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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät und ein Verfahren zum Regenerieren eines Verdampferelements in einem solchen Heizgerät.
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In mobilen, mit flüssigem Brennstoff betriebenen Heizgeräten kommen häufig Verdampferbrenner zum Einsatz, bei denen der flüssige Brennstoff verdampft wird, der verdampfte Brennstoff mit zugeführter Brennluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch vermischt und anschließend unter Freisetzung von Wärme umgesetzt wird.
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Unter einem „mobilen Heizgerät“ wird im vorliegenden Kontext ein Heizgerät verstanden, das für den Einsatz in mobilen Anwendungen ausgelegt und dementsprechend angepasst ist. Dies bedeutet insbesondere, dass es transportabel ist (ggf. in einem Fahrzeug fest eingebaut oder lediglich für den Transport darin untergebracht) und nicht ausschließlich für einen dauerhaften, stationären Einsatz, wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der Fall ist, ausgelegt ist. Dabei kann das mobile Heizgerät auch fest in einem Fahrzeug (Landfahrzeug, Schiff, etc.), insbesondere in einem Landfahrzeug, installiert sein. Insbesondere kann es zur Beheizung eines Fahrzeug-Innenraums, wie beispielsweise eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, sowie eines teiloffenen Raumes, wie er beispielsweise auf Schiffen, insbesondere Yachten, aufzufinden ist, ausgelegt sein. Das mobile Heizgerät kann auch vorübergehend stationär eingesetzt werden, wie beispielsweise in großen Zelten, Containern (zum Beispiel Baucontainern), etc. Insbesondere kann das mobile Heizgerät als Stand- oder Zuheizer für ein Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil, einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt sein.
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Bei mobilen Heizgeräten mit einem Verdampferbrenner tritt das Problem auf, dass sich im Laufe der Zeit Ablagerungen in dem aus einem porösen, saugfähigen Material gebildeten Verdampferelement bilden können, an dem und in dem die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs erfolgt. Die Ablagerungen werden dabei unter anderem durch schwersiedende Anteile in dem verwendeten flüssigen Brennstoff bedingt und führen zu einer unerwünschten Verschlechterung des Verdampfungs- und Brennverhaltens des Heizgeräts. Bei mobilen Heizgeräten, bei denen eine funktionale und räumliche Trennung eines Gemischaufbereitungsbereichs, in dem eine Verdampfung des Brennstoffs und eine Erzeugung eines gasförmigen Brennstoff-Luft-Gemischs erfolgen, und einem diesem strömungstechnisch nachgeordneten Umsetzungsbereich, in dem eine Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs unter Freisetzung von Wärme erfolgt, realisiert ist, ist dabei zwar grundsätzlich eine Neigung zur Bildung von Ablagerungen verringert, aber es erfolgt andererseits auch kein wirksamer Abbau von gebildeten Ablagerungen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät und ein Verfahren zum Regenerieren eines Verdampferelements in einem solchen Heizgerät bereitzustellen, mit denen durch die Bildung von Ablagerungen verursachte Probleme verringert werden können.
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Die Aufgabe wird durch ein mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgerät nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Heizgerät weist einen Gemischaufbereitungsbereich zum Mischen von Brennstoff mit Brennluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, eine Brennstoffzuführung mit einer Brennstofffördervorrichtung zum Zuführen flüssigen Brennstoffs zu dem Gemischaufbereitungsbereich, eine Brennluftzuführung mit einer Brennluftfördervorrichtung zum Zuführen von Brennluft zu dem Gemischaufbereitungsbereich, ein poröses, saugfähiges Verdampferelement zum Verdampfen des flüssigen Brennstoffs, einen dem Gemischaufbereitungsbereich strömungstechnisch nachgeordneten Umsetzungsbereich zum Umsetzen des Brennstoff-Luft-Gemischs unter Freisetzung von Wärme und eine Steuerung zum Ansteuern des Betriebs des Heizgeräts auf. Die Steuerung ist dazu ausgebildet, das Heizgerät in einen Regenerationsbetrieb zu versetzen, bei dem das Verdampferelement durch erhöhte Wärmezufuhr ausgeheizt wird, um gebildete Ablagerungen abzubauen.
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Unter einem Gemischaufbereitungsbereich ist dabei ein Bereich des Heizgeräts zu verstehen, in dem im normalen Heizbetrieb eine Durchmischung von verdampftem Brennstoff mit Brennluft erfolgt, aber keine Flamme ausgebildet ist. In dem Gemischaufbereitungsbereich kann eine vorteilhafte Aufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemisches vor dessen Umsetzung in dem Umsetzungsbereich erfolgen. Der Umsetzungsbereich kann dabei z.B. derart ausgebildet sein, dass eine Umsetzung in einer flammenden Verbrennung erfolgt, oder aber z.B. auch derart, dass eine Umsetzung in einer teil- oder vollkatalytischen Reaktion erfolgt. Durch den Regenerationsbetrieb, bei dem das Verdampferelement durch erhöhte Wärmezufuhr ausgeheizt wird, können etwaige gebildete Ablagerungen zuverlässig abgebaut oder zumindest reduziert werden, sodass die Lebensdauer des Heizgeräts signifikant erhöht wird.
