DE102007023424A1

DE102007023424A1 - Verdampfervorrichtung zur mobilen Ammoniakgas-Erzeugung

Info

Publication number: DE102007023424A1
Application number: DE200710023424
Authority: DE
Inventors: Peter Hirth; Marc Brugger; Thomas HÄRIG; Rolf BRÜCK
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Verdampfervorrichtung (1) für Ammoniak und eine Anwendung bei mobilen Abgasanlagen, umfassend einen Grundkörper (2) mit zumindest einer Zuleitung (3) und zumindest einer Ableitung (4), in dem wenigstens ein Heizelement (5) und wenigstens ein Kanal (6) zur Verbindung der Zuleitung (3) mit der Ableitung (4) vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine Heizelement (5) mit einem Verdampfungsabschnitt (7) des wenigstens einen Kanals (6) in wärmeleitendem Kontakt ist und der wenigstens eine Kanal (6) in diesem Verdampfungsabschnitt (7) einen mäanderförmigen Verlauf (8) aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfervorrichtung umfassend einen Grundkörper mit zumindest einer Zuleitung und zumindest einer Ableitung, in dem wenigstens ein Heizelement und wenigstens ein Kanal zur Verbindung der Zuleitung mit der Ableitung vorgesehen sind. Eine solche Verdampfervorrichtung soll insbesondere dazu eingesetzt werden, eine wässrige Harnstoff-Lösung zu erhitzen bzw. zu überhitzen, um auf diese Weise schließlich Ammoniakgas zu erzeugen, das einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs zugegeben werden kann, um Schadstoffe des Abgases zu konvertieren.
Insbesondere bei Dieselverbrennungsmaschinen hat es sich bewährt, dem von der Verbrennungskraftmaschine erzeugten Abgas Harnstoff in wässriger Lösung direkt oder nach einer externen Hydrolyse Ammoniak zuzugeben. Hierbei kommt bei bekannten Verfahren ein Hydrolyse-Katalysator zum Einsatz, an dem aus dem Harnstoff Ammoniak gewonnen wird. Die wässrige Harnstofflösung wird stromauf des Hydrolyse-Katalysators zugegeben, in gasförmigen Zustand überführt und mit dem Hydrolyse-Katalysator in Kontakt gebracht. Der dabei generierte Ammoniak reagiert dann beispielsweise mit einem so genannten SCR-Katalysator weiter stromabwärts im Abgasstrom mit den dort enthaltenen Stickoxiden zu molekularen Stickstoff und Wasser.
Bei der Verdampfung der wässrigen Harnstofflösung ist die Temperaturführung besonders schwierig. Dies ist gerade unter dem Aspekt zu berücksichtigen, dass die benötigten Mengen der Harnstofflösung einerseits und die verfügbaren Temperaturen andererseits während einer mobilen Anwendung stark variieren können. Wird eine Verdampfung nicht vollständig erreicht, können sich Zwischenprodukte bilden, die gegebenenfalls zur Verstopfung der Verdampfereinheit führen können.
Derartige, unerwünschte, Nebenprodukte sind beispielsweise wasserunlösliches Biuret, das sich aus Isocyansäure und Harnstoff bildet, und Cyanursäure, welche das Trimerisierungsprodukt der Isocyansäure darstellt.
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdampfervorrichtung anzugeben, die die vorstehend genannten Probleme zumindest teilweise löst. Insbesondere soll eine Verdampfervorrichtung angegeben werden, die kompakt aufgebaut ist und auch bei hochdynamischen Temperaturlastwechseln die Förderung bzw. Generierung von Ammoniakgas mit einer vorgegeben Genauigkeit und Vollständigkeit gewährleistet.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Verdampfervorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Verdampfervorrichtung sind in den abhängig formulierten Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale, in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können, und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, veranschaulicht weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
Die erfindungsgemäße Verdampfervorrichtung umfasst einen Grundkörper mit zumindest einer Zuleitung und zumindest einer Ableitung, in dem wenigstens ein Heizelement und wenigstens ein Kanal zur Verbindung der Zuleitung und der Ableitung vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine Heizelement mit einem Verdampfungsabschnitt des wenigstens einen Kanals in wärmeleitendem Kontakt ist und der wenigstens eine Kanal in diesem Verdampfungsabschnitt einen mäanderförmigen Verlauf aufweist.
Der Grundkörper stellt insbesondere ein massives Bauteil (z. B. sind Wandbereiche sind deutlich dicker als der Kanalquerschnitt) dar, während die Zuleitung und/oder die Ableitung bevorzugt ein formstabiles, rohrähnliches separates Bauteil ist. Insoweit kann beispielsweise entlang einer gemeinsamen Langsachse eine Zuleitung über einen Anschluss an den Grundkörper fixiert werden, in dem dann der Kanal ausgebildet ist, wobei auf der gegenüberliegenden Seite des Grundkörpers die Ableitung ebenfalls an einem Anschluss fixiert ist.
