DE10024915C2 - Destillation mittels einer thermoelektrischen Wärmepumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer thermoelektrischen Wärmepumpe zur Destillation einer Flüssigkeit und eine Vorrichtung, die mittels einer thermoelektri­ schen Wärmepumpe arbeitet.

In der deutschen Auslegeschrift 11 94 372 (entsprechend GB 855,458) ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Destillation von Flüssigkeiten unter Nutzung einer Wärmepumpe beschrieben. Die Wärmepumpe besteht dabei aus einem Peltierele­ ment, das auf der kalten Seite mit dem Kondensationsraum des Destillationsappara­ tes verbunden ist.

Das Peltierelement hat die Aufgabe, die Kondensationswärme aus dem Kondensati­ onsraum abzuführen und auf der warmen Seite für die Verdampfung der Flüssigkeit zur Verfügung zu stellen. Das Peltierelement wird dabei mit elektrischem Strom betrieben. Durch den Wärmepumpeneffekt werden sowohl die Kondensationswärme als auch zusätzlich das Wärmeäquivalent der eingebrachten, elektrischen Leistung für die Verdampfung genutzt.

Bei der Nutzung von Peltierelementen ist zur Erzielung eines optimalen Wirkungs­ grades darauf zu achten, dass der Temperaturunterschied zwischen der warmen und der kalten Seite möglichst gering gehalten wird. Weiterhin ist auf der warmen Seite darauf zu achten, dass durch Wärmeabfuhr die Temperatur auf einem konstanten Niveau gehalten wird, um einen stabilen Betrieb des Peltierelementes sicherzustellen und die gewünschte Temperatur auf der kalten Seite zur Kondensation einzuhalten.

Ein weiterer Vorteil von Peltier-Wärmepumpen ist das schnelle Anspringverhalten des Prozesses. Das Verfahren arbeitet unmittelbar nach Aktivierung des Peltierelementes.

Beim Stand der Technik wird eine diskontinuierliche Destillation durchgeführt. Dabei wird der Verdampfungsraum mit Salzwasser befüllt. Nach Inbetriebnahme werden Flüssigkeitskomponenten mit dem entsprechenden Dampfdruck aufgrund der Tempe­ ratur- bzw. Dampfdruckunterschiede zwischen dem Verdampferraum und der Kondensatorfläche verdampft. Dabei ändert sich ohne Flüssigkeitsaustausch die Zusammensetzung der Vorlage im Verdampferraum.

Weiterhin ist aus der Druckschrift EP 0 709 566 eine Brennstoffeinspritzvorrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt. Die Einspritzvorrichtung umfaßt ein Einspritzventil, welches den Brennstoff in Form eines Brennstoffstrahls in Richtung das Einlaßventils der Brennkraftmaschine abspritzt und dieser zumindest teilweise auf ein Peltierele­ ment auftrifft. Das Peltierelement ist zur Beheizung des Brennstoffstrahls mit seiner heizbaren Oberfläche bündig zur Innenwandung des Einlaßventils im Zylinderkopf untergebracht.

Aufgabe der Erfindung ist es, den Kraftstoff für einen Verbrennungsmotor so aufzube­ reiten, dass die Kaltstartfähigkiet verbessert wird und der Schadstoffausstoß auch während der Kaltstartphase im zulässigen Bereich bleibt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Die Un­ teransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Abgasmessungen haben ergeben, dass in der Kaltstartphase eines Motors derzeit der Schadstoffausstoß in Form von Kohlenwasserstoffen unzulässig hoch ist und die Grenzwerte für den vorgesehenen Testzyklus (EURO 4) überschritten werden. Dies ist auf eine unvollständige Verbrennung des zugeführten Kraftstoffes in diesem Be­ triebszustand zurückzuführen. Eine Abhilfemaßnahme für die Kaltstartphase ist die erfindungsgemäße, gezielte Zuführung von Kraftstoffanteilen, die der leichtsiedenden Fraktion zuzuordnen sind (C₄, C₅, C₆, Siedepunkt bis 70°C).

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Destilationsvorrichtung in Schnittdarstellung;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel von Fig. 1 mit getrennter Anordnung von Verdampfer und Kondensator und

Fig. 3 eine Detailansicht von Fig. 1.

Beim Gegenstand von Fig. 1 wird der Verdampferraum von zwei Wärmetauschern 1 begrenzt, die auf der warmen Seite eines Peltierelementes 2 angebracht sind und die Temperatur dort auf dem vorgegebenen Wert halten, indem sie überschüssige Wärmeenergie durch aktive Kühlung abführen. Zur Kühlung können je nach den vorliegenden Randbedingungen Luft, Wasser oder Kraftstoff verwendet werden. Die Durchflussmenge wird mittels eines Thermostats auf die gewünschte Temperatur geregelt.

Der aufzutrennende Kraftstoff wird durch den Eingang 3 in eine poröse Struktur 4 eingeleitet, die den Dampfraum umschließt. Die poröse Struktur steht in unmittelba­ rem Kontakt mit den Wärmetauschern 1 und wird von diesen erwärmt. Mit dieser Struktur wird die wirksame Verdampferfläche deutlich vergrößert.

In Kontakt mit den Heizflächen als Wärmetauscher 1 wird die Lösung in einer porösen Struktur 4 im Durchlauf überhitzt. Die leichtsiedenden Anteile verdampfen in dem Verdampferraum 5 und werden somit aus der zugegebenen Lösung abgetrennt. Dieser Raum kann nach oben gegen den Kondensationsraum 6 mit einer porösen Struktur (Membran) 13 abgegrenzt werden. Der Dampf kann durch die Porenstruktur in den Kondensationsraum 6 entweichen, mitgerissene Flüssigkeitströpfchen dage­ gen nicht.