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Gemäß einer Weiterbildung ist in dem Gemischaufbereitungsbereich ein Axialkörper angeordnet, der sich entlang einer Längsachse des Gemischaufbereitungsbereichs beabstandet von einer Seitenwand erstreckt. In diesem Fall sind bei der räumlichen und funktionalen Trennung des Gemischaufbereitungsbereichs und des Umsetzungsbereichs eine zuverlässige Brennstoffverdampfung und Aufbereitung des Brennstoff-Luft-Gemischs ermöglicht.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Verdampferelement an einer Außenumfangsfläche des Axialkörpers angeordnet. In diesem Fall ist eine besonders vorteilhafte und zuverlässige Brennstoffverdampfung ermöglicht. Das Verdampferelement kann dabei z.B. die gesamte Außenumfangsfläche des Axialkörpers bedecken oder sich z.B. auch nur über einen Teil der axialen Länge des Axialkörpers erstrecken. Mit dieser Anordnung des Verdampferelements wird ferner bereits eine signifikant reduzierte Neigung zur Ablagerungsbildung erreicht.
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Gemäß einer Weiterbildung ist an dem Axialkörper ein elektrisches Heizelement angeordnet. In diesem Fall kann die Brennstoffverdampfung insbesondere bei einem Start des Heizgeräts durch einen Betrieb des elektrischen Heizelements unterstützt werden und das elektrische Heizelement kann auch dazu genutzt werden, das Verdampferelement zur Regeneration auszuheizen. Das elektrische Heizelement kann dabei insbesondere in dem Axialkörper angeordnet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung ist in wärmeleitendem Kontakt mit dem Verdampferelement ein elektrisches Heizelement angeordnet und die Steuerung aktiviert im Regenerationsbetrieb das elektrische Heizelement zum aktiven Ausheizen des Verdampferelements. In diesem Fall kann der Regenerationsbetrieb in besonders einfacher Weise durch Aktivieren des elektrischen Heizelements gestartet werden. Der Start des Regenerationsbetriebs kann z.B. auch von verschiedenen weiteren Rahmenbedingungen abhängig gemacht werden. Insbesondere kann z.B. der Regerationsbetrieb nur während eines regulären Heizbetriebs des Heizgeräts ermöglicht werden, nur außerhalb des regulären Heizbetriebs des Heizgeräts oder sowohl während als auch außerhalb des regulären Heizbetriebs. Es kann z.B. auch vorgesehen sein, dass der Regenerationsbetrieb nur bei ausreichender zur Verfügung stehender elektrischer Leistung gestartet wird, insbesondere kann der Regenerationsbetrieb z.B. davon abhängig gemacht werden, ob sich ein elektrischer Generator, der insbesondere durch eine Lichtmaschine eines Fahrzeugs gebildet sein kann, in Betrieb befindet. Die Steuerung kann dabei z.B. derart ausgebildet sein, dass der Betrieb des Generators über einen speziellen Signaleingang erfasst wird, oder z.B. dazu ausgebildet sein, aus der anliegenden Versorgungsspannung auf den Betriebszustand des Generators zu schließen. Letzteres ist insbesondere deshalb möglich, weil das Spannungsniveau der Versorgungsspannung in einem Fahrzeug bei einem Betrieb des Generators üblicherweise höher ist als bei ausschließlichem Anliegen einer Batteriespannung.