Durch diesen Grundkörper hindurch erstreckt sich nun der Kanal. Zur energetisch besonders günstigen Einbringung der zur Verdampfung einzubringenden thermischen Energie ist mindestens ein Heizelement so in bzw. an dem Grundkörper positioniert (bevorzugt sind mehrere, im Grundkörper gleichmäßig verteilt integrierte Heizelemente), dass die damit generierte Wärme auf die Kanalwand zumindest im hier so genannten Verdampfungsabschnitt eingeleitet werden kann.
Zudem wird hier vorgeschlagen, dass der (bevorzugt nur) eine Kanal im Verdampfungsabschnitt einen mäanderförmigen Verlauf hat. Damit ist insbesondere gemeint, dass sich der Kanal im Verdampfungsabschnitt nicht geradlinig (z. B. entlang der Längsachse) erstreckt, sondern bevorzugt eine Vielzahl von Schlingen, Schleifen, Wendungen oder dergleichen aufweist. Es wurde herausgefunden, dass gerade ein solcher mäanderförmiger Verlauf zwei positive Effekte zur Folge hat: zum Einen kann so über eine relativ kleine Erstreckung des Grundkörpers eine große Kanallänge ausgebildet werden, so dass eine ausreichende Verdampfungsstrecke bei einer sehr kompakten Ausgestaltung des Grundkörpers realisierbar ist. Außerdem wurde festgestellt, dass die erzwungenen Richtungswechsel für das den Kanal durchströmenden Fluid eine schnellere und vollständigere Verdampfung zur Folge hat. So lassen sich beispielsweise bei Fördermengen durch den Kanal im Bereich von bis zu 125 Milliliter pro Minute Verdampfungswinkungsgrade deutlich oberhalb von 95%, insbesondere oberhalb von 98% erreichen und damit eine überraschend deutliche Verbesserung im Hinblick auf eine gleichartige gerade verlaufende Kanalstrecke.
Gemäß einer Weiterbildung der Verdampfervorrichtung weist der wenigstens eine Kanal in dem Verdampfungsabschnitt zumindest eines der folgenden Merkmale auf:

2.1 mehrere abwechselnd gerader Verlaufsbereiche und gekrümmte Verlaufsbereiche,
2.2 gekrümmte Verlaufsbereiche mit einer Erweiterung eines Kanalquerschnitts,
2.3 eine Kanalabschnittslänge von 300 bis 1000 mm [Millimeter],
2.4 einen mittleren Kanalquerschnitt von 0,2 bis 10 mm²,
2.5 verschieden gekrümmte Verlaufsbereiche,
2.6 mehrere gekrümmte Verlaufsbereich mit einer Krümmung von mindestens 90°,
2.7 eine Anordnung in einer Verdampferebene des Grundkörpers,
2.8 eine Aluminium aufweisende Kanalwand,
2.9 eine Kanalwand mit einer gemittelten Rautiefe R_Z im Bereich von 2 μm [Mikrometer] bis 50 μm,
2.10 eine hygroskopisch aktive Kanalwand.

Im Hinblick auf die vorstehend genannten Merkmale wird bevorzugt, dass der Kanal in dem Verdampfungsabschnitt zumindest fünf und bevorzugt sogar mindestens acht der Merkmale aufweist, insbesondere eine Kombination aus den Merkmalen 2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.7, 2.8, 2.9, 2.10.
Merkmal 2.1 ist insbesondere so zu verstehen, dass der Kanal wiederholt gerade, insbesondere zueinander parallel verlaufende, Verlaufsbereich aufweist, zwischen denen jeweils ein gekrümmter Verlaufsbereich vorgesehen ist. Gerade bei einer parallelen Ausrichtung der geraden Verlaufsbereiche ist der gekrümmte Verlaufsbereich beispielsweise nach Art einer 180°-Wendung bzw. einer zweimaligen 900 Wendung (ggf. mit einem dazwischen liegenden kürzeren geraden Verlaufsbereich) ausgeführt.
Zu Merkmal 2.2 sei angemerkt, dass im gekrümmten Verlaufsbereich eine Erweiterung des Kanalquerschnitts um mindestens 30%, insbesondere mindestens 40% erreicht wird. Dabei ist die Erweiterung bevorzugt nach Art einer Auswölbung im Bereich der strömungstechnischen Außenseite des gekrümmten Verlaufsbereichs angeordnet. Es ist auch möglich, dass die Erweiterung eine Fortführung des vorherigen geraden Verlaufsbereiches über den gekrümmten Verlaufsbereich hinaus darstellt. Eine solche Erweiterung bildet ebenfalls ein Strömungsreservoir für eine turbulente Strömung und führt damit zu einem besonders innigen Kontakt mit der heißen Kanalwand in diesem Bereich.
Die Merkmale 2.3 und 2.4 veranschaulichen, über welche kleine Wärmeaustauschfläche (Kanalabschnittslänge x mittlerer Kanalquerschnitt) die zur vollständigen Verdampfung erforderliche Energie hier eingebracht werden kann. Bevorzugt ist dabei, dass der Kanal in dem Verdampfungsabschnitt mindestens zehn (10), bevorzugt mindestens zwanzig (20), gekrümmte Verfahrensbereiche über die angegebene Kanalabschnittslänge bildet.
