WO2008003520A1 - Evaporation device, component comprising an evaporation device and method for evaporating an oxidizable liquid - Google Patents

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liquid
evaporation
housing
evaporation device
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Wolfgang Hahnl
Christoph Hossfeld
Jürgen Klement
Marco Ranalli
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Emcon Technologies Germany (Augsburg) Gmbh
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    • F01N2610/107Adding substances to exhaust gases the substance being heated, e.g. by heating tank or supply line of the added substance using glow plug heating elements

Definitions

  • the invention relates to an evaporation device for evaporating an oxidizable liquid and introducing a vapor generated from the oxidizable liquid in a gas stream, in particular upstream or downstream of a consumer, with a heating element disposed in a housing, wherein the housing has an inlet for the liquid , at least one evaporation space and an outlet for the steam.
  • the evaporation device for an exhaust system of an internal combustion engine (the latter in this case represents the consumer) or provided for a reforming device for generating a hydrogen-containing gas, which is also coupled to a consumer, for example, a (H 2 consuming) fuel cell.
  • the invention relates to an assembly with an evaporation device and a method for evaporating an oxidizable liquid.
  • a generic evaporation device is known from EP 1 369 557 A1. This has as a heating element to a glow plug, evaporated by means of the diesel fuel and upstream of a diesel particulate filter or NOx - storage catalyst is introduced into the exhaust stream to regenerate the filter or catalyst at periodic intervals.
  • the invention provides an evaporation device that is distinguished from the prior art by an improved evaporation of an oxidizable liquid while maintaining low energy consumption.
  • an evaporation device of the type mentioned above in that the heating element is at least partially surrounded by a sheath which is disposed between the heating element and a wall of the housing, wherein seen from the heating element laterally outside the envelope, the oxidizable liquid is provided ,
  • the embodiment of the invention is based on the recognition that the largest heat exchange between the glow plug and the liquid during the bubble boiling (ie the formation of bubbles in the boiling liquid) takes place. By wrapping the bladder boiling is favored. Thus, the evaporation can be improved by simple means. If the coating is provided on the heating element, the surface available for the heat exchange with the liquid can be increased, whereby more heat can be transferred to the liquid. If the sheath is slightly spaced from the heating element, it acts as a flow guide surface, by means of which liquid is selectively guided to the heat source.
  • the heating element is a glow plug, which is available at low cost as a mass-produced item.
  • the envelope is at least partially liquid-permeable, so that it is possible to flow through the oxidizable liquid.
  • the (liquid-permeable) envelope abuts directly on the heating element and thus increases the effective surface area for the heat exchange between the heating element and the liquid. Blistering occurs in this embodiment on the surface of the glow plug and inside the liquid pervious enclosure.
  • the enclosure is spaced from both the heating element and the wall of the housing. In this embodiment, blistering occurs between the heating element and the enclosure, with the vapor bubbles rising along the heating element due to their lower density relative to the liquid.
  • the heating element Above the heating element, the vapor bubbles unite due to surface tension, and the liquid which has been torn up by the vapor bubbles flows down again outside the envelope, the envelope serving to separate the regions of the rising vapor bubbles and the effluent to separate. In this way, a closed liquid circuit is formed in the housing of the evaporation device.
  • a (liquid-permeable) casing can be arranged directly on the heating element and additionally a sheath with a distance from the heating element.
  • the oxidizable liquid is fuel, in particular diesel fuel.
  • the (liquid-permeable) sheath is preferably a porous material, in particular a metal foam, which has a comparatively large surface which promotes nucleate boiling and heat transfer.
  • the (liquid-permeable) sheath may be a wire mesh. This is also relatively inexpensive available.
  • the housing is according to a preferred embodiment, an elongated tube in which the likewise elongated heating element is arranged vertically. In this way one obtains a particularly favorable for the nucleate boiling geometry.
  • the evaporation space preferably has a vapor collecting section located above the heating element and having a comparatively large volume.
  • the outlet of the housing is advantageously arranged in the region of the vapor collecting section into which only the vaporous phase passes. In this way it is largely prevented that liquid droplets get into the gas stream.
  • Heating element may be divided over its length into a plurality of heating zones, wherein the zone with the highest energy density is arranged at the bottom, where the liquid collects.
  • a drip element is provided downstream of the heating element, in particular in the form of a metal foam or wire mesh.
  • a drip element is preferably combined with the enclosure described so far, but can be used advantageously in any conventional evaporation device.
  • the evaporation device according to the invention is preferably used in an assembly with a main line in which a gas stream is guided.
  • a portion of the housing of the evaporation device, on which the outlet is arranged, projects into the main line.
  • the heat of the gas stream can be used in addition to heating the liquid.
  • the section projecting into the main line preferably forms a majority of the housing.
  • the section projecting into the main line has a plurality of integrally formed ribs which increase the surface of the housing which is effective for the heat transfer.
  • the main line is an exhaust pipe in an exhaust system for an internal combustion engine.
  • the evaporation device is preferably upstream of an exhaust gas purification device, in particular a particulate filter with switched oxidation catalyst or a NO x storage catalyst arranged.
  • the oxidizable liquid serves as a regeneration agent for the exhaust gas purification system.
  • the main line is a supply line of a reforming device for generating a hydrogen-containing gas.
  • the oxidizable liquid is preferably fuel that is mixed with air in the vapor state and reacts in the reforming device to form a hydrogen-containing gas.
  • a method for evaporating an oxidizable liquid by means of an evaporation device is provided, with a heating element arranged in an evaporation space, which is at least partially surrounded by an envelope.
  • the method comprises the following steps. First, the liquid is introduced into the evaporation space and heated by means of the heating element. In the region of the heating element, bubbles are formed which rise with the entrainment of liquid to the top of the heating element. It forms a foam that covers the tip of the heating element at least almost completely. The foam is separated into a vapor portion and a liquid portion, the liquid portion being returned to a portion of the heating element surrounded by liquid, and the vapor portion being discharged from the evaporation space.
  • the heating element is (almost) completely covered by liquid or foam, to which the heat of the heating element can be transferred better than to steam.
  • a separation of liquid and vapor is provided.
  • the evaporation space has a downstream of the
  • Heater arranged outlet, wherein the liquid is introduced into the evaporation chamber, without this reaches the outlet.
  • the outlet there is only steam in the area of the outlet, which can leave the evaporation space.
  • FIG. 1 is a schematic view of an assembly with an evaporation device according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic view of an assembly with an evaporation device according to a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic view of an assembly with an evaporation device according to a third embodiment of the invention
  • FIG. 4 shows a schematic view of an assembly with an evaporation device according to a fourth embodiment of the invention
  • FIG. 5 is a schematic view of an assembly with a vaporizing device according to a fifth embodiment of the invention.
  • Figure 6 is a diagram illustrating heat transfer during boiling of the oxidizable liquid
  • FIG. 7 is a schematic representation of an exhaust system with an assembly according to the invention.
  • FIG. 8 is a schematic representation of a reforming device with an assembly according to the invention.
  • FIG. 1 shows an assembly 10 according to the invention which has a main line 12 in which a gas flow (indicated by the arrow P 1 ) is guided.
  • the assembly 10 further comprises an evaporation device 14, in which an oxidizable liquid, in particular fuel, evaporated and via which the vapor generated from the oxidizable liquid is introduced into the gas stream, as indicated by the arrow P 2 .
  • the evaporation device 14 has a housing 16 and a heating element 18 arranged therein in the form of a glow plug.
  • the housing 16 has an inlet 20 for the liquid, which is outside the main line 12, an evaporation chamber 21 and an outlet 22 for the steam, which is arranged on a projecting into the main line 12 portion 24 of the housing 16.
  • the portion 24 has a plurality of molded ribs 26 which are parallel to the Main flow direction P 1 of the gas flow to the housing 16 are arranged. If the ribs 26 are oriented obliquely to the direction P 1 , after the evaporation device 14, the vortex formation could increase, resulting in a better distribution of the vapor in the gas stream.