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Gemäß einer Weiterbildung wird das elektrische Heizelement im Regenerationsbetrieb aufgeheizt, sodass sich im Verdampferelement eine Temperatur von zumindest 480 °C, bevorzugt von zumindest 500 °C, einstellt. Mit einem derart hohen Temperaturniveau wird eine zuverlässige Regeneration des Verdampferelements ermöglicht. Ferner kann in diesem Fall eine handelsübliche Heizpatrone als elektrisches Heizelement zum Einsatz kommen, die es ohne weiteres ermöglicht, an der Kontaktfläche zu dem Verdampferelement ausreichend hohe Temperaturen bereitzustellen. Solche Temperaturen liegen deutlich oberhalb den für eine Unterstützung der Brennstoffverdampfung erforderlichen Temperaturen.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Steuerung dazu ausgebildet, im Regenerationsbetrieb eine Förderrate der Brennluftfördervorrichtung derart herabzusetzen, dass ein Rückbrennen einer Flamme aus dem Umsetzungsbereich in den Gemischaufbereitungsbereich ermöglicht ist. Insbesondere bei einer funktionalen und räumlichen Trennung des Gemischaufbereitungsbereichs und des Umsetzungsbereichs, bei der im normalen Betrieb des Heizgeräts ein Rückschlagen der Flamme aus dem Umsetzungsbereich in den Gemischaufbereitungsbereich aufgrund der herrschenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten stromaufwärts des Umsetzungsbereichs verhindert ist, kann der Regenerationsbetrieb in diesem Fall besonders einfach realisiert werden. Durch das Herabsetzen der Förderrate der Brennluftfördervorrichtung können die Strömungsgeschwindigkeiten in einfacher Weise soweit herabgesetzt werden, dass sich auch in dem Gemischaufbereitungsbereich eine Flamme ausbilden kann. Es können an dem Verdampferelement eine hohe Temperatur und eine oxidierende Umgebung bereitgestellt werden und somit günstige Bedingungen für einen Abbau von Koksrückständen und Ablagerungen. Bei einem üblicherweise als Brennluftfördervorrichtung zum Einsatz kommendem Gebläse kann die Verringerung der Förderrate z.B. durch eine Verringerung der Gebläsedrehzahl bewirkt werden. Bevorzugt ist die Steuerung derart ausgebildet, dass sie im Regenerationsbetrieb auch eine Förderrate der Brennstofffördervorrichtung herabsetzt. In diesem Fall kann der Regenerationsbetrieb in einfacher Weise dadurch gestartet werden, dass das Heizgerät mit einer Heizleistung betrieben wird, die unterhalb von der im normalen Heizbetrieb minimal zulässigen Heizleistung liegt.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Regenerieren eines Verdampferelements in einem mobilen, mit flüssigem Brennstoff betriebenen Heizgerät nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Das Verfahren kommt in einem Heizgerät zum Einsatz, das einen Gemischaufbereitungsbereich zum Mischen von Brennstoff mit Brennluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch, ein in dem Gemischaufbereitungsbereich angeordnetes poröses, saugfähiges Verdampferelement zum Verdampfen von Brennstoff, eine Brennstoffzuführung zum Zuführen von Brennstoff zu dem Verdampferelement, eine Brennluftzuführung zum Zuführen von Brennluft zu dem Gemischaufbereitungsbereich und einen dem Gemischaufbereitungsbereich strömungstechnisch nachgeordneten Umsetzungsbereich zum Umsetzen des Brennstoff-Luft-Gemischs unter Freisetzung von Wärme aufweist, und weist den Schritt auf: Regenerieren des Verdampferelements durch Ausheizen unter erhöhter Wärmezufuhr, um gebildete Ablagerungen abzubauen. Durch das Regenerieren des Verdampferelements durch Ausheizen unter erhöhter Wärmezufuhr kann einer Verschlechterung des Verdampfungsprozesses durch Ablagerungen zuverlässig entgegengewirkt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung erfolgt bei dem Regenerieren ein Beheizen des Verdampferelements mit einem in wärmeleitendem Kontakt mit dem Verdampferelement angeordneten elektrischen Heizelement. In diesem Fall kann das Verdampferelement in sehr einfacher Weise regeneriert werden. Insbesondere kann in diesem Fall z.B. ein elektrisches Heizelement für das Regenerieren genutzt werden, dass auch zur Unterstützung des Verdampfungsprozesses insbesondere bei einem Start des Heizbetriebs zum Einsatz kommt.