Merkmal 2.5 betrifft z. B. eine Ausführungsvariante, bei der keine parallel zueinander angeordneten geraden Verlaufsbereiche gebildet sind, sondern bei der, gegebenenfalls unter Weglassen der geraden Verlaufsbereiche, verschiedenartig gekrümmte Verlaufsbereiche vorgesehen sind. Diese unterscheiden sich beispielsweise durch verschiedene Krümmungsradien.
Um regelmäßig eine kompakte Anordnung zu erzielen und gleichzeitig eine gute Strömungscharakteristik zu realisieren, wird vorgeschlagen, mehrere gekrümmte Verlaufsbereiche mit einer Krümmung von zumindest 90° [Grad] vorzusehen. Besonders bevorzugt ist dabei auch, dass sich diese Krümmung ebenso wie der gesamte Kanal in dem Verdampfungsabschnitt in einer gemeinsamen Verdampferebene des Grundkörpers befindet (vgl. Merkmal 2.7). Dies hat den Vorteil, dass sich ein solcher Kanal relativ einfach fertigen lässt, wobei darüber hinaus auch eine gleichmäßige Temperatureinbringung in die gemeinsame Verdampferebene ermöglicht ist.
Im Hinblick auf das Material wird vorgeschlagen, dass die Kanalwand mit Aluminium gebildet ist – ggf. auch mit einer (in den Grundkörper integrierten und die Kanalswand wenigstens teilweise bildenden) Einlage. Ganz besonders bevorzugt ist, dass die Materialbestandteile der (mit dem Fluid in Kontakt stehenden) Kanalwand zumindest mit einen Massenanteil von über 50%, insbesondere 90%, Aluminium und/oder Aluminium-Verbindungen umfassen. Aluminium hat besonders positive Eigenschaften im Hinblick auf die Wärmeübertragung und kann unter Bildung von Aluminiumoxid sogar eine hydrolytische Aktivität aufweisen. Im Hinblick auf eine besonders gute Wärmeleitung wird auch vorgeschlagen, dass die Oberflächenrauhigkeit der Kanalwand im Bereich von 2 µm bis 50 μm liegt, insbesondere in einem Bereich zwischen 5 und 20 µm. Zur Bereitstellung einer hydrolytisch aktiven Kanalwand können gegebenenfalls (zusätzliche) Beschichtungen vorgesehen sein, wobei insbesondere die Bildung von metallischen Oxiden, z. B. von Aluminium, Titan und/oder Vanadium, bevorzugt ist.
Gemäß einer Weiterbildung der Verdampfervorrichtung bildet der wenigstens eine Kanal zwischen der zumindest einen Zuleitung und dem Verdampfungsabschnitt einen Einlaufabschnitt, der zum Verdampfungsabschnitt versetzt angeordnet ist. „Versetzt" umfasst in diesem Zusammenhang insbesondere eine Lage, bei der der Einlaufschritt einem geringeren thermischen Einfluss wenigstens eines Heizelements oder einer geringeren Anzahl von Heizelementen ausgesetzt ist. So kann sich das mindestens eine Heizelement beispielsweise auch bis hin in einen Nachbarbereich des Einlaufabschnittes erstrecken, die Einwirkung auf diesen Kanalabschnitt ist dann jedoch bevorzugt reduziert.
Im Hinblick auf die vorstehend genannten Erläuterungen wird als bevorzugt erachtet, dass der wenigstens eine Kanal in den Einlaufabschnitt zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist:

4.1 eine gegenüber einer Verdampferebene des Grundkörpers versetzte Lage,
4.2 einen mittleren Kanalquerschnitt von 0,2 bis 30 mm² [Quadratmillimeter],
4.3 eine Kühlvorrichtung,
4.4 eine galvanische Trennung.

Betrachtet man also den bevorzugten Aufbau der Verdampfervorrichtung, bei der der Kanal in dem Verdampfungsabschnitt in einer gemeinsamen Verdampferebene angeordnet ist, so wird hier vorgeschlagen, den Einlaufabschnitt außerhalb dieser Ebene bis hin zum Verdampfungsabschnitt zu führen. Erstreckt sich die Verdampferebene beispielsweise über eine Längsachse des Grundkörpers, so kann der Einlaufabschnitt parallel zu dieser Längsachse außerhalb der Verdampferebene positioniert sein. Bevorzugt ist, da hier überwiegend auch noch eine Flüssigkeit geführt werden soll, hier einen etwas geringeren mittleren Kanalquerschnitt vorzusehen. Dabei kann der Einlaufabschnitt beispielsweise als einfache Bohrung ausgeführt sein, so dass der Einlaufabschnitt zumindest überwiegend geradlinig ausgebildet ist.