  • the heating element 18 is partially surrounded by a sheath 28 which is disposed between the heating element 18 and a wall 30 of the housing 16. In the embodiment shown in Figure 1, it lies in particular directly on the heating element 18 and is liquid-permeable.
  • the sheath 28 is a porous material in the form of a metal foam, alternatively it may be a wire mesh or a perforated plate.
  • the housing 16 is an elongated tube in which the likewise elongate heating element 18 is arranged upright or inclined to 45 °.
  • liquid flows through the inlet 20 into the housing 16 and boils in the region of the heating element 18 and the cover 28.
  • bubbles are formed on the porous and therefore very large surface of the heating element 18 or the cover 28 Figure 1 are indicated by the reference numeral 32.
  • the temperature of the vapor bubbles is about 15 ° C higher than the temperature of the surrounding liquid. Due to their lower density, the vapor bubbles in the housing 16 rise rapidly along the heating element 18. From small bubbles arise when rising (reference numeral 34) larger bubbles and form a two-phase mixture of liquid and vapor, which can lead to foaming.
  • the two-phase mixture is now separated into two separate phases.
  • the dividing line between the gaseous and the liquid phase is designated.
  • the evaporation space 21 has a vapor collection section 38, which has a comparatively large volume. In this area, the phase separation takes place in that the fluid entrained by the gas bubbles forms drops which flow down in the evaporation space 21 along the peripheral wall 30 (reference numeral 40) and mix with the newly introduced liquid. This preheated liquid then comes (again) in contact with the heating element 18, causing bubbles to form again and the process described starts again. In the evaporation chamber 21 thus forms a circulating flow.
  • FIG. 2 shows an assembly 10 with an evaporation device 14 according to a second embodiment of the invention.
  • the same or functionally identical components bear the same reference numerals, and in the following, only the differences from the previously described solution will be discussed.
  • the sheath 28 is arranged at a distance both from the heating element 18 and from the wall 30 of the housing 16. In this way, a narrow gap is formed between the sheath 28 and the heating element 18 in which the liquid boils and forms bubbles. The bubbles rise up again and, due to the narrow gap, carry a large amount of liquid, which is separated from the vapor in the vapor collection section 38.
  • the enclosure 28 here serves to separate between the outer area where the liquid flows down the wall 30 and the inner area where the bubbles rise upwards.
  • the wrapper 28 may be at least partially liquid-permeable, but need not.
  • the sheath 28 is arranged at a distance from the bottom of the evaporation space 21, so that there is a passage for the liquid.
  • a tubular element with a few individual openings in the lower area is conceivable. The bubbles can not come down again.
  • an enclosure 28 may be disposed both directly on the heating element 18 and at a distance from the heating element 18.
  • FIG. 3 The embodiments of Figures 3 and 4 are in principle as the embodiment of Figure 2 formed, but without the integrally formed on the housing 16 ribs 26. Also, these evaporation devices 14 do not protrude so far into the main line 12. Both evaporation devices 14 additionally have a drip element 42 above (ie downstream) of the heating element 18, which is a metal foam or a Wire mesh acts. The drip element 42 ensures that no liquid drops from the evaporation device 14 get into the main line 12.
  • the drip element 42 may be a continuous plate extending over the entire cross-sectional area of the evaporator 14 (FIG. 3), or it may consist of a plurality of individual and tilted parts, as shown in FIG.
  • FIG. 5 shows a final embodiment of the invention, which in turn is very similar to the embodiment according to FIG. 2, the heating element 18 being divided over its length into three different heating zones 44, 46, 48.
  • the highest energy density zone 48 is located at the bottom, the lowest energy density zone 44 at the top. In this way it is possible to provide more heat in the area of the liquid than in the area of the vapor, since it can absorb less heat anyway.
  • the electrical connections of the heating element 18 (or of the housing 16) are designated by 50.
  • Figure 6 illustrates the heat transfer during boiling of the liquid.
  • the heat transfer coefficient ⁇ is plotted against the temperature difference .DELTA.t between the wall and the medium (ie liquid, foam or steam), wherein the following applies to the transferred heat quantity Q:
  • the surface 28 which is effective for heat transfer and the heat transfer coefficient ⁇ is increased by the covering 28 made of porous material, which increases the amount of heat Q transferred.
  • the embodiments according to FIGS. 2 to 4 also have a heat transfer coefficient ⁇ which is higher than that of the prior art due to the circulating flow that forms and the phase separation, as a result of which more heat is also transferred.
  • the assembly 10 as shown in Figure 7, be part of an exhaust system 52 for an internal combustion engine 54, wherein the main line 12 then represents an exhaust pipe.
  • the exhaust system 52 has an exhaust gas purification device 56 in the form of a particulate filter with upstream oxidation catalyst or a NO x storage catalytic converter.
  • the vaporizing device 14 is disposed upstream of the exhaust gas purifying device 56 with respect to the exhaust gas flow in the main pipe 12 to regenerate the same at periodic intervals.
  • the main line 12 may be a supply line of a reformer 58 for producing a hydrogen-containing gas, wherein the evaporator 14 is preceded by a catalyst 60, which is a hydrogen-containing from a fuel-air mixture

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Abstract

The invention relates to a component (10) that is arranged upstream or downstream from a user, comprising a main pipe (12) for a gas flow, in addition to an evaporation device (14) for evaporating an oxidizable liquid and for introducing the evaporation vapour produced from the oxidizable liquid into the gas flow. Said evaporation device (14) has a heating element (18) that is arranged in a housing (16) that comprises an inlet (20) for the liquid, at least one evaporation chamber (21) and an outlet for the evaporation. Said heating element (18) is surrounded at least partially by a covering (28) that is arranged between the heating element (18) and a wall (30) of the housing (16). The oxidizable liquid is provided on the lateral side of the covering (28) when seen from the heating element. The component is, in particular, part of a waste gas system of an internal combustion engine or a reforming device for producing a gas containing hydrogen. The invention also relates to a method for evaporating an oxidizable liquid.

Description

Verdampfungsvorrichtung, Baugruppe mit einer Verdampfungsvorrichtung sowie Verfahren zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit Vaporizing device, assembly with an evaporation device and method for vaporizing an oxidizable liquid
Die Erfindung betrifft eine Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit und zum Einleiten eines aus der oxidierbaren Flüssigkeit erzeugten Dampfes in einen Gasstrom, der insbesondere stromauf- oder stromabwärts eines Verbrauchers liegt, mit einem in einem Gehäuse angeordneten Heizelement, wobei das Gehäuse einen Einlaß für die Flüssigkeit, wenigstens einen Verdampfungsraum und einen Auslaß für den Dampf aufweist. Insbesondere ist die Verdampfungsvorrichtung für eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine (wobei letztere in diesem Fall den Verbraucher darstellt) oder für eine Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases vorgesehen, die ebenfalls mit einem Verbraucher gekoppelt ist, z.B. einer (H2 verbrauchenden) Brennstoffzelle. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Baugruppe mit einer Verdampfungsvorrichtung und ein Verfahren zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit.The invention relates to an evaporation device for evaporating an oxidizable liquid and introducing a vapor generated from the oxidizable liquid in a gas stream, in particular upstream or downstream of a consumer, with a heating element disposed in a housing, wherein the housing has an inlet for the liquid , at least one evaporation space and an outlet for the steam. In particular, the evaporation device for an exhaust system of an internal combustion engine (the latter in this case represents the consumer) or provided for a reforming device for generating a hydrogen-containing gas, which is also coupled to a consumer, for example, a (H 2 consuming) fuel cell. Furthermore, the invention relates to an assembly with an evaporation device and a method for evaporating an oxidizable liquid.