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Gemäß einer Weiterbildung wird das elektrische Heizelement aufgeheizt, sodass sich im Verdampferelement eine Temperatur von zumindest 480 °C, bevorzugt von zumindest 500 °C, einstellt. Mit diesen hohen Temperaturen, die deutlich oberhalb von den zu einer Unterstützung des Verdampfungsprozesses erforderlichen Temperaturen liegen, können unerwünschte Ablagerungen zuverlässig vermindert werden. Ferner können diese Temperaturen auch mit einer handelsüblichen Heizpatrone bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist das Verdampferelement an einer Außenumfangsfläche eines sich entlang einer Längsachse des Gemischaufbereitungsbereichs beabstandet von einer Seitenwand erstreckenden Axialkörpers angeordnet und das Ausheizen erfolgt mit einem an dem Axialkörper angeordneten elektrischen Heizelement. In diesem Fall ist eine konstruktiv besonders vorteilhafte Realisierung ermöglicht und das elektrische Heizelement kann neben dem Betrieb zur Regeneration des Verdampferelements auch zur Unterstützung des Verdampfungsprozess insbesondere bei einem Start des Heizbetriebs genutzt werden. Insbesondere kann das elektrische Heizelement in dem Axialkörper angeordnet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung wird bei dem Regenerieren des Verdampferelements eine Förderrate einer Brennluftfördervorrichtung zum Fördern von Brennluft derart herabgesetzt, dass eine Flamme aus dem Umsetzungsbereich in den Gemischaufbereitungsbereich zurückbrennt. In diesem Fall wird in unmittelbarer Nähe des Verdampferelements in dem Gemischaufbereitungsbereich, in dem aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Heizgeräts im normalen Heizbetrieb eine Ausbildung einer Flamme verhindert ist, durch die zum Regenerieren absichtlich zugelassene Flamme eine oxidierende Umgebung bei hohen Temperaturen bereitgestellt, wodurch Ablagerungen und Koksrückstände zuverlässig verringert werden können. Bevorzugt wird bei dem Regenerieren des Verdampferelements auch eine Förderrate einer Brennstofffördervorrichtung herabgesetzt, sodass das Heizgerät zum Regenerieren des Verdampferelements in einfacher Weise in einer Heizleistungsstufe betrieben werden kann, die unterhalb von den im normalen Heizbetrieb ermöglichten Heizleistungsstufen liegt.
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Weitere Vorteile und Weiterbildungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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1 ist eine schematische Darstellung eines mobilen, mit flüssigem Brennstoff betriebenen Heizgeräts.
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Ein mobiles, mit flüssigem Brennstoff betriebenes Heizgeräts 1 wird im Folgenden unter Bezug auf 1 beschrieben. Dabei wird zunächst allgemein die Ausgestaltung beschrieben und im Anschluss daran werden zwei konkrete Ausführungsformen eines Regenerationsbetriebs für ein Verdampferelement des Heizgeräts 1 beschrieben.
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Das mobile, mit flüssigem Brennstoff betriebene Heizgerät 1 ist als Fahrzeugheizgerät ausgebildet, wie es insbesondere in einer Standheizung oder Zusatzheizung eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt. Das Heizgerät 1 kann dabei insbesondere dazu ausgebildet sein, mit einem flüssigen Brennstoff betrieben zu werden, der auch als Kraftstoff zum Betreiben eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs genutzt wird, wie insbesondere Diesel, Benzin, Ethanol oder Ähnlichem.
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Das Heizgerät 1 weist einen Gemischaufbereitungsbereich 2 auf, in dem im Betrieb eine Verdampfung des flüssigen Brennstoffs und eine Durchmischung des verdampften Brennstoffs mit zugeführter Brennluft zu einem Brennstoff-Luft-Gemisch erfolgen, wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird. Der Gemischaufbereitungsbereich 2 ist dabei konstruktiv derart ausgelegt, dass sich aufgrund der herrschenden Strömungsgeschwindigkeiten in dem Gemischaufbereitungsbereich 2 im normalen Heizbetrieb des Heizgeräts 1 keine Flamme ausbildet. Das Heizgerät 1 weist ferner einen dem Gemischaufbereitungsbereich 2 strömungstechnisch nachgeordneten Umsetzungsbereich 3 auf, in dem im Betrieb des Heizgeräts 1 eine Umsetzung des Brennstoff-Luft-Gemischs erfolgt. Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel erfolgt die Umsetzung beispielsweise in einer flammenden Verbrennung.
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Die bei der Umsetzung in dem Umsetzungsbereich 3 entstehenden heißen Verbrennungsabgase A strömen in einer Hauptströmungsrichtung H durch ein an den Umsetzungsbereich 3 anschließendes Brennrohr 4 in einen Wärmetauscher 5 ein. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 5 im Wesentlichen topfartig ausgebildet und die heißen Verbrennungsabgase A werden an einem Boden des Wärmetauschers 5 in einen Strömungsraum umgeleitet, der zwischen einem Innenmantel des Wärmetauschers 5 und einer Außenseite des Brennrohres 4 sowie des Umsetzungsbereichs 3 gebildet ist. In dem Wärmetauscher 5 wird zumindest ein Teil der freigesetzten Wärme auf ein zu erwärmendes Medium M übertragen, das in einem weiteren Strömungsraum strömt, der zwischen dem Innenmantel des Wärmetauschers 5 und einem Außenmantel des Wärmetauschers 5 gebildet ist. Das zu erwärmende Medium M kann dabei insbesondere durch zu erwärmende Luft, insbesondere für einen Innenraum eines Fahrzeugs, oder durch eine Kühlflüssigkeit in einem Kühlflüssigkeitskreislauf eines Fahrzeugs gebildet sein. Bei der Ausführungsform strömt das zu erwärmende Medium M in dem Wärmetauscher 5 entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung der heißen Verbrennungsabgase A, was im Hinblick auf einen möglichst guten Wärmeübergang vorteilhaft ist. Es ist jedoch z.B. auch eine Ausgestaltung möglich, bei der das zu erwärmende Medium M gleichgerichtet mit den heißen Verbrennungsabgasen A durch den Wärmetauscher 5 strömt. Zumindest der Innenmantel des Wärmetauschers 5 ist aus einem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit gebildet, um eine möglichst hohe Wärmeübertragung auf das zu erwärmende Medium zu erreichen. Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 5 werden die Verbrennungsabgase A an einem Abgasauslass 6 abgeführt.
