DE102007004967A1 - Method for sound proofing and heat feedback from exhaust gases of combustion engines, involves bringing water in heated exhaust gas flow for producing exhaust gas-water mixture - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Schalldämpfung und Wärmerückführung aus Abgasen von Verbrennungsmotoren und einen Wasserrotations-Schalldämpfer mit Wärmerückführung, insbesondere von Abgasen aus Dieselmotoren.The The present invention relates to a method for sound damping and heat recovery from exhaust gases from Internal combustion engines and a water-rotating silencer with heat recovery, in particular of Exhaust gases from diesel engines.
Von modernen Dieselmaschinen ist bekannt, dass ca. 40% der aus der Verbrennung des Kraftstoffes freiwerdenden Energie in mechanische Nutzenergie ungesetzt wird und der Rest der Energie als Abwärme frei wird, insbesondere über das Abgas. Bei diesen Motoren beträgt die Verlustenergie also rund 60% der Kraftstoffenergie. Die Abgastemperatur von Dieselmotoren beträgt häufig etwa 500°C, wobei bei Motoren mit niedrigen Drehzahlen auch weniger heiße Abgase möglich sind.From Modern diesel engines are known to be about 40% of those from combustion of the fuel released energy into mechanical energy is set and the rest of the energy is released as waste heat is, in particular on the exhaust. For these engines is the loss energy therefore about 60% of the fuel energy. The exhaust gas temperature of diesel engines is often about 500 ° C, although less hot for low-speed engines Exhaust gases are possible.
Bei Blockheizkraftwerken werden i. d. R. Rauchzugkühler eingesetzt. Diese können wegen des verklebenden Rußes und Partikeln, wie diese in den Abgasen von insbesondere Dieselmotoren enthalten sind, nicht in den Kondenswasserbereich abgekühlt werden, so dass die Wärme nur zum Teil genutzt werden kann.at Combined heat and power plants i. d. R. Rauchzugkühler used. These can because of the sticky soot and Particles like these in the exhaust gases of particular diesel engines are not cooled in the condensed water area so that only part of the heat can be used.
Weiterhin ist der durch den Betrieb von Verbrennungskraftmaschinen erzeugte Lärm ein Problem, der häufig von der Auspuffanordnung ausgeht und von Schalldämpfern kompensiert werden soll. Da die Abgase i. d. R. Auslass sämtlicher Verbrennungsprodukte sind, ist eine Reinigung der Abgase häufig erforderlich.Farther is the one generated by the operation of internal combustion engines Noise is a problem commonly encountered in the exhaust system emanates and should be compensated by silencers. There the exhaust gases i. d. R. Outlet of all combustion products are often cleaning the exhaust gases is required.
Eine
Waschvorrichtung für Abgase ist beispielsweise in der
Nach
einem weiteren Beispiel einer bekannten Vorrichtung wird in der
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Abgaswärme von Verbrennungsmotoren optimal zu nutzen. Gleichzeitig sollen die Abgase gereinigt werden, insbesondere von Ruß und Feinstaub befreit werden, und der Schall der Verbrennungsmotoren gedämpft werden. Obige Aufgaben werden durch die vorliegende Erfindung in überraschender Weise mittels einer einzigen Vorrichtung gelöst.A Object of the present invention is the exhaust heat optimal use of internal combustion engines. At the same time, the Exhaust gases are cleaned, especially free of soot and fine dust be dampened, and the sound of internal combustion engines become. The above objects are achieved by the present invention in a surprising manner solved by a single device.