Eine gattungsgemäße Verdampfungsvorrichtung ist aus der EP 1 369 557 A1 bekannt. Diese weist als Heizelement eine Glühkerze auf, mittels der Dieselkraftstoff verdampft und stromaufwärts eines Dieselpartikelfilters oder NOx- Speicherkatalysators in den Abgasstrom eingebracht wird, um den Filter bzw. Katalysator in periodischen Abständen zu regenerieren.A generic evaporation device is known from EP 1 369 557 A1. This has as a heating element to a glow plug, evaporated by means of the diesel fuel and upstream of a diesel particulate filter or NOx - storage catalyst is introduced into the exhaust stream to regenerate the filter or catalyst at periodic intervals.
Wie sich herausgestellt hat, ist eine vergleichsweise große elektrische Energie nötig, um Kraftstoff mit Hilfe einer Glühkerze zu verdampfen, wobei etwa 60% der Energie bereits dazu benötigt werden, den Kraftstoff von Umgebungstemperatur auf Siedetemperatur zu erhitzen. Wird der Kraftstoff nicht vollständig verdampft, so gelangt eine Mischung aus flüssigem und dampfförmigem Kraftstoff in den Abgasstrom, die unter Umständen im Abgas nicht vollständig nachverdampft wird und sich daher nicht zufriedenstellend mit diesem vermischen kann. In diesem Fall kann die Regeneration des Abgasreinigungssystems längerwierig oder unvollständig sein. Ferner können sogenannte Hot Spots am Katalysator entstehen. Aus Sicherheitsgründen und um das Bordnetz z.B. eines Fahrzeugs durch die Stromversorgung der Glühkerze nicht übermäßig zu belasten, ist es nicht möglich, die Leistung der Glühkerze unbegrenzt zu erhöhen.As it turns out, a comparatively large amount of electrical energy is needed to vaporize fuel with the aid of a glow plug, with about 60% of the energy already being needed to heat the fuel from ambient to boiling. If the fuel is not completely evaporated, then enters a mixture of liquid and vapor fuel in the exhaust stream, which is not completely evaporated in the exhaust gas under certain circumstances and therefore can not mix satisfactorily with this. In this case, the regeneration of the exhaust gas purification system may be prolonged or incomplete. Furthermore, so-called hot spots on the catalyst can arise. For safety reasons and In order not to excessively burden the vehicle electrical system such as a vehicle by the power supply of the glow plug, it is not possible to increase the performance of the glow plug indefinitely.
Die Erfindung schafft eine Verdampfungsvorrichtung, die sich gegenüber dem Stand der Technik durch eine verbesserte Verdampfung einer oxidierbaren Flüssigkeit bei gleichbleibend geringem Energieverbrauch auszeichnet.The invention provides an evaporation device that is distinguished from the prior art by an improved evaporation of an oxidizable liquid while maintaining low energy consumption.
Erfindungsgemäß wird dies bei einer Verdampfungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Heizelement zumindest abschnittsweise von einer Umhüllung umgeben ist, die zwischen dem Heizelement und einer Wand des Gehäuses angeordnet ist, wobei vom Heizelement aus gesehen seitlich außerhalb der Umhüllung die oxidierbare Flüssigkeit vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, daß der größte Wärmeaustausch zwischen der Glühkerze und der Flüssigkeit während des Blasensiedens (also der Bildung von Blasen in der siedenden Flüssigkeit) erfolgt. Durch die Umhüllung wird das Blasensieden begünstigt. Somit läßt sich die Verdampfung mit einfachen Mitteln verbessern. Ist die Umhüllung am Heizelement vorgesehen, kann die für den Wärmeaustausch mit der Flüssigkeit zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert werden, wodurch sich mehr Wärme auf die Flüssigkeit übertragen läßt. Ist die Umhüllung etwas von dem Heizelement beabstandet, fungiert sie als Strömungsleitfläche, mittels deren Hilfe gezielt Flüssigkeit zur Wärmequelle geführt wird.According to the invention this is achieved in an evaporation device of the type mentioned above in that the heating element is at least partially surrounded by a sheath which is disposed between the heating element and a wall of the housing, wherein seen from the heating element laterally outside the envelope, the oxidizable liquid is provided , The embodiment of the invention is based on the recognition that the largest heat exchange between the glow plug and the liquid during the bubble boiling (ie the formation of bubbles in the boiling liquid) takes place. By wrapping the bladder boiling is favored. Thus, the evaporation can be improved by simple means. If the coating is provided on the heating element, the surface available for the heat exchange with the liquid can be increased, whereby more heat can be transferred to the liquid. If the sheath is slightly spaced from the heating element, it acts as a flow guide surface, by means of which liquid is selectively guided to the heat source.
Insbesondere handelt es sich bei dem Heizelement um eine Glühkerze, die als Massenartikel kostengünstig verfügbar ist.In particular, the heating element is a glow plug, which is available at low cost as a mass-produced item.
Vorzugsweise ist die Umhüllung zumindest abschnittsweise flüssigkeitsdurch- lässig, kann also von der oxidierbaren Flüssigkeit durchströmt werden.Preferably, the envelope is at least partially liquid-permeable, so that it is possible to flow through the oxidizable liquid.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung liegt die (flüssigkeitsdurchlässige) Umhüllung unmittelbar am Heizelement an und vergrößert so die wirksame Oberfläche für den Wärmeaustausch zwischen Heizelement und Flüssigkeit. Die Blasenbildung findet bei dieser Ausführungsform an der Oberfläche der Glühkerze und im Inneren der flüssigkeitsdurchlässigen Umhüllung statt. Gemäß, einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Umhüllung mit Abstand sowohl vom Heizelement als auch von der Wand des Gehäuses angeordnet. Bei dieser Ausführungsform findet die Blasenbildung zwischen dem Heizelement und der Umhüllung statt, wobei die Dampfblasen aufgrund ihrer gegenüber der Flüssigkeit geringeren Dichte entlang dem Heizelement aufsteigen. Oberhalb des Heizelements vereinigen sich die Dampfblasen aufgrund der Oberflächenspannung, und die Flüssigkeit, die von den Dampfblasen mit nach oben gerissen wurde, fließt außerhalb der Umhüllung wieder nach unten, wobei die Umhüllung dazu dient, die Bereiche der aufsteigenden .Dampfblasen und der abfließenden Flüssigkeit voneinander zu trennen. Auf diese Weise bildet sich ein geschlossener Flüssigkeitskreislauf im Gehäuse der Verdampfungsvorrichtung aus.According to a first embodiment of the invention, the (liquid-permeable) envelope abuts directly on the heating element and thus increases the effective surface area for the heat exchange between the heating element and the liquid. Blistering occurs in this embodiment on the surface of the glow plug and inside the liquid pervious enclosure. According to another embodiment of the invention, the enclosure is spaced from both the heating element and the wall of the housing. In this embodiment, blistering occurs between the heating element and the enclosure, with the vapor bubbles rising along the heating element due to their lower density relative to the liquid. Above the heating element, the vapor bubbles unite due to surface tension, and the liquid which has been torn up by the vapor bubbles flows down again outside the envelope, the envelope serving to separate the regions of the rising vapor bubbles and the effluent to separate. In this way, a closed liquid circuit is formed in the housing of the evaporation device.
Natürlich kann auch eine (flüssigkeitsdurchlässige) Umhüllung unmittelbar am Heizelement und zusätzlich eine Umhüllung mit Abstand vom Heizelement angeordnet sein.Of course, a (liquid-permeable) casing can be arranged directly on the heating element and additionally a sheath with a distance from the heating element.
Wie bereits eingangs erwähnt, handelt es sich bei der oxidierbaren Flüssigkeit um Kraftstoff, insbesondere um Dieselkraftstoff.As already mentioned, the oxidizable liquid is fuel, in particular diesel fuel.