Die an leichtersiedenden Anteilen verarmte Flüssigkeit wird über den Ablauf 7 aus dem Verdampferbereich entfernt.

Der Dampf gelangt in den Kondensationsraum 6 und wird an den auf der kalten Seite des Peltierelementes angeordneten, gekühlten Platten 8 kondensiert. Das Kondensat läuft nach unten über den Bodenauslass 9 ab. Zur Unterstützung kann eine Pumpe 12 verwendet werden. Diese Pumpe fördert das Kondensat in einen Pufferbehälter 15, aus dem es bei Bedarf seiner Verwendung zugeführt wird.

Zwischen den Peltierelementen 2 und Wärmetauscher 1 und dem Kondensations­ raum, ebenso zur Wärmedämmung der Behälteraussenwand, werden zur Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades wärmeisolierende Materialien 14 verwendet (Fig. 3).

Die gekühlten Platten 8 des Kondensationsraumes 6, das aus einer Reihe von Thermoelementen bestehende Peltierelement 2 und die Heizplatten 1 bilden die Peltier-Wärmepumpe, die aus einer Gleichstromquelle mit elektrischer Energie versorgt wird.

Die Wärmepumpe zieht auf der Kondensatorseite Wärmeenergie (Kondensa­ tionsenthalpie der Dampfkomponenten) ab und gibt sie an der Verdampferseite um einen Betrag erhöht ab, der dem Wärmeäquivalent der verbrauchten, elektrischen Energie entspricht. Der dabei produzierte Wärmeüberschuss wird über die Wärme­ tauscher 1 und das Kühlmedium 10 aus der Vorrichtung ausgetragen. Mit Hilfe dieses Kühlmediums lässt sich die Verdampfertemperatur einstellen, und die Vorrichtung kann unter konstanten Bedingungen arbeiten. Eine Überlastung der Peltierelemente kann somit vermieden werden. Wird Kraftstoff als Kühlmedium verwendet, so muss darauf geachtet werden, dass eine Rückkühlung erfolgt, bevor der Kraftstoff in den Tank zurückgeleitet wird.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel. Dabei sind Verdampfer und Konden­ sator räumlich getrennt. Die Peltierelemente sind dabei im Kondensator angeordnet. Die zur Verdampfung erforderliche Wärme wird über einen Wärmetauscher auf der warmen Seite des Peltierelementes an ein Wärmeträgermedium abgegeben und dem räumlich abgetrennten Verdampfer zugeführt.

Laborversuche mit einem Laboraufbau zur Abtrennung von Leichtsiedern aus Kraftstoff führten zu folgenden Ergebnissen:

Elektrische Leistung des Peltierelementes: 84 W
Temperatur am Austritt des Erhitzers: 68°-73°C
Volumenstrom Kraftstoff: 7.5 L/h
Volumenstrom Kondensat: 0.2 L/h
Kühlleistung: 17 W
Temperaturdifferenz Peltierelement: 35°C
Trennwirkungsgrad: 14%

Claims (8)

1. Verwendung einer aus Peltier-Elementen bestehenden, thermoelektrischen Wärmepumpe zur einstufigen oder mehrstufigen, destillativen Fraktionierung von Kraftstoff für den Betrieb eines Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase.

2. Destillationsvorrichtung nach Anspruch 1 mittels einer an sich bekannten, thermo­ elektrischen Wärmepumpe, die hohlzylindrisch gestaltet ist und sich innerhalb eines Gehäuses befindet und deren Hohlzylinder aus Peltier-Elementen besteht, wobei die heissen Thermostellen an der Innenwand des Hohlzylinders den Ver­ dampferraum bilden und die kalten Thermostellen an der Aussenwand des Hohl­ zylinders zusammen mit der Innenwand des Gehäuses den Kondensationsraum bilden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Kraftstoffzuleitung, von der Gehäuseoberseite kommend, den Verdampferraum mit Kraftstoff beauf­ schlagt, dass mindestens ein Ablauf für Leichtsieder-Kondensat im Gehäusebo­ den des Kondensationsraums und ein Ablauf für Schwersieder-Flüssigkeit im Gehäuseboden des Verdampferraums vorhanden sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Kühlmittelkreislauf, der die als Platten ausgebildeten, heissen Thermostellen auf eine konstante Temperatur herabkühlt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, gekennzeichnet durch poröses Strukturmaterial im Bereich der heissen Thermostellen.

5. Vorrichtung nach Ansprüchen 2 oder 3, gekennzeichnet durch Mikrostruktur­ material im Bereich der heißen und kalten Thermostellen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wand aus porösem Strukturmaterial zwischen Verdampferraum und Kon­ densationsraum angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2-4, gekennzeichnet durch wärme­ isolierendes Material zwischen Verdampferraum und Kondensationsraum.

8. Vorrichtung zur Destillation von Kraftstoff mittels einer thermoelektrischen Wärmepumpe nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen separaten Ver­ dampferraum, der mittels Wärmetauscher von den heissen Thermostellen der Wärmepumpe betrieben wird, einer Zuleitung für Kraftstoff in den Verdampfer­ raum, einer Ableitung für Schwersieder aus dem Verdampferraum und einer Ab­ leitung für den Leichtsieder-Dampf aus dem Verdampferraum zu einem Konden­ sationsraum, der sich im Bereich der kalten Thermostellen befindet und eine Ab­ leitung für das Leichtsieder-Kondensat aus dem Kondensationsraum aufweist.