DE102004022302A1

DE102004022302A1 - Verdampferelement für flüssige Brennstoffe

Info

Publication number: DE102004022302A1
Application number: DE200410022302
Authority: DE
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 2004-05-04
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2005-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verdampferelement (10) für flüssige Brennstoffe mit einem scheibenförmigen Zentralabschnitt (14), der einen von dem flüssigen Brennstoff durchströmten Kanal (12a) und mindestens eine Wärmeaufnahmefläche (14a) aufweist, und mit einer Heizvorrichtung (20), die die mindestens eine Wärmeaufnahmefläche (14a) beheizt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der mindestens einen Wärmeaufnahmefläche (14a) und der Heizvorrichtung (20) ein Wärmeausgleichselement (28) angeordnet ist und das Wärmeausgleichselement (28) und die Heizvorrichtung (20) im Wesentlichen über die gesamte mindestens eine Wärmeaufnahmefläche (14a) hinweg angeordnet sind, so dass die mindestens eine Wärmeaufnahmefläche (14a) gleichmäßig mit Wärme beaufschlagt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdampferelement für flüssige Brennstoffe mit einem scheibenförmigen Zentralabschnitt, der einen von dem flüssigen Brennstoff durchströmten Kanal aufweist und der mindestens eine Wärmeaufnahmefläche bildet, und mit einer Heizvorrichtung, die die mindestens eine Wärmeaufnahmefläche beheizt.
Verdampferelemente der genannten Art werden für die rasche Bereitstellung eines geeigneten Brennstoff-Luft-Gemischs für die Verbrennung in einem Brenner für Fahrzeugheizgeräte bzw. für die Reformierung in einer APU (=Auxiliary Power Unit) benötigt.

Die rückstandslose Verdampfung von flüssigen Brennstoffen, wie zum Beispiel Benzin- oder Dieselkraftstoff im Grammbereich, führt bisher noch zu technischen Problemen, die nicht zufriedenstellend gelöst sind. Verdampferelemente für flüssige Brennstoffe nach dem Stand der Technik werden vorzugsweise dadurch beheizt, dass ein elektrischer Strom über die Wand des Verdampfers geführt wird. Längs des Verdampferelements entsteht ein mit zunehmender Strömungslänge ansteigendes Temperaturprofil. Auch wenn durch eine Regelung der Gesamtwiderstand des Verdampferelements konstant gehalten wird, kann es aufgrund des in der bestromten Wand bestehenden Temperaturprofils zur Ausbildung lokaler Temperaturspitzen kommen, da die Wärmefreisetzung gerade dort besonders hoch ist, wo die Temperatur bereits hoch ist. Lokale Temperaturspitzen beim Verdampfungsprozess sind jedoch unbedingt zu vermeiden, da in solchen Zonen hoher Temperatur insbesondere bei längeren Einwirkzeiten eine Polymerisation und Verklumpung der Brennstoff-Makromoleküle auftreten kann. Solche Verklumpun gen neigen sehr rasch zur Bildung von unlöslichen Ablagerungen. Durch diese Ablagerungen kann eine Wärmeisolation bewirkt werden, die eine weitere Erhöhung des Temperaturprofils zur Folge hat. Dies führt zu einer Verstärkung der Ablagerungstendenz, was zu einer Verstopfung der Strömungskanäle führen kann.