Die (flüssigkeitsdurchlässige) Umhüllung ist vorzugsweise ein poröses Material, insbesondere ein Metallschaum, das eine vergleichsweise große Oberfläche aufweist, die das Blasensieden sowie den Wärmetransfer begünstigt.The (liquid-permeable) sheath is preferably a porous material, in particular a metal foam, which has a comparatively large surface which promotes nucleate boiling and heat transfer.
Alternativ kann die (flüssigkeitsdurchlässige) Umhüllung ein Drahtgeflecht sein. Auch dieses ist relativ preisgünstig verfügbar.Alternatively, the (liquid-permeable) sheath may be a wire mesh. This is also relatively inexpensive available.
Das Gehäuse ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein längliches Rohr, in dem das ebenfalls längliche Heizelement stehend angeordnet ist. Auf diese Weise erhält man eine für das Blasensieden besonders günstige Geometrie.The housing is according to a preferred embodiment, an elongated tube in which the likewise elongated heating element is arranged vertically. In this way one obtains a particularly favorable for the nucleate boiling geometry.
Um die Flüssigkeit, die von den aufsteigenden Blasen mitgeführt wird, von den Blasen zu trennen, weist der Verdampfungsraum vorzugsweise einen oberhalb des Heizelements angeordneten Dampfsammeiabschnitt auf, der ein vergleichsweise großes Volumen hat. Der Auslaß des Gehäuses ist vorteilhaft im Bereich des Dampfsammeiabschnitts angeordnet, in den lediglich die dampfförmige Phase gelangt. Auf diese Weise wird weitgehend verhindert, daß Flüssigkeitstropfen in den Gasstrom gelangen.In order to separate the liquid entrained by the rising bubbles from the bubbles, the evaporation space preferably has a vapor collecting section located above the heating element and having a comparatively large volume. The outlet of the housing is advantageously arranged in the region of the vapor collecting section into which only the vaporous phase passes. In this way it is largely prevented that liquid droplets get into the gas stream.
Zur Erhöhung des Wärmetransfers im Bereich der flüssigen Phase kann dasTo increase the heat transfer in the liquid phase, the
Heizelement über seine Länge in mehrere Heizzonen unterteilt sein, wobei die Zone mit der größten Energiedichte unten angeordnet ist, wo sich die Flüssigkeit sammelt.Heating element may be divided over its length into a plurality of heating zones, wherein the zone with the highest energy density is arranged at the bottom, where the liquid collects.
Um sicherzugehen, daß keine unverdampfte Flüssigkeit die Verdampfungs- Vorrichtung verläßt, ist gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung bei einer Verdampfungsvorrichtung der eingangs genannten Art stromabwärts des Heizelements ein Tropfenfängerelement vorgesehen, insbesondere in Form eines Metallschaums oder Drahtgeflechts. Ein solches Tropfenfängerelement wird bevorzugt mit der bisher beschriebenen Umhüllung kombiniert, kann aber in jeder herkömmlichen Verdampfungsvorrichtung vorteilhaft eingesetzt werden.To ensure that no unvaporized liquid leaves the evaporation device, according to a second aspect of the invention in an evaporation device of the type mentioned above, a drip element is provided downstream of the heating element, in particular in the form of a metal foam or wire mesh. Such a drip element is preferably combined with the enclosure described so far, but can be used advantageously in any conventional evaporation device.
Die erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung wird vorzugsweise in einer Baugruppe mit einer Hauptleitung, in der ein Gasstrom geführt ist, eingesetzt.The evaporation device according to the invention is preferably used in an assembly with a main line in which a gas stream is guided.
Vorteilhaft ragt dabei ein Abschnitt des Gehäuses der Verdampfungsvorrichtung, an dem der Auslaß angeordnet ist, in die Hauptleitung hinein. Auf diese Weise kann die Wärme des Gasstroms zusätzlich zum Heizen der Flüssigkeit genutzt werden.Advantageously, a portion of the housing of the evaporation device, on which the outlet is arranged, projects into the main line. In this way, the heat of the gas stream can be used in addition to heating the liquid.
Um einen besonders hohen Wärmetransfer vom Gasstrom auf die Verdampfungsvorrichtung zu erzielen, bildet der in die Hauptleitung ragende Abschnitt bevorzugt einen Großteil des Gehäuses.In order to achieve a particularly high heat transfer from the gas stream to the evaporation device, the section projecting into the main line preferably forms a majority of the housing.
Gemäß einer Weiterbildung weist der in die Hauptleitung ragende Abschnitt mehrere angeformte Rippen auf, die die für die Wärmeübertragung wirksame Oberfläche des Gehäuses erhöhen.According to a further development, the section projecting into the main line has a plurality of integrally formed ribs which increase the surface of the housing which is effective for the heat transfer.
In einer ersten Variante der Erfindung ist die Hauptleitung eine Abgasleitung in einer Abgasanlage für eine Verbrennungskraftmaschine.In a first variant of the invention, the main line is an exhaust pipe in an exhaust system for an internal combustion engine.
In diesem Fall ist die Verdampfungsvorrichtung vorzugsweise stromaufwärts einer Abgasreinigungsvorrichtung, insbesondere eines Partikelfilters mit vorge- schaltetem Oxidationskatalysator oder eines NOx-Speicherkatalysators, angeordnet. Die oxidierbare Flüssigkeit dient als Regenerationsmittel für das Abgasreinigungssystem.In this case, the evaporation device is preferably upstream of an exhaust gas purification device, in particular a particulate filter with switched oxidation catalyst or a NO x storage catalyst arranged. The oxidizable liquid serves as a regeneration agent for the exhaust gas purification system.
Gemäß einer alternativen Anwendung ist die Hauptleitung eine Zuführleitung einer Reformierungseinrichtung zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases. Wiederum ist die oxidierbare Flüssigkeit vorzugsweise Kraftstoff, der im dampfförmigen Zustand mit Luft vermischt wird und in der Reformierungseinrichtung zu einem wasserstoffhaltigen Gas reagiert.According to an alternative application, the main line is a supply line of a reforming device for generating a hydrogen-containing gas. Again, the oxidizable liquid is preferably fuel that is mixed with air in the vapor state and reacts in the reforming device to form a hydrogen-containing gas.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit mittels einer Verdampfungsvorrichtung vorgesehen, mit einem in einem Verdampfungsraum angeordneten Heizelement, das zumindest abschnittsweise von einer Umhüllung umgeben ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf. Zunächst wird die Flüssigkeit in den Verdampfungsraum eingeleitet und mittels des Heizelements erhitzt. Im Bereich des Heizelements werden Blasen gebildet, die unter Mitführung von Flüssigkeit zur Spitze des Heizelements aufsteigen. Es bildet sich ein Schaum, der die Spitze des Heizelements wenigstens nahezu vollständig bedeckt. Der Schaum wird in einen Dampfanteil und einen Flüssigkeitsanteil getrennt, wobei der Flüssigkeitsanteil zu einem Bereich des Heizelements rückgeführt wird, der von Flüssigkeit umgeben ist, und der Dampfanteil aus dem Verdampfungsraum ausgelassen wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist also das Heizelement (nahezu) vollständig von Flüssigkeit oder Schaum bedeckt, auf die sich die Wärme des Heizelements besser übertragen läßt als auf Dampf. Zudem ist für eine Trennung von Flüssigkeit und Dampf gesorgt.According to a further aspect of the invention, a method for evaporating an oxidizable liquid by means of an evaporation device is provided, with a heating element arranged in an evaporation space, which is at least partially surrounded by an envelope. The method comprises the following steps. First, the liquid is introduced into the evaporation space and heated by means of the heating element. In the region of the heating element, bubbles are formed which rise with the entrainment of liquid to the top of the heating element. It forms a foam that covers the tip of the heating element at least almost completely. The foam is separated into a vapor portion and a liquid portion, the liquid portion being returned to a portion of the heating element surrounded by liquid, and the vapor portion being discharged from the evaporation space. In the method according to the invention, therefore, the heating element is (almost) completely covered by liquid or foam, to which the heat of the heating element can be transferred better than to steam. In addition, a separation of liquid and vapor is provided.