Zudem wird auch vorgeschlagen, dass der Einlaufabschnitt mit einer Kühlvorrichtung ausgebildet ist. Eine solche Kühlvorrichtung kann vorgesehen sein, um die Temperatur im Einlaufabschnitt auch bei verschiedenem Betrieb der Heizelemen te zu begrenzen. So können beispielsweise gegebenenfalls gezielt aktivierbare Peltierelemente vorgesehen sein, die im Bedarfsfall Wärme aus dem Einlaufabschnitt abführen.
Darüber hinaus wird auch als vorteilhaft erachtet, eine galvanische Trennung zwischen der Zuleitung und dem Einlaufabschnitt vorzusehen. Damit kann, gerade bei einer gleichzeitigen Vorsehung einer galvanische Trennung im Bereich des Auslaufabschnittes, eine elektrische Entkopplung des Grundkörpers gegenüber angrenzenden Bauteilen erreicht werden. Dies kann gerade dann von Vorteil sein, wenn ein Teil des Grundkörpers direkt durch elektrischen Strom beheizt wird (Ohmsche Widerstandserwärmung).
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung bildet der wenigstens eine Kanal zwischen dem Verdampfungsabschnitt und der zumindest einen Ableitung einen Auslaufabschnitt, der eine Aufweitung des Kanalquerschnitts umfasst. Die Aufweitung ist dabei so gestaltet, dass hier bevorzugt ein Vielfaches, z. B. mindestens das 4-fache oder sogar zumindest das 10-fache, des vorherigen mittleren Kanalquerschnitts erreicht wird. Damit ist eine weitere Entspannung des mittlerweile gasförmigen Fluides gewährleistet.
In diesem Zusammenhang ist bevorzugt, dass der wenigstens eine Kanal in dem Auslaufabschnitt zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist:

6.1 zumindest einen hydrolytisch aktiven Reaktorraum,
6.2 zumindest einen Wabenkörper, der mit Aluminium aufweisenden Blechfolien eine Vielzahl von Strömungspfaden bildet,
6.3 eine Aufweitung in Form eines Konus zwischen dem Verdampfungsabschnitt und einem hydrolytisch aktiven Reaktorraum,
6.4 eine thermische Isolierung gegenüber dem wenigstens einen Heizelement.

Der hydrolytisch aktive Reaktorraum weist bevorzugt eine Beschichtung auf, die eine katalytisch motivierte Hydrolyse bewirkt. Hierzu kommen z. B. Aluminiumoxid, Titanoxid, Vanadiumoxid und/oder Wolfram-Oxid bzw. eine Mischung aus zumindest zweien der vorstehend genannten Katalysatoren in Betracht.
Um einen möglichst innigen Kontakt des Gases mit einer hydrolytisch aktiven Beschichtung zu gewährleisten wird auch vorgeschlagen, dass in dem Reaktorraum (wenigstens) ein so genannter Wabenkörper vorgesehen ist. Dieser ist beispielsweise mit glatten und gewellten Blechfolien gebildet, die so angeordnet sind, dass eine Vielzahl von Strömungspfaden bzw. Mikrokanälen gebildet sind. Diese Strömungspfade können zudem Verwirbelungsbereiche aufweisen, gegebenenfalls ist auch eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen, die einen Strömungsaustausch zwischen den einzelnen Strömungspfaden gewährleisten. Die Blechfolien sind bevorzugt (wenigstens an der Oberfläche in einem überwiegenden Anteil) mit Aluminium gebildet. Zusätzlich kann eine entsprechend hydrolytisch aktive Beschichtung vorgesehen sein, beispielsweise auch in Form von Aluminiumoxid. Insbesondere für den Fall, dass ein Wabenkörper in dem Reaktorraum angeordnet ist, eignet sich eine Aufweitung in Form eines Konus dazu, das einströmende Gas gleichmäßig über den Querschnitt des Wabenkörpers zu verteilen, so dass alle Strömungspfade gleichermaßen zur katalytischen Umwandlung genutzt werden. Wenigstens teilweise, bevorzugt jedoch vollständig, ist um den Reaktorraum eine thermische Isolierung vorzusehen, so dass die Temperatur im Reaktorraum, gegebenenfalls gezielt, einstellbar ist.
Darüber hinaus wird auch als vorteilhaft erachtet, dass der Grundkörper zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist:

7.1 mit Aluminium als Material gebildet,
7.2 einen zweiteiligen Aufbau mit einer zentralen Verdampferebene,
7.3 zumindest der Verdampfungsabschnitt des wenigstens einen Kanals ist in einer Trennfläche des Grundkörpers eingearbeitet,
7.4 der Einlaufabschnitt des wenigstens einen Kanals ist in nur ein erstes Teil eines zweiteiligen Grundkörpers eingebracht,
7.5 eine Mehrzahl Aufnahmen für jeweils wenigstens ein Heizelement.