Aus der EP 0 905 447 A2 ist eine Vorrichtung zur Verdampfung von flüssigen Brennstoffen bekannt, mit einem Rohr, durch das der Brennstoff hindurchgeleitet wird und dessen Wandung elektrisch beheizbar ist, um dem Brennstoff die Verdampfungswärme zuzuführen, wobei das Rohr ein Kapillarrohr ist, dessen Innendurchmesser 0,3 bis 2,0 mm beträgt und dessen Länge das 500- bis 3000-fache des Innendurchmessers beträgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verdampferelement für flüssige Brennstoffe zur Verfügung zu stellen, das eine ablagerungsarme Verdampfung oder Teilverdampfung des Kraftstoffs ermöglicht, und wobei die für das Verklumpen der Kraftstoffkomponenten erforderlichen Temperaturen und Verweilzeiten nicht erreicht werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein plattenförmiges Verdampferelement bereitzustellen, das in einem Zentralabschnitt Kanäle aufweist, die von flüssigem Brennstoff durchströmt werden, und diesen Zentralabschnitt mittels eines flächigen Heizelements und eines flächigen Wärmeausgleichselements gleichmäßig so mit Wärme zu beaufschlagen, dass der Kraftstoff in den Kanälen überall im Verdampferelement im Wesentlichen die gleiche Temperatur erreicht. Durch die scheibenförmige Ausgestaltung des Verdampferelements wird eine große spezifische Oberfläche der Wärmeaufnahmefläche für die Beheizung bei gleichzeitiger sehr kleiner und kompakter Baugröße des Verdampferelements realisiert. Damit wird eine hohe Aufheizgeschwindigkeit und eine lange Lebensdauer des Verdampferelements erreicht. Da das Wärmeausgleichselement zu einer Minimierung des thermischen Widerstands zwischen der Heizvorrichtung und der Wärmeaufnahmefläche führt und die Heizvorrichtung flächig ausgedehnt im Wesentlichen über die ganze Wärmeaufnahmefläche hinweg angeordnet ist, wird dadurch praktisch eine isotherme Heizung und ein nur schwach ausgeprägtes Temperaturprofil des Brennstoffs innerhalb des Strömungskanals erreicht. Damit wird die Verweilzeit des Brennstoffs im Strömungskanal minimiert und die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Ablagerungen deutlich vermindert, da die Temperatur der Wandungen des Kanals unterhalb eines kritischen, vom Brennstofftyp abhängigen Werts zwischen ca. 250°C und 350°C bleiben kann und so lokale Temperaturspitzen sicher und dauerhaft vermieden werden.

Besonders vorteilhaft ist, wenn der scheibenförmige Zentralabschnitt aus einem Rohr mit einer Kapillare gebildet ist und die Kapillare den von dem flüssigen Brennstoff durchströmten Kanal bildet. Der Zentralabschnitt lässt sich in diesem Fall in einfacher Weise aus einem Rohr formen und die Kapillare erlaubt den Durchsatz kleiner und kleinster Mengen von flüssigem Brennstoff im Bereich bis zu 1500 g/h. Dies eignet sich insbesondere für den Einsatz in Heizvorrichtungen mit kleinen Wärmeleistungen unter 10 kW, wie sie insbesondere im Pkw gewünscht sind.

Ein besonders einfacher Aufbau des Zentralabschnitts wird erreicht, wenn das Rohr im Wesentlichen spiralförmig aufgerollt ist, um so den scheibenförmigen Zentralabschnitt zu bilden.

Das Rohr kann vorzugsweise abschnittsweise lineare, miteinander verbundene Rohrabschnitte umfassen, so dass der scheibenförmige Zentralabschnitt rechteckförmig oder quadratisch ausgebildet ist.

Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben.

In diesen zeigen:

1 eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Verdampferelements, und

2 eine schematische Aufsicht auf das Verdampferelement gemäß 1.