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Im Folgenden wird die Ausgestaltung des Gemischaufbereitungsbereichs 2 und des Umsetzungsbereichs 3 bei der Ausführungsform eingehender beschrieben. Der Gemischaufbereitungsbereich 2 und der Umsetzungsbereich 3 sind bei der Ausführungsform sowohl funktional als auch räumlich getrennt ausgebildet und erstrecken sich hintereinander im Wesentlichen entlang einer Längsachse L. Der Gemischaufbereitungsbereich 2 und der Umsetzungsbereich 3 sind bei der Ausführungsform im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse L ausgebildet, es ist jedoch auch eine abweichende Ausgestaltung möglich.
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Bei der Ausführungsform weist der Gemischaufbereitungsbereich 2 mehrere Abschnitte auf, die in der Hauptströmungsrichtung H aneinander anschließen. Der Gemischaufbereitungsbereich 2 weist einen ersten Abschnitt 21 mit einem im Wesentlichen konstanten Querschnitt auf. An den ersten Abschnitt 21 schließt sich ein Verjüngungsabschnitt 22 an, dessen Querschnitt sich in der Hauptströmungsrichtung H zunehmend verjüngt. Bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verjüngungsabschnitt 22 im Wesentlichen konisch verjüngend ausgebildet, was eine besonders vorteilhafte Strömungsführung ermöglicht, es sind jedoch auch davon abweichende Ausgestaltungen möglich. Der Verjüngungsabschnitt 22 geht in einen Übergangsabschnitt 23 über, der einen Übergang zu dem Umsetzungsbereich 3 bildet. Der Übergangsabschnitt 23 weist bei dem in 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt über seine axiale Erstreckung auf.
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An dem Übergang von dem Übergangsabschnitt 23 zu dem Umsetzungsbereich 3 ist eine Aufweitung des Strömungsquerschnitts ausgebildet, an der sich der zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt stark aufweitet. Bei der in 1 schematisch dargestellten Ausführungsform weitet sich der Strömungsquerschnitt dabei sprunghaft auf, es ist jedoch auch eine kontinuierliche Aufweitung mit einem ausreichend großen Öffnungswinkel möglich.
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In dem Gemischaufbereitungsbereich 2 ist ein Axialkörper 7 angeordnet, der sich ausgehend von einer den Gemischaufbereitungsbereich 2 rückseitig verschließenden Stirnseite im Wesentlich in axialer Richtung und beabstandet von der Seitenwand des Gemischaufbereitungsbereichs 2 erstreckt. Der Axialkörper 7 ist im Wesentlichen stabförmig ausgebildet und kann z.B. insbesondere eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweisen. Der Axialkörper 7 kann bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere aus Metall gebildet sein. Der Axialkörper 7 erstreckt sich entlang der Längsachse L durch den ersten Abschnitt 21, den Verjüngungsabschnitt 22 und zumindest bis in den Übergangsabschnitt 23 des Gemischaufbereitungsbereichs 2.
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An einer Außenumfangsoberfläche des Axialkörpers 7 ist ein Verdampferelement 9 aus einem porösen, saugfähigen Material angeordnet. Das Verdampferelement 9 kann insbesondere ein Metallvlies, ein Metallgewebe, ein Sintermetall und/oder eine Sinterkeramik aufweisen. Bei dem Ausführungsbeispiel umfasst das Verdampferelement 9 den Axialkörper 7 und erstreckt sich über die gesamte axiale Länge des Axialkörpers 7. Es sind jedoch auch Abwandlungen möglich, bei denen sich das Verdampferelement 9 nicht über den gesamten Umfang und/oder nicht über die gesamte Länge des Axialkörpers 7 erstreckt. Das Verdampferelement 9 ist dabei gut wärmeleitend an den Axialkörper 7 angekoppelt.
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Bei der Ausführungsform ist in dem Axialkörper 7 ein elektrisches Heizelement 8 angeordnet. Das elektrische Heizelement 8 kann dabei z.B. durch eine Heizpatrone gebildet sein, die es ermöglicht so stark aufgeheizt zu werden, sodass sich im Verdampferelement eine Temperatur von zumindest 480 °C, bevorzugt von zumindest 500 °C, einstellt. Das elektrische Heizelement 8 ist dabei gut wärmeleitend an das Material des Axialkörpers 7 angekoppelt.