Die Erfindung ist durch die unabhängigen Patentansprüche beschrieben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche oder nachfolgend beschrieben.The Invention is defined by the independent claims described. Advantageous embodiments are the subject the dependent claims or described below.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zur Schalldämpfung und Wärmerückführung aus Abgasen von Verbrennungsmotoren aufweisend:
- (a) Einbringen von Wasser in den erhitzten Abgasstrom von vorzugsweise 200 bis 500°C, vorzugsweise 200 bis 300°C, zum Erzeugen eines Abgas-Wasser-Gemisches, und Erniedrigen der Temperatur des Gemisches unter den Taupunkt des Gemisches (vorzugsweise 50 bis 70°C),
- (b) Führen des unter den Taupunkt gekühlten Abgases zusammen mit dem eingebrachten teilkondensiertem Wasser aus Schritt (a) in einen mit Wasser teilgefüllten im Wesentlichen trommelförmigen Wasserbehälter (Rotationsschalldämpfer) und
- (c) Ausströmen des Abgases unterhalb der Wasseroberfläche und längs der Trommelachse, so dass der Abgasstrom längs einer Strecke auf die Trommelinnenwand ausströmt und aufsteigend das Wasser in dem teilgefüllten Wasserbehälter in eine Rotationsbewegung versetzt wird und das Wasser an/in den Wasserbehälter ein-/angebrachte Wärmetauscher kontaktiert, wobei sich in der Trommel eine Wassertemperatur von vorteilhafterweise 40 bis 65°C einstellt.
- (a) introducing water into the heated exhaust stream of preferably 200 to 500 ° C, preferably 200 to 300 ° C, for producing an exhaust gas-water mixture, and lowering the temperature of the mixture below the dew point of the mixture (preferably 50 to 70 ° C),
- (b) passing the dew point cooled exhaust gas together with the introduced partially condensed water from step (a) into a water-filled substantially drum-shaped water tank (rotary muffler) and
- (C) Outflow of the exhaust gas below the water surface and along the drum axis, so that the exhaust gas flows along a distance on the inner wall of the drum and in ascending the water in the partially filled water tank is set in a rotational movement and the water on / in the water tank on / attached Contacted heat exchanger, wherein a water temperature of advantageously 40 to 65 ° C sets in the drum.
Abgase mit einer Temperatur von z. B. 400 bis 600°C, insbesondere 450 bis 500°C, werden mit Wasser in Form von Flüssigkeitströpfchen beaufschlagt. Vorteilhafterweise verteilen ein oder mehrere Injektordüsen das Wasser unter Druck kontinuierlich und möglichst gleichmäßig in Richtung des Abgasstroms, z. B. in Form eines Sprühnebels.exhaust with a temperature of z. B. 400 to 600 ° C, in particular 450 to 500 ° C, are mixed with water in the form of liquid droplets applied. Advantageously, one or more injector nozzles distribute the water under pressure continuously and as evenly as possible in the direction of the exhaust stream, z. B. in the form of a spray.
Der Abgasstrom enthaltend das eingespeiste Wasser wird durch die Wassereindüsung unter den Taupunkt (etwa 105 bis 130°C) des Gemisches gekühlt, z. B. auf 40 bis 90°C, insbesondere auf 50 bis 70°C, und nachfolgend unterwasser in einen teilgefüllten Wasserbehälter, den eigentlichen Schalldämpfer, eingeleitet. Das Eindüsen von Wasser eine Wegstecke vor dem Rotationsschalldämpfer erhöht die Partikelabscheidung.Of the Exhaust gas stream containing the injected water is through the water injection cooled below the dew point (about 105 to 130 ° C) of the mixture, z. B. to 40 to 90 ° C, in particular to 50 to 70 ° C, and subsequently underwater into a partially filled water tank, the actual muffler, initiated. The injection of water a way in front of the rotary muffler increases the particle separation.
Je weiter der Abgassrom heruntergekühlt wird, je höher ist der Gewinn an Energie durch Kondensation. Bei 50°C Temperatur des Abgasstroms beträgt der Energiegewinn 50% der maximal erhältlichen Energie durch Kondensation sämtlichen Kondenswassers. Pro Liter Wasser werden 0,625 kW gewonnen.ever further the exhaust gas is cooled down, the higher is the gain in energy through condensation. At 50 ° C Temperature of the exhaust stream is the energy gain 50% the maximum available energy through condensation of all Condensed water. 0.625 kW are gained per liter of water.