1 und 2 zeigen ein Verdampferelement 10 mit einem spiralförmig ausgeführten Rohr 12, das den scheibenförmigen Zentralabschnitt 14 bildet. Das Rohr 12 weist über seine gesamte Länge einen Kanal 12a auf, durch den der Brennstoff geleitet wird. Die Brennstoffzufuhr in das Verdampferelement erfolgt über den Brennstoffeintritt 16, der Austritt des verdampften Brennstoffs durch den Brennstoffaustritt 18. In der hier gezeigten Ausführungsform ist das Rohr 12 aus abschnittsweise linearen, miteinander verbundenen Rohrabschnitten 13 aufgebaut. Es sind jedoch auch andere spiralförmige Ausführungsformen des Rohrs 12 einsetzbar.
Das Verdampferelement 10 umfasst weiter eine -flächige Heizvorrichtung 20 mit Anschlüssen 22 zur Zuführung des elektrischen Stroms. Die Heizvorrichtung 20 ist in der hier dargestellten Ausführungsform aus einem Heizdrahtelement 24 mit zwei Heizdrahtabschnitten 24a, 24b aufgebaut, wobei die Heizdrahtabschnitte 24a, 24b im Wesentlichen parallel verlaufen und in einem distalen Verbindungsabschnitt 26 elektrisch miteinander verbunden sind. Die beiden parallelen Heizdrahtabschnitte 24a, 24b sind zusammen spiralförmig angeordnet, wobei die Enden der Heizdrahtabschnitte 24a, 24b und der distale Verbindungsabschnitt 26 in etwa im Bereich oberhalb des Brennstoffaustritts 18 liegen. Die beiden parallelen Heizdrahtabschnitte 24a, 24b sind dabei so angeordnet, dass sie das Rohr 12, das von flüssigem Brennstoff durchströmt wird, mehrmals queren.
Oberhalb und unterhalb des scheibenförmigen Zentralabschnitts 14 mit dem Rohr 12 ist ein Wärmeausgleichselement 28 angeordnet. Das Wärmeausgleichselement 28 besteht aus einem zwischen der Heizvorrichtung 20 und dem scheibenförmigen Zentralabschnitt 14 angeordneten Abschnitt 28a und einem Gegenabschnitt 28b, wobei die Abschnitte 28a und 28b durch einen Verbindungsabschnitt 28c wärmeleitend miteinander verbunden sind. Durch diese Ausführung des Wärmeausgleichselements 28 wird die Energie aus der Heizvorrichtung 20 sowohl über die erste Wärmeaufnahmefläche 14a des scheibenförmigen Zentralabschnitts von oben an den im Kanal 12a des Rohrs 12 strömenden Brennstoff abgegeben und gleichzeitig durch die sehr gute Wärmeleitung über die zweite Wärmeaufnahmefläche 14b von unten an das Rohr 12 weitergeleitet. Es wird so eine nahezu isotherme Aufheizung des gesamten scheibenförmigen Zentralabschnitts 14 und damit des Rohrs 12 erreicht.
Das Verdampferelement 10 weist weiter einen Wärmedämmungsabschnitt 30 auf, der, mit Ausnahme des Brennstoffeintritts 16 und des Brennstoffaustritts 18, den scheibenförmigen Zentralabschnitt 14, die Heizvorrichtung 20 und das Wärmeausgleichselement 28 vollständig umschließt. Es wird so eine ausgezeichnete Wärmedämmung des Verdampferelements 10 erreicht und die Isothermie des scheibenförmigen Zentralabschnitts 14 mit dem Rohr 12 weiter verbessert.
Das Heizdrahtelement 24 wird vorzugsweise aus einem Heizelementwerkstoff gefertigt, das einen mäßigen Widerstand-Temperatur-Koeffizienten aufweist, damit einerseits der Gesamtwiderstand des Heizdrahtelements 24 bestimmt werden kann, um einen Überhitzungsschutz für das Verdampferelement 10 zu realisieren, der andererseits aber klein genug ist, um ein Temperaturprofil zu minimieren. Die bereits oben beschriebene Führung der parallelen Heizdrahtabschnitte 24a, 24b quer zur Längsrichtung des Rohrs 12 vermindert zudem den Aufbau eines ausgeprägten Temperaturprofils. Darüber hinaus ist die Heizvorrichtung 20 über das Wärmeausgleichselement 28 thermisch sehr gut an den scheibenförmigen Zentralabschnitt mit dem Rohr 12 angekoppelt.
Neben der hier vorgestellten Beheizung des Rohrs 12 mit einer flächigen Heizvorrichtung 20 kann die Wärmezufuhr auch durch eine direkte Bestromung der Außenwand des Rohrs 12 erfolgen. In dieser Ausführungsform muss der Wärmeausgleich, den ansonsten das Wärmeausgleichselement 28 übernimmt, durch eine entsprechend große Stärke der Wand des Rohrs 12 erfolgen. Weiter ist in diesem Fall eine thermische Kopplung unterschiedlicher Rohrabschnitte vorteilhaft.

