DE102006005435A1 - Kompaktwärmetauscher mit Porenbrenner - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt eine sehr kompakte Einheit aus Porenbrenner, Dampferzeuger, Verbrennungsluftvorwärmung, Kraftstoffverdampfung und Wärmetauscher für die Fahrzeugheizung. Sie ist Teil eines Antriebskonzepts für Kraftfahrzeuge mittels Dampfturbine und geschlossenem Wasser-Dampf-Wasser-Kreislauf. Dabei wird verdampfter Kraftstoff mit vorgeheizter Verbrennungsluft in einen Porenbrenner eingeblasen, wo dieses Gemisch ohne Flamme bei ca. 700°C verbrennt. Die heißen Abgase werden entlang den Windungen einer mit Wasser gefüllten Wärmetauscherspule geführt, an deren Ende Dampf unter hohem Druck ansteht, der in eine Turbine geleitet wird. Der Wärmetauscherspule wird mittels eines Piezoeinspritzventils Frischwasser zugeführt, welches aus dem Kondensat der Turbine kommt (geschlossener Kreislauf). Dabei wird die Wassereinspritzmenge entsprechend der eingespritzten Kraftstoffmenge (und deren Heizwert) so gewählt, dass die erzeugte Wärmemenge abgeführt werden kann.

Description

• Zur Dampferzeugung für einen Turbinenantrieb in Fahrzeugen ist ein sehr leichter, kompakter Wärmetauscher erforderlich, welcher die vom Porenbrenner erzeugte Wärme möglichst verlustarm in Dampf verwandelt. Dies ist mit der folgenden Konstruktion in sehr effizienter Weise gelungen, wie am Beispiel eines 40 kW-Porenbrenners gezeigt wird.
• Beschreibung:
• Herz des Gerätes ist ein poröser Keramikkörper mit 135 mm Durchmesser und 35 mm Dicke, der in einem keramischen Isolierkörper eingebaut ist.
• Ein Scheibenventilator saugt im Zentrum Luft an, welche am Umfang der Scheiben rechtwinklig umgelenkt wird und entlang des zylindrischen Isolierkörpers geblasen wird. Am Ende des Isolierkörpers wird der Luftstrom um 180° umgelenkt und zusammen mit dem gasförmigen Kraftstoff (flüssige Kraftstoffe werden zuerst verdampft) in die Poren des Keramikkörpers geblasen, wo der Kraftstoff ohne Flamme mit etwa 700°C verbrennt.
• Durch eine trichterförmige Verengung des Isolierkörpers gelangen die bei der Verbrennung entstehenden heißen Abgase in den eigentlichen Wärmetauscher. Dieser besteht aus 14 parallelen spiralförmig aufgewickelten Röhrchen von etwa 3,5 m Länge, deren innere Enden mit einem zur Dampf-Ausgangsdüse führenden Rohr verschweißt sind, während die äußeren Enden in gleicher Weise mit dem Wasserzuführungsrohr verschweißt sind. Zur Luftführung befindet sich ein ebenfalls spiralförmig gewickeltes Blech zwischen den Rohrwindungen, so dass der Abgasstrom vom Zentrum der Spirale Windung um Windung zum Umfang geführt wird.
• Nach verlassen des Keramikisolierkörpers geht der Abgasstrom in einen den Frischluftstrom umfassenden Blechzylinder über den die Frischluft vorgewärmt wird.
• Am Ausgang dieses Zylinders schließt sich ein weiterer Wärmetauscher für die Fahrzeugheizung an.
• Die Wasserzuführung erfolgt über ein Piezo-Einspritzventil, welches simultan mit dem Piezo-Einspritzventil für den Kraftstoff betätigt wird. Zu jeder eingespritzten Kraftstoffmenge gehört eine bestimmte Wassermenge, entsprechend dem Heizwert des Kraftstoffs. (Bei Dieselkraftstoff etwa 15 mal mehr Wasser als Kraftstoff).
• Es können bis zu tausend Einspritzungen pro Sekunde erfolgen, so dass ein extrem großer Regelbereich gegeben ist (zu 1 mg Dieselkraftstoff etwa 15 mg Wasser pro Einspritzung bei 1000 Einspritzungen pro Sekunde für Volllast bei 40 kW).

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Motor Teslaventilator

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Frischluftansaugstutzen

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Teslaventilator

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Frischluftvorwärmung

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Frischluft vom Teslaventilator

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Keramikisolation Porenbrenner

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Porenbrenner

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Wärmetauscherspule

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Abluft Porenbrenner

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Wassereinspritzung

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Einspritzdüsenring zur Kraftstoffverdampfung

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Kraftstoffeinspritzung

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Außenisolierung

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Auspuff

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Wärmetauscher Fahrzeugheizung

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Dampf zur Turbine

Claims (8)

1. Keramikisoliergehäuse mit eingesetztem Porenbrenner
2. Tesla-Scheibenventilator mit axialem Ausgang und Luftumlenkung zur kompletten Umströmung des Keramikisoliergehäuses.
3. Kraftstoffeinspritzung mittels ringförmig angeordneter Multidüse und Startvorheizung für den eingespritzten Kraftstoff am Eingang des Porenbrenners.
4. Das Keramikgehäuse umfassendes Blechgehäuse für die Frischluftzufuhr vom Scheibenventilator mit Frischluftumlenkung um 180° in den Porenbrenner.
5. Frischluftvorwärmung durch das Blechgehäuse umströmende Abgase.
6. Weitere Ausnutzung der Abwärme der Abgase durch einen nachgeschalteten Wärmetauscher für die Fahrzeugheizung.
7. Simultane Einspritzung von Wasser in die eigentliche Wärmetauscherspule entsprechend dem Heizwert der eingespritzten Kraftstoffmenge pro Einspritzung.
8. Einspritzung des Wassers am kalten Ende des Wärmetauschers und Dampfentnahme am heißen Ende, um eine optimale Wärmeübertragung von den Abgasen auf die Wärmetauscherspule sicherzustellen.