigt. Durch die offenen Poren des aus SSiC gebildeten Schaumkörpers kann die Kohlenwasserstoffverbindung oder die Flüssigkeit bei der Erwärmung bis oberhalb der Siedetemperatur strömen. Sie tritt über den Eintritt 2.1, der vertikal unten angeordnet ist, in die Vorrichtung ein, durchströmt den Schaumkörper 1.1 und kann gasförmig über den vertikal oben angeordneten Austritt 2.2 einer nachfolgenden Nutzung zugeführt werden. Eintritt 2.1 und Austritt 2.2 können als einfache Rohre, die über eine Flanschverbindung, ggf. auch eine Schweißverbindung mit dem Gehäuse 3 verbunden sind, ausgebildet sein. Die Kohlenwasserstoffverbindung oder die Flüssigkeit kann in den Schaumkörper 1.1 unmittelbar am Ende des Eintritts 2.1 eingeführt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dort in Strömungsrichtung vor dem Schaumkörper 1.1 einen hier nicht dargestellten Hohlraum vorzusehen, der eine vergrößerte Querschnittsfläche aufweist, so dass die Strömungsgeschwindigkeit reduziert und eine Homogensierung und gleichmäßige Verteilung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit vor der Verdampfung, die innerhalb des Schaumkörpers auftritt, erreicht werden kann.
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Der Schaumkörper 1.1 hat bei diesem Beispiel eine Porosität von 80% bis 90% und eine Porendichte von 20 ppi.
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Bei diesem Beispiel ist ein Schaumkörper 1.11.1 mit in engen Grenzen konstanter Porosität innerhalb des Volumens gewählt worden. Es besteht aber auch die Möglichkeit einen mit gradierter Porosität in Strömungsrichtung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit oder zwei Schaumkörper 1.1 mit unterschiedlicher Porosität einzusetzen. Dabei soll sich die Porosität und/oder Porengröße in Strömungsrichtung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit vergrößern.
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Um den Schaumkörper 1.1 ist ein Gehäuse 3 ausgebildet, in dem ein Hohlraum 4 vorhanden ist. In den Hohlraum kann bei diesem Beispiel ein auf eine oberhalb der Siedetemperatur der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit erwärmtes Medium über den Anschluss 5 zu und über den Anschluss 6 abgeführt werden. Hierfür kann aber auch heißes Gas, insbesondere heißes Abgas oder Abluft eingesetzt werden. Die Erwärmung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit erfolgt dabei durch Wärmeaustausch/Rekuperator.
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In nichtdargestellter Form kann innerhalb des Hohlraums 4 aber auch eine elektrische Widerstandsheizung angeordnet sein, mit der die Erwärmung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit bis oberhalb der Siedetemperatur erreicht werden kann.
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In einer konkreten Versuchsdurchführung wurde über den Eintritt 2.1 mit einem Innendurchmesser von 4 mm Ethanol mit einem Volumenstrom von 50 ml/h zugeführt. Der Schaumkörper 1.1 hatte einen Außendurchmesser von 14 mm und in Strömungsrichtung der Kohlenwasserstoffverbindung oder der Flüssigkeit eine Länge von 70 mm.
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Mit einer elektrischen Widerstandsheizung, die um den Schaumkörper 1.1 angeordnet war, wurde das Ethanol dadurch auf eine Temperatur von mindestens 79°C erwärmt und der dabei gebildete Dampf konnte am Austritt 2.2 für eine weitere Nutzung abgezogen werden. Die mittlere maximale Druckdifferenz des aus dem Austritt 2.2 austretenden Ethanoldampfs betrug ±4 mbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Körper
- 1.1
- Schaumkörper
- 2
- Kanal
- 2.1
- Eintritt
- 2.2
- Austritt
- 3
- Gehäuse
- 4
- Hohlraum
- 5
- Anschluss
- 6
- Anschluss