Dabei weist insbesondere der Verdampfungsraum einen stromabwärts desIn particular, the evaporation space has a downstream of the
Heizelements angeordneten Auslaß auf, wobei die Flüssigkeit in den Verdampfungsraum eingeleitet wird, ohne daß diese bis zum Auslaß gelangt. Somit liegt im Bereich des Auslasses nur Dampf vor, der den Verdampfungsraum verlassen kann.Heater arranged outlet, wherein the liquid is introduced into the evaporation chamber, without this reaches the outlet. Thus, there is only steam in the area of the outlet, which can leave the evaporation space.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mehrer bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen: - Figur 1 eine schematische Ansicht einer Baugruppe mit einer Verdampfungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of several preferred embodiments with reference to the accompanying drawings. In these show: - Figure 1 is a schematic view of an assembly with an evaporation device according to a first embodiment of the invention;
- Figur 2 eine schematische Ansicht einer Baugruppe mit einer Verdampfungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;FIG. 2 shows a schematic view of an assembly with an evaporation device according to a second embodiment of the invention;
- Figur 3 eine schematische Ansicht einer Baugruppe mit einer Verdampfungsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;FIG. 3 shows a schematic view of an assembly with an evaporation device according to a third embodiment of the invention;
- Figur 4 eine schematische Ansicht einer Baugruppe mit einer Verdampfungsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;FIG. 4 shows a schematic view of an assembly with an evaporation device according to a fourth embodiment of the invention;
- Figur 5 eine schematische Ansicht einer Baugruppe mit einer Verdamp- fungsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung;- Figure 5 is a schematic view of an assembly with a vaporizing device according to a fifth embodiment of the invention;
- Figur 6 ein Diagramm, das die Wärmeübertragung während des Siedens der oxidierbaren Flüssigkeit darstellt;Figure 6 is a diagram illustrating heat transfer during boiling of the oxidizable liquid;
- Figur 7 eine schematische Darstellung einer Abgasanlage mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe; und- Figure 7 is a schematic representation of an exhaust system with an assembly according to the invention; and
- Figur 8 eine schematische Darstellung einer Reformierungseinrichtung mit einer erfindungsgemäßen Baugruppe.- Figure 8 is a schematic representation of a reforming device with an assembly according to the invention.
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Baugruppe 10, die eine Hauptleitung 12, in der ein Gasstrom (angedeutet durch den Pfeil P1) geführt ist, aufweist. Die Baugruppe 10 umfaßt weiterhin eine Verdampfungsvorrichtung 14, in der eine oxidierbare Flüssigkeit, insbesondere Kraftstoff, verdampft und über die der aus der oxidierbaren Flüssigkeit erzeugte Dampf in den Gasstrom eingeleitet wird, wie durch den Pfeil P2 angedeutet ist. Zu diesem Zweck weist die Verdampfungsvorrichtung 14 ein Gehäuse 16 sowie ein darin angeordnetes Heizelement 18 in Form einer Glühkerze auf. Das Gehäuse 16 hat einen Einlaß 20 für die Flüssig- keit, der außerhalb der Hauptleitung 12 liegt, einen Verdampfungsraum 21 sowie einen Auslaß 22 für den Dampf, der an einem in die Hauptleitung 12 hineinragenden Abschnitt 24 des Gehäuses 16 angeordnet ist. Wie zu erkennen ist, macht der in die Hauptleitung 12 ragende Abschnitt 24 in Axialrichtung des Gehäuses 16 einen Großteil des Gehäuses 16 aus. Um den Wärmeaustausch zwischen dem Gasstrom und der Verdampfungsvorrichtung 14 zu verbessern, weist der Abschnitt 24 mehrere angeformte Rippen 26 auf, die parallel zur Hauptströmungsrichtung P1 des Gasstroms am Gehäuse 16 angeordnet sind. Wenn die Rippen 26 schräg zur Richtung P1 ausgerichtet sind, könnte sich nach der Verdampfungsvorrichtung 14 die Wirbelbildung verstärken, was zu einer besseren Verteilung des Dampfes im Gasstrom führt.FIG. 1 shows an assembly 10 according to the invention which has a main line 12 in which a gas flow (indicated by the arrow P 1 ) is guided. The assembly 10 further comprises an evaporation device 14, in which an oxidizable liquid, in particular fuel, evaporated and via which the vapor generated from the oxidizable liquid is introduced into the gas stream, as indicated by the arrow P 2 . For this purpose, the evaporation device 14 has a housing 16 and a heating element 18 arranged therein in the form of a glow plug. The housing 16 has an inlet 20 for the liquid, which is outside the main line 12, an evaporation chamber 21 and an outlet 22 for the steam, which is arranged on a projecting into the main line 12 portion 24 of the housing 16. As can be seen, makes the projecting into the main line 12 section 24 in the axial direction of the housing 16 a major part of the housing 16. In order to improve the heat exchange between the gas flow and the evaporation device 14, the portion 24 has a plurality of molded ribs 26 which are parallel to the Main flow direction P 1 of the gas flow to the housing 16 are arranged. If the ribs 26 are oriented obliquely to the direction P 1 , after the evaporation device 14, the vortex formation could increase, resulting in a better distribution of the vapor in the gas stream.
Das Heizelement 18 ist abschnittsweise von einer Umhüllung 28 umgeben, die zwischen dem Heizelement 18 und einer Wand 30 des Gehäuses 16 angeordnet ist. Bei der in Figur 1 gezeigten Ausgestaltung liegt sie insbesondere unmittelbar am Heizelement 18 an und ist flüssigkeitsdurchlässig. Die Umhüllung 28 ist ein poröses Material in Form eines Metallschaums, alternativ kann es sich auch um ein Drahtgeflecht oder ein Lochblech handeln.The heating element 18 is partially surrounded by a sheath 28 which is disposed between the heating element 18 and a wall 30 of the housing 16. In the embodiment shown in Figure 1, it lies in particular directly on the heating element 18 and is liquid-permeable. The sheath 28 is a porous material in the form of a metal foam, alternatively it may be a wire mesh or a perforated plate.