Die Temperatur des eingespritzten Wassers wird durch die Temperatur des Heizungswasserrücklaufes bestimmt. Das Wasser im Rotationsschalldämpfer wird vom Abgas um etwa 8 bis 10° über die Temperatur des Heizungswassers erhitzt, welches den Wärmetauscher des Rotationsschalldämpfer durchströmt.The temperature of the injected water is determined by the temperature of the heating water return. The water in the rotary muffler is heated by the exhaust gas by about 8 to 10 ° above the temperature of the heating water, which flows through the heat exchanger of the rotary muffler.
Hierbei soll das Abgas fein verteilt ausströmen, vorteilhafterweise durch Löcher oder Schlitze eines Loch- oder Schlitzbleches und vorteilhafterweise über die gesamte Trommellänge, so dass das aufsteigende Abgas das Wasser in eine kontinuierliche Rotationsbewegung versetzt und das erwärmte Wasser (40 bis 90°C, vorteilhafterweise 40 bis 65°C) im Rotationsschalldämpfer ständig die im Wasserbehälter befindlichen Wärmetauscherrohre umspült, um in diesem befindliches Heizungswasser zu erhitzen. Durch die Strömungsgeschwindigkeit des rotierenden Wassers im Behälter kann eine große Abgasmenge aus dem Wasser aufsteigen, ohne dass sich das Abgas aus dem Wasser freibläst und Restschall an die Wasseroberfläche gelangt. Der Schalldämpfeffekt ist fast 100%.in this connection the exhaust gas should flow out finely distributed, advantageously through holes or slits of a perforated or slotted sheet and advantageously over the entire drum length, so that the rising exhaust gas turns the water into a continuous rotational motion and the heated water (40 to 90 ° C, advantageously 40 to 65 ° C) in the rotary muffler constantly the heat exchanger tubes located in the water tank lapped to heat in this befindliches heating water. By the flow velocity of the rotating water in the Container can take a large amount of exhaust gas out of the water ascend without the exhaust freibläst out of the water and residual sound reaches the water surface. The sound-damping effect is almost 100%.
Vorteilhafterweise wird der Rotationsschalldämpfer von einem Austrittsrohr für das Abgas durchsetzt, das parallel zur liegenden Achse und seitlich in Richtung des inneren Umfangs des im Wesentlichen trommelartig runden Behälters angeordnet ist. Die Trommel hat Zylinderform, vorzugsweise langgestreckt entlang der Kreismittelpunktsachse, ohne dass jedoch die Stirnseiten notwendigerweise parallele Flächen bilden müssen. Die Ausströmrichtung des Abgases ist auf die Innenwand des Behälters gerichtet, vorzugsweise in Richtung auf eine ansteigende im Wesentlichen runde Behälterwand. Das Austrittsrohr ist unter der Wasseroberfläche in Bezug auf die Füllhöhe des Wassers im Ruhezustand geführt. Über der Wasseroberfläche befindet sich ein Freivolumen.advantageously, is the rotary muffler of an outlet pipe penetrated for the exhaust gas, which is parallel to the horizontal axis and laterally toward the inner periphery of the substantially drum-like round container is arranged. The drum has cylindrical shape, preferably elongated along the circle center axis, however, without the faces necessarily being parallel faces have to form. The outflow direction of the exhaust gas is directed to the inner wall of the container, preferably towards a rising substantially circular container wall. The outlet pipe is in relation to the water surface led to the filling level of the water at rest. about the water surface is a free volume.