Im Hinblick auf die vorteilhaften Wärmeleitungseigenschaften wird hier vorgeschlagen, den Grundkörper zu einem überwiegenden Anteil aus Aluminium zu fertigen (Massenanteil z. B. größer 95%). Bevorzugt ist, den Grundkörper nach Art eines massiven Zylinders auszuführen, wobei beispielsweise eine mittige Trennung entlang der Längsachse dazu führt, dass eine Trennfläche zwischen zwei im wesentlichen gleichgroßen Teilen des Grundkörpers eingebracht ist. Diese Trennfläche kann nun genutzt werden, um beispielsweise den mäanderförmigen Verlauf des Kanals durch ein oberflächenabtragendes Verfahren einzubringen. Hierfür bieten sich beispielsweise Fräsverfahren, Schleifverfahren, Ätzverfahren oder ähnliche Verfahren an.
Im Übergangsbereich zwischen dem Einlaufabschnitt und dem Verdampfungsabschnitt kann dann ausgehend von der Trennfläche eine Bohrung radial zur Längsachse vorgesehen sein, die somit einen Versatz hin zum Einlaufabschnitt des Kanals bildet. Der Einlaufabschnitt wird dann parallel zur Längsachse und der Trennfläche in nur einem ersten Teil des zweiteiligen Grundkörpers eingearbeitet. Ganz besonders bevorzugt ist, dass lediglich ein Kanal zur Strömungsführung des Fluides vorgesehen ist.
Um den Kanal herum, insbesondere mit einem gleichen Abstand zur Längsachse, können nun mehrere Aufnahmen für jeweils wenigstens ein Heizelement vorgesehen sein. Die Aufnahmen, die insbesondere Hohlräume aufweisen, sind zumindest von einer Seite aus erreichbar, so dass beispielsweise die Heizelemente einge schoben werden können. Grundsätzlich ist möglich, beispielsweise für jeden Abschnitt (Einlaufabschnitt, Verdampfungsabschnitt, Auslaufabschnitt) in jeweils einer Aufnahme ein getrenntes Heizelement vorzusehen, so dass die einzelnen Abschnitte voneinander unabhängig hinsichtlich der gewünschten Temperatur geregelt werden können. Aus Gründen des einfachen Aufbaus und der sich in Folge der hier vorgeschlagenen Maßnahmen zum Teil selbst einstellenden Temperaturgradienten kann es jedoch auch ausreichend sein, in jeder Aufnahme nur ein Heizelement vorzusehen, welches sich über alle Abschnitte des Kanals oder zumindest über den Einlaufabschnitt und den Verdampfungsabschnitt, erstreckt.
Darüber hinaus wird auch vorgeschlagen, dass die zumindest eine Zuleitung mit einer Pumpe verbunden ist und einen unnachgiebigen Leitungsquerschnitt aufweist. Die Pumpe ermöglicht beispielsweise eine Förderung des Fluids mit einem Druck bis maximal 6 bar, wobei regelmäßig im Betrieb ein Druck von zumindest 2 bar aufrechterhalten werden sollte. Gegebenfalls ist möglich, eine Pumpe vorzusehen, die in zwei Richtungen fördern kann, so dass mit dieser einzelnen Pumpe einerseits Fluid hin zur Verdampfervorrichtung transportiert werden kann, es in dem anderen Fall jedoch auch möglich ist, die Zuleitung wieder von Fluid zu befreien – insbesondere wenn keine weitere Verdampfung mehr erforderlich ist. Für eine möglichst genaue Dosierung wird zudem vorgeschlagen, den Leitungsquerschnitt der Zuleitung unnachgiebig zu machen, das heißt insbesondere, hier während des Betriebsdrucks eine Aufweitung des Durchmessers von höchstens 0,25% zuzulassen.
Des Weiteren wird auch eine Verdampfervorrichtung vorgeschlagen, bei der die zumindest eine Ableitung mit einer Abgasleitung verbindbar ist und einen perforierten Endbereich hat. Damit ist insbesondere gemeint, dass die Ableitung einen Endbereich hat, in dem eine Vielzahl von Öffnungen vorgesehen ist, durch die das Gas auch seitlich zur Ableitung austreten kann. Dieser perforierte Endbereich kann nun in eine Abgasleitung hineinragen, wobei eine gleichmäßige Verteilung des Ammoniak enthaltenden Gases über den Querschnitt der Abgasleitung realisiert ist.
Ganz besonders bevorzugt findet die Erfindung Einsatz bei einem Kraftfahrzeug aufweisend einen Abgase erzeugenden Antrieb und wenigstens eine Abgasleitung. Dabei wird vorgeschlagen, zumindest eine der hier beschriebenen Verdampfervorrichtungen so zu positionieren, dass deren Zuleitung mit einem Vorratsbehälter und einem Fluidförderer zusammenwirkt und deren Ableitung in die Abgasleitung ragt. Als Fluidförderer kommt insbesondere eine Pumpe zum Einsatz.