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Es ist ferner eine Brennstoffzuführung 10 zum Zuführen von flüssigem Brennstoff vorgesehen, die in dem Gemischaufbereitungsbereich 2 mündet. Die Brennstoffzuführung 10 mündet an der Stirnseite des Gemischaufbereitungsbereichs 2 und an der Mündung befindet sich das Verdampferelement 9, sodass der zugeführte flüssige Brennstoff an das Verdampferelement 9 übergeben wird. Aufgrund der Porosität und Saugfähigkeit des Verdampferelements 9 verteilt sich der Brennstoff in dem Verdampferelement 9 sowohl in der Umfangsrichtung als auch in der axialen Richtung. Die Brennstoffzuführung 10 weist eine (nicht dargestellte) Brennstofffördervorrichtung auf, die z.B. in an sich bekannter Weise durch eine Dosierpumpe, insbesondere eine Hubkolbendosierpumpe, gebildet sein kann. Die Brennstofffördervorrichtung ist dabei dazu ausgebildet, flüssigen Brennstoff mit einer definierten Förderrate zu fördern. Die Brennstofffördervorrichtung ist mit einer Steuerung 20 des Heizgeräts 1 verbunden, mit der die Brennstoffförderrate vorgebbar ist. Die Steuerung 20 kann z.B. über Leitungen mit der Brennstofffördervorrichtung verbunden sein.
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Das Heizgerät 1 ist ferner mit einer in 1 lediglich schematisch dargestellten Brennluftzuführung 11 versehen, mit der Brennluft zu dem Gemischaufbereitungsbereich 2 zuführbar ist. Die Brennluftzuführung weist dabei eine (nicht dargestellte) Brennluftfördervorrichtung auf, die dazu ausgebildet ist, die Brennluft mit einer vorgebbaren Förderrate zu dem Gemischaufbereitungsbereich 2 zuzuführen. Die Brennluftfördervorrichtung kann dabei z.B. in an sich bekannter Weise als ein Gebläse ausgebildet sein. Die Brennluftfördervorrichtung ist mit der Steuerung 20 des Heizgeräts 1 verbunden und kann ebenfalls über diese angesteuert werden. Insbesondere ist eine Förderrate der Brennluftfördervorrichtung durch die Steuerung 20 vorgebbar. Die Brennluftzuführung 11 mündet in dem ersten Abschnitt 21 des Gemischaufbereitungsbereichs 2 und ist derart ausgebildet, dass Brennluft mit einem starken Drall, d.h. mit einer großen tangentialen Strömungskomponente in den Gemischaufbereitungsbereich 2 zuführbar ist. Zu diesem Zweck kann z.B. in der Nähe des Gemischaufbereitungsbereichs 2 stromaufwärts des Gemischaufbereitungsbereichs 2 eine geeignete Luftleitvorrichtung 11a angeordnet sein, die der Brennluft den erforderlichen Drall aufprägt, wie in 1 schematisch dargestellt ist.
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Die Steuerung 20 steuert das Heizgerät 1 derart, dass in einem normalen Heizbetrieb flüssiger Brennstoff mit einer vorgegebenen Förderrate dem Gemischaufbereitungsbereich 2 zugeführt wird. Der zugeführte flüssige Brennstoff verteilt sich in dem Verdampferelement 9. Es wird ferner Brennluft mit einer vorgegebenen Förderrate über die Brennluftzuführung 10 zugeführt. Aufgrund der starken Drallströmung der zugeführten Brennluft umströmt diese die Außenseite des Verdampferelements 9 und es erfolgt eine Durchmischung der zugeführten Brennluft mit dem verdampfenden Brennstoff unter Ausbildung eines Brennstoff-Luft-Gemischs.
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In dem Verjüngungsabschnitt 22 des Gemischaufbereitungsbereichs 2 erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit in der axialen Richtung und das Brennstoff-Luft-Gemisch strömt mit einer derart hohen Strömungsgeschwindigkeit durch den Übergangsabschnitt 23, dass sich in dem Gemischaufbereitungsbereich 2 keine Flamme ausbilden kann. An dem Übergang zu dem Umsetzungsbereich 3 tritt eine starke Aufweitung der rotierenden Strömung des Brennstoff-Luft-Gemischs auf. Die Brennluftzuführung 10 ist bei der Ausführungsform dazu ausgebildet, im normalen Brennbetrieb die Brennluft mit einem derart starken Drall zuzuführen, dass sich in dem Umsetzungsbereich 3 aufgrund der starken Aufweitung des Strömungsquerschnitts ein axialer Rezirkulationsbereich an der Längsachse L ausbildet, in dem sich eine Rückströmung der Gase entgegen der Hauptströmungsrichtung H ausbildet, wie in 1 schematisch durch Pfeile dargestellt ist. In dieser Weise erfolgt in dem Umsetzungsbereich 3 eine Verankerung der Flamme, die einen stabilen Betrieb des Heizgeräts 1 über eine große Bandbreite an unterschiedlichen Heizleistungen ermöglicht.