Das austretende und im Wasser aufsteigende Abgas versetzt das Wasser in eine Rotationsbewegung, was zu einer intensiven Umströmung der vorzugsweise im Wassertank angeordneten Wärmetauscherrohre führt. Die Wärmetauscherrohre sind vorzugsweise in Form eines oder mehrerer Rohrbündel angeordnet. Die Abgaswärme überträgt sich auf das Wasser im Behälter und wegen der Rotationsbewegung besonders effektiv auch auf das Rohrbündel an Wärmetauschern, das vom Heizungswasser durchströmt wird.The exiting and rising in the water exhaust gas displaces the water in a rotational movement, resulting in an intense flow around the preferably arranged in the water tank heat exchanger tubes leads. The heat exchanger tubes are preferably arranged in the form of one or more tube bundles. The Exhaust heat transfers to the water in the container and because of the rotational movement particularly effective also on the tube bundle on heat exchangers, the flows through the heating water.
Der Rotationsschalldämpfer ist teilgefüllt, vorzugsweise zu 40 bis 80 Vol.%, und oberhalb der Wasseroberfläche mit einem Abgasaustritt versehen. Das Abgas tritt bei Temperaturen von 40 bis 60°C aus.Of the Rotary muffler is partially filled, preferably to 40 to 80 vol.%, And above the water surface with provided an exhaust outlet. The exhaust gas occurs at temperatures of 40 to 60 ° C off.
Aus dem Rotationsschalldämpfer wird mittels eines unter der Wasseroberfläche befindlichen Auslasses Wasser entnommen. Ein Überlauf regelt den Flüssigkeitsstand. Waschwasser aus dem Überlauf und aus dem Auslass können in einen Ausgleichstank geführt werden, der gleichzeitig als Ruß- und Partikelabscheider dient. Vorzugsweise wird ein Teil der Wassermenge ausgekreist, so dass im Ausgleichsbehälter eine Beruhigung eintritt, die eine Sedimentation bewirkt.Out the rotary muffler is by means of a under Taken from the water surface outlet water. An overflow regulates the fluid level. wash water from the overflow and from the outlet can in a Ausgleichstank be performed simultaneously as Soot and particle separator is used. Preferably, a Part of the amount of water is uncirculated, leaving in the expansion tank a sedation occurs that causes sedimentation.
Das über den Auslass oder Überlauf abgeführte Wasser wird im Kreis geführt und kann zu der Injektionsstelle, vorzugsweise dem Rauchgaskühler nachgeordnet, geleitet werden.The above the outlet or overflow is drained water circulated and may be to the injection site, preferably downstream of the flue gas cooler, are passed.
Ein Ziel der vorliegenden Vorrichtung ist es, eine Dämpfung des Auspufflärms zu bewirken. Das Injizieren von Flüssigkeitströpfchen in das Auspuffsystem und das Mischen dieser Tröpfchen mit dem Abgas kühlt die Abgase auf eine Temperatur von 40° bis 90°C in die Nähe der Umgebungstemperatur ab, was eine Schallreduktion bewirkt. Weiter wird der Schall gedämpft, dadurch dass das Abgas im Rotationschalldämpfer unterwasser eingeleitet wird.One The aim of the present device is to provide damping effect the exhaust smoke. The injection of liquid droplets into the exhaust system and mixing these droplets with the exhaust gas cools the exhaust gas to a temperature of 40 ° to 90 ° C in the vicinity of the ambient temperature from what causes a reduction in noise. Next, the sound is muffled, in that the exhaust in the rotary silencer underwater is initiated.