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Figuren veranschaulichten Ausgestaltungen der Verdampfereinrichtung die Erfindung nicht beschränken sollen. Es zeigen schematisch:
1: in einer dreidimensionalen Explosionsdarstellung eine erste Ausführungsvariante einer Verdampfervorrichtung,
2: eine Draufsicht auf ein unteres, erstes Teil eines Grundkörpers,
3: einen Querschnitt durch das erste Teil des Grundkörpers gemäß 2,
4: ein Detail aus 2, wie dort gekennzeichnet,
5: die Anordnung einer Verdampfervorrichtung in einem Kraftfahrzeug, und
6: eine Ausführungsvariante eines Wabenkörpers.
1 soll schematisch den Aufbau einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Verdampfervorrichtung 1 angeben, wobei der hier zum Einsatz gelangende Grundkörper 2 zur Veranschaulichung aufgeklappt dargestellt ist. Demnach umfasst der Grundkörper 2 ein erstes Teil 28 und ein zweites Teil 29, die für den Betrieb der Verdampfervorrichtung 1 über ihre gemeinsame Trennfläche 27 zusammengefügt werden. Bei dieser zweiteiligen Ausgestaltung des Grundkörpers 2 weist sowohl das erste Teil 28 als auch das zweite Teil 29 jeweils zwei Aufnahmen 30 für je ein Heizelement 5 auf, welches sich über die gesamte Länge in Richtung der Längsachse 39 des Grundkörpers 2 erstreckt. Im rechten Bereich sind noch die elektrischen Anschlüsse für ein, beispielsweise mit PTC-Widerstand (PTC: positive temperature coefficient bzw. so genanntem Kaltleiter), gebildeten Heizelements, veranschaulicht. Ausgehend von der Trennfläche 27 sind im zweiten Teil 29 der obere Bereich eines Reaktorraumes 21 eingearbeitet. Damit wird in diesem zweiten Teil 29 lediglich der Auslaufabschnitt 19 des Kanals 6 mit gebildet.
Der Grundkörper 2 bzw. die Verdampfervorrichtung 1 wird im Wesentlichen entlang der Längsachse 39 in Strömungsrichtung 40 durchströmt. Das zu behandelnde Fluid tritt dabei über eine Zuleitung 3 mit einem vorgegebenen Leitungsquerschnitt 32 in das erste Teil 28 des Grundkörpers 2, der bevorzugt aus Aluminium gefertigt ist, ein. Der Bereich des Kanals 6, der sich über den Einlaufabschnitt 16 erstreckt, ist hier nicht dargestellt, da dieser versetzt zur Trennfläche 27 im Inneren des ersten Teils 28 ausgebildet ist. Erst im Bereich des Verdampfungsabschnitts 7 wird der Kanal 6 hin zur Trennfläche 27 geführt, wo er letztendlich einen mäanderförmigen Verlauf innerhalb einer Verdampferebene 14 ausführt. Im Anschluss an diesen Verdampfungsabschnitt 7 weist der Kanal 6 eine Aufweitung 20 auf, die den Übergang hin in den Auslaufabschnitt 19 realisiert. Diese Aufweitung 20 mündet in den Reaktorraum 21, in dem hier ein, von einer thermischen Isolierung 26 umgebener, Wabenkörper 22 nach Art eines Hydrolyse-Katalysator- Trägerkörpers eingearbeitet bzw. positioniert ist. Daran anschließend ist die Ableitung 4 angedeutet, die einen perforierten Endbereich 34 aufweist.
2 zeigt eine Draufsicht auf die Trennfläche 27 des ersten Teiles 28. Die Kanalführung orientiert sich im Wesentlichen entlang der Längsachse 39, wobei der Kanal 6 erst im mittleren Bereich an die Trennfläche 27 geführt wird. Dort führt der Kanal 6 einen mäanderförmigen Verlauf 8 aus, wobei in den einzelnen Umlenkungen jeweils eine Erweiterung 11 vorgesehen ist. Nachdem nunmehr der Kanal 6 mehrfach über die Längsachse 39 hinweggeführt wird, beispielsweise acht oder zehn Mal, wird er wieder zentrisch zur Längsachse 39 geführt und erfährt dann eine Kanalquerschnittserweiterung hin zur Aufweitung 20, die letztendlich in den Reaktorraum 21 übergeht.
Dies wird noch einmal im Querschnitt, wie er in 3 dargestellt ist, deutlich. Hierbei ist auch zu erkennen, dass der Kanal 6 im Bereich des Einlaufabschnittes 16 nach Art einer Bohrung ausgeführt ist, so dass die Kanalwand 15 ausschließlich vom ersten Teil 28 gebildet ist. Benachbart zu diesem Kanal im Bereich des Einlaufabschnittes 16 ist auch eine Kühlvorrichtung 17, z. B. nach Art eines Peltier-Elementes, zur Einstellung eines so gewünschten Temperaturniveaus, vorgesehen. Im Bereich des Übergangs zur (hier nicht dargestellten) Zuleitung ist zudem eine galvanische Trennung 18 vorgesehen. Beim Verlassen des Einlaufabschnittes 16 wird der Kanal 6 hin zur Trennfläche 17 geführt, wobei der Kanal 6 dort in die Trennfläche 27 eingearbeitet ist, insbesondere eingefräst. Somit wird in die Kanalwand 15 in diesem Verdampfungsabschnitt 7 von beiden Teilen des Grundkörpers 2 gebildet.