Das Gehäuse 16 ist ein längliches Rohr, in dem das ebenfalls längliche Heizelement 18 stehend oder bis 45° geneigt angeordnet ist. Im Betrieb der Verdampfungsvorrichtung 14 strömt Flüssigkeit durch den Einlaß 20 in das Gehäuse 16 und siedet im Bereich des Heizelements 18 und der Umhüllung 28. Dabei werden an der porösen und damit sehr großen Oberfläche des Heizelements 18 bzw. der Umhüllung 28 Blasen gebildet, die in Figur 1 durch das Bezugszeichen 32 angedeutet sind. Die Temperatur der Dampfblasen ist um ca. 15° C höher als die Temperatur der sie umgebenden Flüssigkeit. Aufgrund ihrer geringeren Dichte steigen die Dampfblasen im Gehäuse 16 entlang dem Heizelement 18 schnell auf. Aus kleinen Blasen entstehen beim Aufsteigen (Bezugszeichen 34) größere Blasen und bilden ein Zweiphasengemisch aus Flüssigkeit und Dampf, wobei es zu einer Schaumbildung kommen kann. Es kann sogar eine Pfropfenströmung entstehen, also ein Pfropfen aus Blasen, der die Flüssigkeit verdrängt. Das Zweiphasengemisch wird nun in zwei Einzelphasen getrennt. Mit 36 ist die Trennlinie zwischen der gasförmigen und der flüssigen Phase bezeichnet. Oberhalb des Heizelements 18 weist der Verdampfungsraum 21 einen Dampfsammeiabschnitt 38 auf, der ein vergleichsweise großes Volumen hat. In diesem Bereich findet auch die Phasentrennung statt, indem die von den Gasblasen mitgeführte Flüssigkeit Tropfen bildet, die im Verdampfungsraum 21 entlang der Umfangswand 30 nach unten abfließen (Bezugszeichen 40) und sich mit der neu eingeleiteten Flüssigkeit vermischen. Diese vorgeheizte Flüssigkeit kommt anschließend (wieder) mit dem Heizelement 18 in Kontakt, wodurch sich erneut Blasen bilden und der beschriebene Vorgang von neuem beginnt. Im Verdampfungsraum 21 bildet sich also eine Umlaufströmung aus.The housing 16 is an elongated tube in which the likewise elongate heating element 18 is arranged upright or inclined to 45 °. During operation of the evaporation device 14, liquid flows through the inlet 20 into the housing 16 and boils in the region of the heating element 18 and the cover 28. In this case, bubbles are formed on the porous and therefore very large surface of the heating element 18 or the cover 28 Figure 1 are indicated by the reference numeral 32. The temperature of the vapor bubbles is about 15 ° C higher than the temperature of the surrounding liquid. Due to their lower density, the vapor bubbles in the housing 16 rise rapidly along the heating element 18. From small bubbles arise when rising (reference numeral 34) larger bubbles and form a two-phase mixture of liquid and vapor, which can lead to foaming. It can even create a plug flow, so a plug of bubbles, which displaces the liquid. The two-phase mixture is now separated into two separate phases. With 36 the dividing line between the gaseous and the liquid phase is designated. Above the heating element 18, the evaporation space 21 has a vapor collection section 38, which has a comparatively large volume. In this area, the phase separation takes place in that the fluid entrained by the gas bubbles forms drops which flow down in the evaporation space 21 along the peripheral wall 30 (reference numeral 40) and mix with the newly introduced liquid. This preheated liquid then comes (again) in contact with the heating element 18, causing bubbles to form again and the process described starts again. In the evaporation chamber 21 thus forms a circulating flow.
Figur 2 zeigt eine Baugruppe 10 mit einer Verdampfungsvorrichtung 14 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Dabei tragen gleiche oder funktionsgleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen, und im folgenden wird nur auf die Unterschiede zur bisher beschriebenen Lösung eingegangen.FIG. 2 shows an assembly 10 with an evaporation device 14 according to a second embodiment of the invention. The same or functionally identical components bear the same reference numerals, and in the following, only the differences from the previously described solution will be discussed.
Im Gegensatz zur bisher beschriebenen Ausgestaltung ist bei der Verdampfungsvorrichtung 14 gemäß Figur 2 die Umhüllung 28 mit Abstand sowohl vom Heizelement 18 als auch von der Wand 30 des Gehäuses 16 angeordnet. Auf diese Weise bildet sich zwischen der Umhüllung 28 und dem Heizelement 18 ein schmaler Spalt, in dem die Flüssigkeit siedet und Blasen bildet. Die Blasen steigen wieder nach oben und führen aufgrund des schmalen Spaltes viel Flüssigkeit mit sich, die im Dampfsammeiabschnitt 38 vom Dampf getrennt wird. Die Umhüllung 28 dient hier zur Trennung zwischen dem äußeren Bereich, in dem die Flüssigkeit an der Wand 30 nach unten fließt, und dem inneren Bereich, in dem die Blasen nach oben steigen. Zu diesem Zweck kann die Umhüllung 28 zumindest abschnittsweise flüssigkeitsdurchlässig sein, muß es aber nicht. Es genügt, wenn die Umhüllung 28 mit Abstand vom Boden des Verdampfungsraums 21 angeordnet ist, so daß sich eine Passage für die Flüssigkeit ergibt. Alternativ ist auch ein Rohrelement mit einigen Einzelöffnungen im unteren Bereich denkbar. Die Blasen können nicht wieder nach unten gelangen. Auf die für den Fachmann einfach zu realisierende Lagerung der Umhüllung 28, insbesondere am Heizelement 18 oder am Gehäuse 16, Wird hier nicht näher eingegangen.In contrast to the previously described embodiment, in the evaporator device 14 according to FIG. 2, the sheath 28 is arranged at a distance both from the heating element 18 and from the wall 30 of the housing 16. In this way, a narrow gap is formed between the sheath 28 and the heating element 18 in which the liquid boils and forms bubbles. The bubbles rise up again and, due to the narrow gap, carry a large amount of liquid, which is separated from the vapor in the vapor collection section 38. The enclosure 28 here serves to separate between the outer area where the liquid flows down the wall 30 and the inner area where the bubbles rise upwards. For this purpose, the wrapper 28 may be at least partially liquid-permeable, but need not. It is sufficient if the sheath 28 is arranged at a distance from the bottom of the evaporation space 21, so that there is a passage for the liquid. Alternatively, a tubular element with a few individual openings in the lower area is conceivable. The bubbles can not come down again. On the easy for the skilled person to be realized storage of the enclosure 28, in particular on the heating element 18 or the housing 16, will not be discussed here.
Besonders vorteilhaft können die Ausgestaltungen der Figuren 1 und 2 miteinander kombiniert werden, d.h. eine Umhüllung 28 kann sowohl unmittelbar am Heizelement 18 als auch mit Abstand vom Heizelement 18 angeordnet sein.Particularly advantageously, the embodiments of Figures 1 and 2 can be combined with each other, i. an enclosure 28 may be disposed both directly on the heating element 18 and at a distance from the heating element 18.
Die Ausführungsformen der Figuren 3 und 4 sind prinzipiell wie die Ausführungsform der Figur 2 ausgebildet, allerdings ohne die am Gehäuse 16 angeformten Rippen 26. Auch ragen diese Verdampfungsvorrichtungen 14 nicht ganz so weit in die Hauptleitung 12. Beide Verdampfungsvorrichtungen 14 weisen zusätzlich ein Tropfenfängerelement 42 oberhalb (also stromabwärts) des Heizelements 18 auf, bei dem es sich um einen Metallschaum oder ein Drahtgeflecht handelt. Das Tropfenfängerelement 42 stellt sicher, daß keine Flüssigkeitstropfen aus der Verdampfungsvorrichtung 14 in die Hauptleitung 12 gelangen. Das Tropfenfängerelement 42 kann eine durchgehende Platte sein, die sich über die gesamte Querschnittsfläche der Verdampfungsvorrichtung 14 erstreckt (Figur 3), oder es kann aus mehreren einzelnen und zueinander verkippten Teilen bestehen, wie in Figur 4 gezeigt ist.The embodiments of Figures 3 and 4 are in principle as the embodiment of Figure 2 formed, but without the integrally formed on the housing 16 ribs 26. Also, these evaporation devices 14 do not protrude so far into the main line 12. Both evaporation devices 14 additionally have a drip element 42 above (ie downstream) of the heating element 18, which is a metal foam or a Wire mesh acts. The drip element 42 ensures that no liquid drops from the evaporation device 14 get into the main line 12. The drip element 42 may be a continuous plate extending over the entire cross-sectional area of the evaporator 14 (FIG. 3), or it may consist of a plurality of individual and tilted parts, as shown in FIG.
Figur 5 schließlich zeigt eine letzte Ausführungsform der Erfindung, die wiederum der Ausführungsform gemäß Figur 2 sehr ähnlich ist, wobei hier das Heizelement 18 über seine Länge in drei unterschiedliche Heizzonen 44, 46, 48 unterteilt ist. Die Zone 48 mit der größten Energiedichte ist unten angeordnet, die Zone 44 mit der geringsten Energiedichte oben. Auf diese Weise ist es möglich, im Bereich der Flüssigkeit mehr Wärme zu Verfügung zu stellen als im Bereich des Dampfes, da dieser ohnehin weniger Wärme aufnehmen kann. Die elektrischen Anschlüsse des Heizelements 18 (bzw. des Gehäuses 16) sind mit 50 bezeichnet.Finally, FIG. 5 shows a final embodiment of the invention, which in turn is very similar to the embodiment according to FIG. 2, the heating element 18 being divided over its length into three different heating zones 44, 46, 48. The highest energy density zone 48 is located at the bottom, the lowest energy density zone 44 at the top. In this way it is possible to provide more heat in the area of the liquid than in the area of the vapor, since it can absorb less heat anyway. The electrical connections of the heating element 18 (or of the housing 16) are designated by 50.