Das aus dem Rotationsschalldämpfer austretende Heizungswasser wird vorzugsweise anschließend zur Kühlung eines vorteilhafterweise vorgeschalteten Rauchgaskühlers eingesetzt. Nach dieser Ausführungsform gelangt der heiße Abgasstrom zuerst in einen Rauchzugkühler, der zur Heißwasserproduktion genutzt werden kann, wobei es vorteilhaft sein kann, nur einen Teilstrom des gesamten Heizungswassers durch den Rauchzugkühler durchzuleiten, um entsprechend hohe Temperaturen des Heizungswassers zu erreichen. Dies wird erforderlich, weil das Heizungswasser i. d. R. nur bei Temperaturen von 50 bis 65° im Wärmetauscher des Rotationsschalldämpfers gefahren wird, weil das Heizungswasser möglichst im Bereich geeigneter Kondensationstemperatur gefahren wird, die zur Erhöhung der Wärmegewinnung aus dem Kondensat möglichst niedrig sein sollen.The Heating water leaving the rotary silencer is preferably subsequently for cooling a advantageously used upstream flue gas cooler. According to this embodiment, the hot passes Exhaust gas flow first into a chiller, which is used for hot water production can be used, it may be advantageous, only a partial flow the entire heating water through the chimney cooler, to achieve correspondingly high temperatures of the heating water. This is necessary because the heating water i. d. R. only at Temperatures from 50 to 65 ° in the heat exchanger of the Rotary muffler is driven, because the heating water if possible in the range of suitable condensation temperature is driven, which helps to increase heat production should be as low as possible from the condensate.
Nach Verlassen des Rauchzugkühlers hat das Abgas vorzugsweise eine Temperatur von 200 bis 300°. Nach einer Ausführungsform wird das Wasser, das vom Rotationsschalldämpfer über den Ausgleichstank mit Russabscheider umgepumpt wird, hinter dem Rauchzugkühler kontinuierlich eingedüst. Im Rauchzugkühler wird das Abgas üblicherweise in Rohren geführt, die vom Heizungswasser umströmt sind.To Leaving the flue chiller preferably has the exhaust gas a temperature of 200 to 300 °. According to one embodiment the water that passes from the rotary muffler over the balance tank is pumped around with soot separator, behind the Flue chiller continuously injected. In the chiller the exhaust gas is usually conducted in pipes, which are flowed around by the heating water.
Mit dieser Anlage wird in den Kondensbereich abgekühlt, und über das Kondensat des Wasserdampfes im Abgas zusätzlich Wärme gewonnen. Die Wärmenutzung aus dem Abgas ist mindestens um 30% erhöht, gegenüber herkömmlichen Anlagen mit Rauchgaskühler.With This system is cooled in the condensation area, and over the condensate of the water vapor in the exhaust gas additionally heat won. The heat from the exhaust gas is at least around 30% increased compared to conventional systems with Flue gas cooler.
Je höher der Aufladegrad der Motoren ist, umso höher ist der Anteil der Wärme im Abgas gegenüber der Kühlwasserwärme. Bei 80% Aufladung beträgt sie 2/3 zu 1/3. Die Gesamtwärmenutzung kann mit dieser Abgaskühleinrichtung somit um mehr als 20% erhöht werden.ever higher the charge level of the engines, the higher is the proportion of heat in the exhaust gas compared to the Cooling water heat. At 80% charge is she 2/3 to 1/3. The total heat use can with this Exhaust gas cooler thus increased by more than 20% become.
Die erfindungsgemäße Anlage wird vorgeschaltet vorzugsweise mit einem SCR-Katalysator, insbesondere unter Einspeisung von Harnstoff betrieben. Vorteilhaft ist weiterhin ein vorgeschalteter Oxidationskatalysator, so dass das in die erfindungsgemäße Vorrichtung eindringende Abgas nach zunächst einen Oxidationskatalysator (fakultativ), eine Harnstoffzuführungseinrichtung mit Hydrolysekatalysator/Hydrolysestrecke, eine Mischstrecke und den SCR-Katalysator durchlaufen hat bzw. ausgesetzt wird.The Inventive plant is preferably connected upstream with an SCR catalyst, in particular with the introduction of urea operated. A further advantage is an upstream oxidation catalyst, so that in the inventive device penetrating exhaust after first an oxidation catalyst (optional), a urea feeder with hydrolysis catalyst / hydrolysis route, has passed through a mixing section and the SCR catalyst or is exposed.