10: Verdampferelement
12: Rohr
12a: Kanal
13: Rohrabschnitte
14: scheibenförmiger Zentralabschnitt
14a, 14b: erste und zweite Wärmeaufnahmefläche
16: Brennstoffeintritt
18: Brennstoffaustritt
20: Heizvorrichtung
22: elektrische Anschlüsse
24: Heizdrahtelement
26: distaler Verbindungsabschnitt
28: Wärmeausgleichselement
28a, 28b,
28c: Abschnitte des Wärmeausgleichselements
30: Wärmedämmungsabschnitt

Claims

Verdampferelement (10) für flüssige Brennstoffe mit einem scheibenförmigen Zentralabschnitt (14), der einen von dem flüssigen Brennstoff durchströmten Kanal (12a) und mindestens eine Wärmeaufnahmefläche (14a) aufweist, und mit einer Heizvorrichtung (20), die die mindestens eine Wärmeaufnahmefläche (14a) beheizt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der mindestens einen Wärmeaufnahmefläche (14a) und der Heizvorrichtung (20) ein Wärmeausgleichselement (28) angeordnet ist, und das Wärmeausgleichselement (28) und die Heizvorrichtung (20) im Wesentlichen über die gesamte mindestens eine Wärmeaufnahmefläche (14a) hinweg angeordnet sind, so dass die mindestens eine Wärmeaufnahmefläche (14a) gleichmäßig mit Wärme beaufschlagt ist.
Verdampferelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Zentralabschnitt (14) aus einem Rohr (12) gebildet ist, und der von dem flüssigen Brennstoff durchströmte Kanal (12a) als Kapillare (12a) ausgebildet ist, die in dem Rohr (12) angeordnet ist.
Verdampferelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) im Wesentlichen spiralförmig aufgerollt ist, um so den scheibenförmigen Zentralabschnitt (14) zu bilden.
Verdampferelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (12) abschnittsweise lineare, miteinander verbundene Rohrabschnitte (13) aufweist.
Verdampferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtung (20) ein Heizdrahtelement (24) umfasst.
Verdampferelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizdrahtelement (24) zwei im Wesentlichen parallele, miteinander in einem distalen Verbindungsabschnitt (26) verbundene Heizdrahtabschnitte (24a, 24b) umfasst und die beiden parallelen Heizdrahtabschnitte (24a, 24b) zusammen spiralförmig angeordnet sind.
Verdampferelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsrichtung der beiden parallelen Heizdrahtabschnitte (24a, 24b) die Längsrichtung des von dem flüssigen Brennstoff durchströmten Kanal (12a) vielfach quert.
Verdampferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Zentralabschnitt (14) auf der der ersten Wärmeaufnahmefläche (14a) gegenüberliegenden Seite des scheibenförmigen Zentralabschnitts (14) eine zweite Wärmeaufnahmefläche (14b) aufweist, und dass das Wärmeausgleichselement (28) einen an die zweite Wärmeaufnahmefläche (14b) angrenzenden Gegenabschnitt (28b) umfasst, der so ausgeführt ist, dass durch die Heizvorrichtung (20) auch die zweite Wärmeaufnahmefläche (14b) gleichmäßig mit Wärme beaufschlagt ist.
Verdampferelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampferelement (10) einen Wärmedämmungsabschnitt (30) umfasst, der den scheibenförmigen Zentralabschnitt (14), das Wärmeausgleichselement (28) und die Heizvorrichtung (20) so umschließt, dass die Wärmeverluste des Verdampferelements (10) minimiert sind.