4 veranschaulicht nun im Detail den mäanderförmigen Verlauf 8 des Kanals 6 im Verdampfungsabschnitt 7. Der Kanal 6 weist einen überwiegend gleichbleibenden Kanalquerschnitt 12 auf. Dies betrifft insbesondere die geraden Verlaufs bereiche 9, die wiederholt von gekrümmten Verlaufsbereichen 10 unterbrochen sind. In den gekrümmten Verlaufsbereichen 10 ist in Verlängerung zu dem vorangegangenem geraden Verlaufsbereich 9 eine Erweiterung 11 vorgesehen. Dies ermöglicht es, über eine relativ kurze Kanalabschnittslänge 13 eine vollständige Verdampfung zu bewirken. Zusätzlich kann die Kanalwand 15 mit einer vorgegebenen Oberflächenrauhigkeit bereitgestellt werden, die die Verdampfung weiter unterstützt. Teil der Kanalwand 15 können auch hydrolytische Beschichtungen sein, beispielsweise Aluminiumoxid.
5 veranschaulicht schematisch eine mögliche Einsatzvariante der Verdampfervorrichtung 1. Beim Kraftfahrzeug 35 ist ein Antrieb 26 vorgesehen, beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine (insbesondere ein Dieselmotor), dessen Abgas über eine Abgasleitung 13 an die Umgebung weitergeleitet wird. Hier wird nun vorgeschlagen, dass beispielsweise wässrige Harnstofflösung in einem Vorratsbehälter 37 bevorratet und auf Bedarf mittels eines Fluidförderers 38, beispielsweise nach Art einer Pumpe 31, der Verdampfervorrichtung 1 über die Zuleitung 3 zugeführt wird. Nach dem Verdampfen und der „internen" Hydrolyse wird das Ammoniakgas über die Ableitung 4, die bevorzugt in einem bevorzugten Endbereich hat, in die Abgasleitung 33 eingeführt. Das Ammoniakgas kann sich nun mit dem Abgas vermengen, wobei gegebenenfalls noch Mischelemente vorgesehen werden können. Dieses Stoffgemisch trifft dann auf einen katalytischen Konverter 21, beispielsweise einen so genannten SCR-Katalysator, so dass dort die Stickoxide wirksam und signifikant umgesetzt werden können.
Gerade für den Fall, dass Teil der Verdampfervorrichtung 1 auch einen Hydrolyse-Katalysator umfassen soll, bietet sich die Integration eines, insbesondere metallischen, Wabenkörpers an. Ein solcher Wabenkörper 22 ist in 6 beispielhaft veranschaulicht. Der Wabenkörper 22 kann mit einer Mehrzahl glatter Blechfolien 23 und strukturierter Blechfolien 24 gebildet sein, die für das zu behandelnde Flu id durchströmbare Strömungspfade 25 bildet. In diesen Strömungspfaden 25 kann dann der Hydrolyse-Katalysator z. B. nach Art einer Oberflächenbeschichtung positioniert sein. Dabei ist einerseits möglich eine separate Beschichtung vorzusehen, es ist jedoch auch möglich, beispielsweise wenn die Blechfolien im wesentlichen Anteil Aluminium umfassen, damit selbst generiertes Oxid zur Umwandlung bzw. Hydrolyse einzusetzen. Der Wabenkörper 22 kann zusätzlich von einer thermischen Isolierung 26 umgeben sein.

1: Verdampfervorrichtung
2: Grundkörper
3: Zuleitung
4: Ableitung
5: Heizelement
6: Kanal
7: Verdampfungsabschnitt
8: Verlauf
9: gerader Verlaufsbereich
10: gekrümmter Verlaufsbereich
11: Erweiterung
12: Kanalquerschnitt
13: Kanalabschnittslänge
14: Verdampferebene
15: Kanalwand
16: Einlaufabschnitt
17: Kühlvorrichtung
18: galvanische Trennung
19: Auslaufabschnitt
20: Aufweitung
21: Reaktorraum
22: Wabenkörper
23: glatte Blechfolie
24: strukturierte Blechfolie
25: Strömungspfad
26: thermische Isolierung
27: Trennfläche
28: erstes Teil
29: zweites Teil
30: Aufnahme
31: Pumpe
32: Leitungsquerschnitt
33: Abgasleitung
34: Endbereich
35: Kraftfahrzeug
36: Antrieb
37: Vorratsbehälter
38: Fluidförderer
39: Längsachse
40: Strömungsrichtung
41: Konverter

Claims

Verdampfervorrichtung (1) umfassend einen Grundkörper (2) mit zumindest einer Zuleitung (3) und zumindest einer Ableitung (4), in dem wenigstens ein Heizelement (5) und wenigstens ein Kanal (6) zur Verbindung der Zuleitung (3) mit der Ableitung (4) vorgesehen ist, wobei das wenigstens eine Heizelement (5) mit einem Verdampfungsabschnitt (7) des wenigstens einen Kanals (6) in wärmeleitendem Kontakt ist und der wenigstens eine Kanal (6) in diesem Verdampfungsabschnitt (7) einen mäanderförmigen Verlauf (8) aufweist.