Figur 6 veranschaulicht die Wärmeübertragung beim Sieden der Flüssigkeit. Hierzu ist die Wärmeübergangszahl α über der Temperaturdifferenz Δt zwischen Wand und Medium (also Flüssigkeit, Schaum oder Dampf) aufgetragen, wobei für die übertragene Wärmemenge Q gilt:Figure 6 illustrates the heat transfer during boiling of the liquid. For this purpose, the heat transfer coefficient α is plotted against the temperature difference .DELTA.t between the wall and the medium (ie liquid, foam or steam), wherein the following applies to the transferred heat quantity Q:
Q = α * a * Δt,Q = α * a * Δt,
mit a: wirksame Fläche für die Wärmeübertragung.with a: effective area for heat transfer.
Im Bereich von A nach B wird Wärme auf die (noch unverdampfte) Flüssigkeit übertragen, wobei erste Blasen entstehen können; der Bereich B bis C markiert die Wärmeübertragung des Blasensiedens, die zehn bis zwanzig mal größer ist als im Bereich A-B. Im Bereich C kommt es zur Dampfüberhitzung. Je nach zugeführter Flüssigkeitsmenge verschieben sich diese Zonen entlang der Höhe des Heizelements 18. Blasen und Flüssigkeit können bis an die Spitze mitgerissen werden. Ziel ist es, Blasensieden über einen großen Bereich des Heizelements zu haben. Der Abschnitt C bis D stellt eine Phase dar, in der sich die Blasen zu einem Film zusammenschließen und einen Dampffilm auf der Oberfläche des Heizelements bilden. Ist dies der Fall, kann nur wenig Flüssigkeit verdampft werden. Das Diagramm verdeutlich noch einmal, wie wichtig es für die Verdampfung der Flüssigkeit ist, im Bereich des Blasensiedens zu bleiben.In the area from A to B heat is transferred to the (still unvaporised) liquid, whereby first bubbles can arise; the area B to C marks the heat transfer of the bubbling, which is ten to twenty times larger than in the area AB. In area C there is steam overheating. Depending on the amount of liquid supplied, these zones shift along the height of the heating element 18. Bubbles and liquid can be entrained up to the top. The aim is to have nucleate boiling over a large area of the heating element. The section C to D represents a phase in which the bubbles combine to form a film and form a vapor film on the surface of the heating element. If this is the case, there may be little liquid be evaporated. The diagram illustrates once again how important it is for the evaporation of the liquid to remain in the area of bubble boiling.
Bei der Ausgestaltung gemäß Figur 1 wird durch die Umhüllung 28 aus porösem Material die für die Wärmeübertragung wirksame Oberfläche a sowie der Wärmeübergangskoeffizient α vergrößert, wodurch sich die übertragene Wärmemenge Q erhöht.In the embodiment according to FIG. 1, the surface 28 which is effective for heat transfer and the heat transfer coefficient α is increased by the covering 28 made of porous material, which increases the amount of heat Q transferred.
Die Ausführungsformen gemäß den Figuren 2 bis 4 weisen durch die sich bildende Umlaufströmung und die Phasentrennung ebenfalls einen gegenüber dem Stand der Technik erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten α auf, wodurch ebenfalls mehr Wärme übertragen wird.The embodiments according to FIGS. 2 to 4 also have a heat transfer coefficient α which is higher than that of the prior art due to the circulating flow that forms and the phase separation, as a result of which more heat is also transferred.
Die erfindungsgemäße Baugruppe 10 kann, wie in Figur 7 gezeigt ist, Teil einer Abgasanlage 52 für eine Verbrennungskraftmaschine 54 sein, wobei die Hauptleitung 12 dann eine Abgasleitung darstellt. Die Abgasanlage 52 weist eine Abgasreinigungsvorrichtung 56 in Form eines Partikelfilters mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator oder eines NOx-Speicherkatalysators auf. Die Verdampfungsvorrichtung 14 ist bezüglich des in der Hauptleitung 12 geführten Abgasstroms stromaufwärts der Abgasreinigungsvorrichtung 56 angeordnet, um diese in periodischen Abständen zu regenerieren.The assembly 10 according to the invention, as shown in Figure 7, be part of an exhaust system 52 for an internal combustion engine 54, wherein the main line 12 then represents an exhaust pipe. The exhaust system 52 has an exhaust gas purification device 56 in the form of a particulate filter with upstream oxidation catalyst or a NO x storage catalytic converter. The vaporizing device 14 is disposed upstream of the exhaust gas purifying device 56 with respect to the exhaust gas flow in the main pipe 12 to regenerate the same at periodic intervals.
Alternativ kann es sich bei der Hauptleitung 12 um eine Zuführleitung einer Reformierungseinrichtung 58 zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases handeln, wobei die Verdampfungsvorrichtung 14 einem Katalysator 60 vorgeschaltet ist, der aus einem Kraftstoff-Luft-Gemisch ein wasserstoffhaltigesAlternatively, the main line 12 may be a supply line of a reformer 58 for producing a hydrogen-containing gas, wherein the evaporator 14 is preceded by a catalyst 60, which is a hydrogen-containing from a fuel-air mixture
Gas erzeugt (siehe Figur 8). Gas generated (see Figure 8).

Claims

Patentansprüche claims
1. Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit und zum Einleiten eines aus der oxidierbaren Flüssigkeit erzeugten Dampfes in einen Gasstrom, der insbesondere stromauf- oder stromabwärts eines Verbrauchers liegt, insbesondere für eine Abgasanlage (52) einer Verbrennungskraftmaschine (54) oder eine Reformierungseinrichtung (58) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, mit einem in einem Gehäuse (16) angeordneten Heizelement (18), wobei das Gehäuse (16) einen Einlaß (20) für die Flüssigkeit, wenigstens einen Verdampfungsraum (21) und einen Auslaß (22) für den Dampf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (18) zumindest abschnittsweise von einer Umhüllung (28) umgeben ist, die zwischen demAn evaporation device for vaporizing an oxidizable liquid and for introducing a vapor generated from the oxidizable liquid into a gas stream which lies in particular upstream or downstream of a consumer, in particular for an exhaust system (52) of an internal combustion engine (54) or a reforming device (58). for producing a hydrogen-containing gas, comprising a heating element (18) arranged in a housing (16), the housing (16) having a liquid inlet (20), at least one evaporation space (21) and an outlet (22) for the steam characterized in that the heating element (18) is at least partially surrounded by a sheath (28) between the
Heizelement (18) und einer Wand (30) des Gehäuses (16) angeordnet ist, wobei vom Heizelement (18) aus gesehen seitlich außerhalb der Umhüllung (28) die oxidierbare Flüssigkeit vorgesehen ist.Heating element (18) and a wall (30) of the housing (16) is arranged, wherein seen from the heating element (18) laterally outside the enclosure (28) the oxidizable liquid is provided.
2. Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (18) eine Glühkerze ist.2. evaporation device according to claim 1, characterized in that the heating element (18) is a glow plug.
3. Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- zeichnet, daß die Umhüllung (28) zumindest abschnittsweise flüssigkeitsdurchlässig ist.3. evaporation device according to claim 1 or 2, characterized in that the envelope (28) is at least partially liquid-permeable.
4. Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (28) unmittelbar am Heizelement (18) anliegt.4. evaporation device according to claim 3, characterized in that the sheath (28) directly on the heating element (18).
5. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (28) mit Abstand sowohl vom5. evaporation device according to one of the preceding claims, characterized in that the sheath (28) at a distance from both
Heizelement (18) als auch von der Wand (30) des Gehäuses (16) angeordnet ist.Heating element (18) and from the wall (30) of the housing (16) is arranged.
6. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der oxidierbaren Flüssigkeit um Kraftstoff, insbesondere Dieselkraftstoff, handelt. 6. Vaporizing device according to one of the preceding claims, characterized in that it is the fuel in the oxidizable liquid, in particular diesel fuel is.
7. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (28) ein poröses Material, insbesondere ein Metallschaum ist.7. evaporation device according to one of the preceding claims, characterized in that the sheath (28) is a porous material, in particular a metal foam.
8. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung (28) ein Drahtgeflecht ist.8. evaporation device according to one of the preceding claims, characterized in that the sheath (28) is a wire mesh.
9. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (16) ein längliches Rohr ist, in dem das ebenfalls längliche Heizelement (18) stehend angeordnet ist.9. evaporation device according to one of the preceding claims, characterized in that the housing (16) is an elongated tube in which the likewise elongate heating element (18) is arranged vertically.
10. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfungsraum (21) einen oberhalb des10. Vaporizing device according to one of the preceding claims, characterized in that the evaporation chamber (21) one above the
Heizelements (18) angeordneten Dampfsammeiabschnitt (38) aufweist.Heating element (18) arranged Dampfsammeiabschnitt (38).
11. Verdampfungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (22) im Bereich des Dampfsammeiabschnitts (38) angeordnet ist.11. Vaporizing device according to claim 10, characterized in that the outlet (22) in the region of the Dampfsammeiabschnitts (38) is arranged.
12. Verdampfungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (18) über seine Länge in mehrere12. Vaporizing device according to one of the preceding claims, characterized in that the heating element (18) over its length in several
Heizzonen (44, 46, 48) unterteilt ist, wobei die Zone (48) mit der größten Energiedichte unten angeordnet ist.Heating zones (44, 46, 48) is divided, wherein the zone (48) is arranged with the greatest energy density at the bottom.
13. Verdampfungsvorrichtung, vorzugsweise nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit und zum Einleiten eines aus der oxidierbaren Flüssigkeit erzeugten Dampfes in einen Gasstrom, der insbesondere stromauf- oder stromabwärts eines Verbrauchers liegt, insbesondere für eine Abgasanlage (52) einer Verbrennungskraftmaschine (54) oder eine Reformierungseinrichtung (58) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases, mit einem in einem Gehäuse (16) angeordneten Heizelement (18), wobei das Gehäuse (16) einen Einlaß (20) für die Flüssigkeit, wenigstens einen Verdampfungsraum (21) und einen Auslaß (22) für den Dampf aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts des Heizelements (18) ein Tropfenfängerelement (42), insbesondere in Form eines Metallschaums oder Drahtgeflechts, vorgesehen ist. 13. vaporizing device, preferably according to one of the preceding claims, for vaporizing an oxidizable liquid and for introducing a vapor generated from the oxidizable liquid into a gas stream, in particular upstream or downstream of a consumer, in particular for an exhaust system (52) of an internal combustion engine ( 54) or a reforming device (58) for generating a hydrogen-containing gas, with a in a housing (16) arranged heating element (18), wherein the housing (16) has an inlet (20) for the liquid, at least one evaporation chamber (21) and an outlet (22) for the steam, characterized in that downstream of the heating element (18) a drip element (42), in particular in the form of a metal foam or wire mesh, is provided.
14. Baugruppe mit einer Hauptleitung (12), in der ein Gasstrom geführt ist, sowie wenigstens einer Verdampfungsvorrichtung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.14 assembly with a main line (12) in which a gas stream is guided, and at least one evaporation device (14) according to one of the preceding claims.
15. Baugruppe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abschnitt (24) des Gehäuses (16) der Verdampfungsvorrichtung (14), an dem der15. An assembly according to claim 14, characterized in that a portion (24) of the housing (16) of the evaporation device (14) on which the
Auslaß (22) angeordnet ist, in die Hauptleitung (12) hineinragt.Outlet (22) is arranged, projects into the main line (12).
16. Baugruppe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Hauptleitung (12) ragende Abschnitt (24) einen Großteil des Gehäuses (16) bildet.16. An assembly according to claim 15, characterized in that in the main line (12) projecting portion (24) forms a major part of the housing (16).
17. Baugruppe nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Hauptleitung (12) ragende Abschnitt (24) mehrere angeformte Rippen (26) aufweist.17. An assembly according to claim 15 or 16, characterized in that in the main line (12) projecting portion (24) has a plurality of molded-in ribs (26).
18. Baugruppe nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptleitung (12) eine Abgasleitung in einer Abgasanlage (52) für eine Verbrennungskraftmaschine (54) ist.18. An assembly according to any one of claims 14 to 17, characterized in that the main line (12) is an exhaust pipe in an exhaust system (52) for an internal combustion engine (54).
19. Baugruppe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungsvorrichtung (14) stromaufwärts einer Abgasreinigungsvorrichtung (56), insbesondere eines Partikelfilters mit vorgeschaltetem Oxidationskatalysator oder eines NGySpeicherkatalysators, angeordnet ist.19. An assembly according to claim 18, characterized in that the evaporation device (14) upstream of an exhaust gas purification device (56), in particular a particulate filter with upstream oxidation catalyst or a NGySpeicher catalytic converter is arranged.
20. Baugruppe nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptleitung (12) eine Zuführleitung einer Reformierungs- einrichtung (58) zur Erzeugung eines wasserstoffhaltigen Gases ist.20. An assembly according to any one of claims 14 to 17, characterized in that the main line (12) is a supply line of a reforming device (58) for generating a hydrogen-containing gas.
21. Verfahren zum Verdampfen einer oxidierbaren Flüssigkeit mittels einer21. A method for vaporizing an oxidizable liquid by means of a
Verdampfungsvorrichtung (14) mit einem in einem Verdampfungsraum (21) angeordneten Heizelement (18), das zumindest abschnittsweise von einerEvaporating device (14) having a heating element (18) arranged in an evaporation space (21), which is at least partially separated from a heating element (18)
Umhüllung (28) umgeben ist, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Schritte:Enclosure (28) is surrounded, in particular according to one of claims 1 to 13, characterized by the following steps:
Einleiten der Flüssigkeit in den Verdampfungsraum (21), Erhitzen der Flüssigkeit mittels des Heizelements (18), - Bilden von Blasen im Bereich des Heizelements (18), Aufsteigen der Blasen unter Mitführung von Flüssigkeit zur Spitze des Heizelements (18),Introducing the liquid into the evaporation space (21), heating the liquid by means of the heating element (18), - forming bubbles in the region of the heating element (18), Rising of the bubbles while carrying liquid to the top of the heating element (18),
Bilden eines Schaums, der die Spitze des Heizelements (18) wenigstens nahezu vollständig bedeckt, - Trennen des Schaums in einen Dampfanteil und einen Flüssigkeitsanteil,Forming a foam which at least substantially completely covers the tip of the heating element (18), separating the foam into a vapor portion and a liquid portion,
Rückführen des Flüssigkeitsanteils in einen Bereich des Heizelements (18), der von Flüssigkeit umgeben ist, undReturning the liquid portion in a region of the heating element (18), which is surrounded by liquid, and
Auslassen des Dampfanteils aus dem Verdampfungsraum (21).Omitting the vapor portion from the evaporation space (21).
22. Verfahren nach Anspruch 21 , wobei der Verdampfungsraum (21) einen stromabwärts des Heizelements (18) angeordneten Auslaß (22) aufweist, gekennzeichnet durch den Schritt:A method according to claim 21, wherein the evaporation space (21) comprises an outlet (22) located downstream of the heating element (18), characterized by the step:
Einleiten von Flüssigkeit in den Verdampfungsraum (21), ohne daß diese bis zum Auslaß (22) gelangt. Introducing liquid into the evaporation chamber (21) without this until the outlet (22) passes.
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