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Der Axialkörper 7, der aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit gebildet ist, stellt im normalen Heizbetrieb des Heizgeräts 1 einen wohldefinierten Wärmetransport von dem Umsetzungsbereich 3 zu dem Verdampferelement 9 bereit, wodurch eine sehr kontrollierte Verdampfung ermöglicht ist.
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Da die Verdampfung des flüssigen Brennstoffs in dem Gemischaufbereitungsbereich 2 erfolgt, in der sich im normalen Heizbetrieb keine Flamme ausbildet, wird eine besonders homogene Vormischung des Brennstoff-Luft-Gemischs vor dem Eintritt in den Umsetzungsbereich 3 erzielt. Die Ausgestaltung des Gemischaufbereitungsbereichs 2 mit dem Axialkörper 7 und dem an dem Axialkörper 7 angeordneten Verdampferelement 9 bewirkt ferner bereits eine sehr geringe Neigung zur Bildung von Ablagerungen an dem Verdampferelement 9. Trotz dieser sehr vorteilhaften Ausgestaltung kann es aber z.B. in Abhängigkeit von den verwendeten Brennstoffen dennoch im Laufe der Zeit zu einer Bildung von Ablagerungen kommen, die sich negativ auf das Verdampfungsverhalten und Brennverhalten auswirken würden.
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Um diesem Problem entgegenzuwirken, ist die Steuerung 20 des Heizgeräts dazu ausgebildet, von Zeit zu Zeit einen Regenerationsbetrieb zum Regenerieren des Verdampferelements 9 zu starten.
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ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM
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Zunächst wird im Folgenden eine erste Realisierung des Regenerationsbetriebs beschrieben. Wie oben bereits erläutert wurde, ist bei der Ausführungsform in wärmeleitendem Kontakt zu dem Verdampferelement 9 ein elektrisches Heizelement 8 angeordnet. Das elektrische Heizelement 8 ist ebenfalls über (nicht dargestellte) Leitungen mit der Steuerung 20 verbunden und ist über die Steuerung 20 ansteuerbar. Die Steuerung 20 kann dabei insbesondere auch derart ausgebildet sein, dass sie z.B. bei einem Start des Heizbetriebs des Heizgeräts 1 das elektrische Heizelement 8 mit einer relativ niedrigen elektrischen Leistung versorgt, um den Verdampfungsprozess an und in dem Verdampferelement 9 zu unterstützen, wenn noch nicht ausreichend Wärme aus dem Umsetzungsbereich 3 zur Verfügung steht, die über den Axialkörper 7 dem Verdampfungsprozess zugeführt werden kann. Bei einer derartigen Unterstützung des Verdampfungsprozesses wird das elektrische Heizelement 8 allerdings nur auf ein relativ niedriges Temperaturniveau erwärmt.
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Bei der ersten Ausführungsform ist die Steuerung 20 dazu ausgebildet, das Heizgerät 1 von Zeit zu Zeit in einen Regenerationsbetrieb zu versetzen, bei dem das elektrische Heizelement 8 mit einer hohen elektrischen Leistung versorgt wird, um das Verdampferelement 9 durch erhöhte Wärmezufuhr auszuheizen. Dabei wird das elektrische Heizelement 8 auf eine Temperatur von zumindest 600 °C an seiner Oberfläche erhitzt, bevorzugt von zumindest 700 °C, um dem Verdampferelement 9 eine ausreichend hohe Wärmeenergie zuzuführen.
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In dieser Weise wird das Verdampferelement 9 durch die hohen entstehenden Temperaturen ausgeheizt und etwaige in dem Verdampferelement 9 gebildete Ablagerungen können zuverlässig abgebaut oder zumindest verringert werden. Die Ablagerungen werden bei diesem Regenerationsbetrieb somit zumindest teilweise durch Abbauprozesse oder Aufoxidieren entfernt.
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Die Steuerung 20 kann dabei dazu ausgebildet sein, den Regenerationsbetrieb nur während eines laufenden Heizbetriebs, d.h. bei regulärem Verbrennungsprozess in dem Umsetzungsbereich 3, zu starten, den Regenerationsbetrieb nur dann zu starten, wenn kein regulärer Heizbetrieb stattfindet, oder den Regenerationsbetrieb sowohl bei laufendem Heizbetrieb als auch außerhalb des regulären Heizbetriebs zu starten.