Verdampfervorrichtung (1) nach Patentanspruch 1, bei der der wenigstens eine Kanal (6) in dem Verdampfungsabschnitt (7) zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: 2.1 mehrere abwechselnd gerade Verlaufsbereiche (9) und gekrümmte Verlaufsbereiche (10), 2.2 gekrümmte Verlaufsbereiche (10) mit einer Erweiterung (11) eines Kanalquerschnittes (12), 2.3 eine Kanalabschnittslänge (13) von 300 bis 1.000 Millimeter, 2.4 einen mittleren Kanalquerschnitt (12) von 0,2 bis 10 Quadratmillimeter, 2.5 verschieden gekrümmte Verlaufsbereiche (10), 2.6 mehrere gekrümmte Verlaufsbereiche (10) mit einer Krümmung von mindestens 90°, 2.7 eine Anordnung in einer Verdampferebene (14) des Grundkörpers (2), 2.8 eine Aluminium aufweisende Kanalwand (15), 2.9 eine Kanalwand (15) mit einer gemittelten Rauhtiefe Rz im Bereich von 2 Mikrometer bis 50 Mikrometer, 2.10 eine hydrolytisch aktive Kanalwand (15).
Verdampfervorrichtung (1) nach Patentanspruch 1 oder 2, bei der der wenigstens eine Kanal (6) zwischen der zumindest einen Zuleitung (3) und dem Verdampfungsabschnitt (7) ein Einlaufabschnitt (16) bildet, der zum Verdampfungsabschnitt (7) versetzt angeordnet ist.
Verdampfervorrichtung (1) nach Patentanspruch 3, bei der der wenigstens eine Kanal (6) in dem Einlaufabschnitt (16) zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: 4.1 eine gegenüber einer Verdampferebene (14) des Grundkörpers (2) versetzte Lage, 4.2 einen mittleren Kanalquerschnitt (12) von 0,2 bis 30 Quadratmillimeter, 4.3 eine Kühlvorrichtung (17), 4.4 eine galvanische Trennung (18).
Verdampfervorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei der der wenigstens eine Kanal (6) zwischen dem Verdampfungsabschnitt (7) und der zumindest einen Ableitung (4) einen Auslaufabschnitt (19) bildet, der eine Aufweitung (20) des Kanalquerschnittes (12) umfasst.
Verdampfervorrichtung (1) nach Patentanspruch 5, bei der der wenigstens eine Kanal (6) in dem Auslaufabschnitt (19) zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: 6.1 zumindest einen hydrolytisch aktiven Reaktorraum (21), 6.2 zumindest einen Wabenkörper (22), der mit Aluminium aufweisenden Blechfolien (23, 24) eine Vielzahl von Strömungspfaden (25) bildet, 6.3 eine Aufweitung (20) in Form eines Konus zwischen dem Verdampfungsabschnitt (7) und einem hydrolytisch aktiven Reaktorraum (21), 6.4 eine thermische Isolierung (26) gegenüber dem wenigstens einen Heizelement (5).
Verdampfervorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei der der Grundkörper (2) zumindest eines der folgenden Merkmale aufweist: 7.1 mit Aluminium als Material gebildet, 7.2 einen zweiteiligen Aufbau mit einer zentralen Verdampferebene (14), 7.3 zumindest der Verdampfungsabschnitt (7) des wenigstens einen Kanals (6) ist in eine Trennfläche (27) des Grundkörpers (2) eingearbeitet, 7.4 der Einlaufabschnitt (16) des wenigstens einen Kanals (6) ist in nur ein erstes Teil (28) eines zweiteiligen Grundkörpers (2) eingebracht, 7.5 eine Mehrzahl Aufnahmen (30) für jeweils wenigstens ein Heizelement (5).
Verdampfervorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei der die zumindest eine Zuleitung (3) mit einer Pumpe (31) verbunden ist und einen unnachgiebigen Leitungsquerschnitt (32) aufweist.
Verdampfervorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Patentansprüche, bei der die zumindest eine Ableitung (4) mit einer Abgasleitung (33) verbindbar ist und einen perforierten Endbereich (34) hat.
Kraftfahrzeug (35) aufweisend einen Abgase erzeugenden Antrieb (36) und wenigstens eine Abgasleitung (33), wobei zumindest eine Verdampfervorrichtung (1) gemäß einem der vorstehenden Patentansprüche vorgesehen ist, deren Zuleitung (3) mit einem Vorratsbehälter (37) und einem Fluidförderer (38) zusammenwirkt und deren Ableitung (4) in die Abgasleitung (33) ragt.