Abgas und Ammoniak werden am SCR-Katalysator in Kontakt gebracht, um Stickoxide zu Stickstoff und Wasser bzw. Wasserdampf umzusetzen. Ammoniak bzw. eine Vorläufersubstanz wird stromauf des SCR-Katalysators den Abgasen zugemischt. Vorteilhaft ist es mit Hilfe eines dem SCR-Katalysator vorgeschalteten Hydrolysekatalysators hierzu Harnstoff in Ammoniak umzusetzen, so dass als Vorläufersubstanz(en) Harnstoff in Form einer wässrigen Lösung in das Abgas eingebracht wird, insbesondere eingedüst.exhaust and ammonia are contacted on the SCR catalyst to produce nitrogen oxides convert to nitrogen and water or water vapor. Ammonia or a precursor substance becomes upstream of the SCR catalyst admixed with the exhaust gases. It is advantageous with the help of a SCR catalyst upstream Hydrolysis catalyst to convert urea into ammonia, so that as precursor substance (s) urea in the form of a aqueous solution is introduced into the exhaust gas, in particular injected.
Um die Leistungsfähigkeit des SCR-Katalysators bei relativ niedrigen Abgastemperaturen zu steigern, kann stromauf des SCR-Katalysators ausserdem ein Oxidationskatalysator angeordnet sein, der im mageren Abgas Stickoxide mit Sauerstoff zu NO2 umsetzt. NO2 kann bei niedrigeren Abgastemperaturen im SCR-Katalysator effektiver umgesetzt werden, so dass sich die NOx-Umsatzrate des SCR-Katalysators entsprechend erhöht.In order to increase the performance of the SCR catalyst at relatively low exhaust gas temperatures, upstream of the SCR catalyst may also be arranged an oxidation catalyst which converts nitrogen oxides with oxygen in the lean exhaust gas to NO 2 . NO 2 can be more effectively reacted at lower exhaust gas temperatures in the SCR catalyst, so that the NOx conversion rate of the SCR catalyst increases accordingly.
Die Verbrennungsmaschine kann vorteilhaft mit Betriebmittel pflanzliche Herkunft, insbesondere flüssigen, wie Pflanzenöl betrieben werden.The Combustion engine can be beneficial with plant resources Origin, in particular liquid, such as vegetable oil operate.
Die Erfindung wird weiter durch die Figuren erläutert, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigen:The Invention is further illustrated by the figures, without to be limited to these. Show it:
Heiße
Abgase
Mit
Verlassen des Rauchzugkühlers
Das
Abgas wird fein verteilt durch das Lochblech
Oberhalb
des umgewälzten Wassers reguliert ein Wasserüberlauf
Zur
Abführung des Kondensatwassers aus dem Ausgleichstank ist
ein Überlauf
Eine
Pumpe
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- - US 3282047 [0005] US 3282047 [0005]
- - US 2763982 [0006] US 2763982 [0006]
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|---|---|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2469319A (en) * | 2009-04-08 | 2010-10-13 | Krystallon Ltd | Exhaust treatment for a marine engine |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US2763982A (en) | 1952-01-29 | 1956-09-25 | Gen Motors Corp | Centrifugal apparatus for treating exhaust gas |
| US3216181A (en) * | 1962-07-13 | 1965-11-09 | Ivan H Carpenter | Exhaust system |
| US3282047A (en) | 1965-02-23 | 1966-11-01 | Sidney B Wertheimer | Purifying apparatus to eliminate air pollution from automotive, industrial and commercial exhaust products |
| DE4220850C1 (en) * | 1992-06-25 | 1993-10-07 | Alexander Lerch | Motor exhaust gas cleaning - has washer to separate solids with evaporator to condense water and dry particles for collection |
| DE102004022042A1 (en) * | 2003-06-03 | 2004-12-30 | RÄSS, Martin | Exhaust gas purification and silencing system for diesel engine providing combined heat and power for dwellings, comprises tank of water with submerged inlet and upper outlet |
-
2007
- 2007-01-26 DE DE102007004967A patent/DE102007004967B4/en not_active Expired - Fee Related
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE102007004967B4 (en) | 2008-11-13 |
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