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Insbesondere bei einem Starten des Regenerationsbetriebs (auch) außerhalb des regulären Heizbetriebs des Heizgeräts 1 kann die Steuerung 20 dabei dazu ausgebildet sein, auch die Brennluftfördervorrichtung zu aktivieren, um durch erhöhte Sauerstoffzufuhr einen verbesserten Abbau von Ablagerungen zu ermöglichen.
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Die Steuerung 20 kann dabei dazu ausgebildet sein, den Regenerationsbetrieb in regelmäßigen oder unregelmäßigen Intervallen zu starten. Insbesondere kann die Häufigkeit des Regenerationsbetriebs auch in Abhängigkeit von dem zum Einsatz kommenden Brennstoff gewählt werden, da die verschiedenen flüssigen Brennstoffe unterschiedlich stark zur Bildung von Ablagerungen neigen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der ersten Ausführungsform ist die Steuerung 20 dazu ausgebildet, den Regenerationsbetrieb nur dann zu starten, wenn ein elektrischer Generator des Fahrzeugs in Betrieb ist. In dieser Weise kann eine kritische Belastung einer Batterie durch die hohe Leistungsaufnahme des elektrischen Heizelements 8 im Regenerationsbetrieb vermieden werden. Die Steuerung 20 kann dabei z.B. einen speziellen Signaleingang für den Betrieb des Generators aufweisen oder kann z.B. auch aus der anliegenden Versorgungsspannung darauf rückschließen, ob der elektrische Generator in Betrieb ist oder nicht.
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Bei der ersten Ausführungsform kann der Temperaturverlauf im Regenerationsbetrieb z.B. auch zeitlich variierend oder moduliert ausgestaltet werden, um eine möglichst umfassende Regeneration des Verdampferelements 9 resourcenschonend zu ermöglichen und die elektrische Leistungsaufnahme gering zu halten.
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Der Regenerationsbetrieb gemäß der ersten Ausführungsform hat ferner kaum Auswirkungen auf einen währenddessen stattfindenden Heizbetrieb, sodass der Regenerationsbetrieb gemäß der ersten Ausführungsform problemlos auch während des regulären Heizbetriebs des Heizgeräts 1 erfolgen kann.
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ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM
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Eine andere Realisierung des Regenerationsbetriebs gemäß einer zweiten Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben. Es ist dabei zu beachten, dass der Regenerationsbetrieb gemäß der zweiten Ausführungsform dabei anstelle des Regenerationsbetriebs gemäß der ersten Ausführungsform realisiert sein kann oder aber der Regenerationsbetrieb gemäß der zweiten Ausführungsform auch zusätzlich zu dem zuvor beschriebenen Regenerationsbetrieb gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen sein kann.
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In dem Fall, dass der Regenerationsbetrieb gemäß der zweiten Ausführungsform nur anstelle des Regenerationsbetriebs gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen ist, ist es z.B. auch möglich, dass das elektrische Heizelement 8 völlig weggelassen wird.
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Es wurde bereits beschrieben, dass das Heizgerät 1 derart ausgelegt ist, dass verschiedene Heizleistungen über eine relativ große Bandbreite bereitgestellt werden können. Die verschiedenen Heizleistungen entsprechen dabei verschiedenen Werten der Förderrate der Brennstofffördervorrichtung und der Förderrate der Brennluftfördervorrichtung. Das Heizgerät 1 ist dabei, wie beschrieben wurde, konstruktiv derart ausgelegt, dass sich im regulären Heizbetrieb keine Flamme in dem Gemischaufbereitungsbereich 2 ausbilden kann. Dies wird bei dem Heizgerät 1 dadurch erzielt, dass nur Heizleistungen zugelassen werden, bei denen sich eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit in dem Gemischaufbereitungsbereich 2 einstellt, bei der die Flamme aus dem Umsetzungsbereich 3 nicht in den Gemischaufbereitungsbereich 2 rückbrennen kann, da sich dort keine stabile Flamme ausbilden kann.
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Auch bei der zweiten Ausführungsform ist die Steuerung 20 derart ausgebildet, dass sie das Heizgerät von Zeit zu Zeit in einen Regenerationsbetrieb versetzt, bei dem das Verdampferelement 9 durch erhöhte Wärmezufuhr ausgeheizt wird, um gebildete Ablagerungen abzubauen. Bei der zweiten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, dass die in dem Gemischaufbereitungsbereich 2 herrschenden Strömungsgeschwindigkeiten soweit herabgesetzt werden, dass sich auch in dem Gemischaufbereitungsbereich 2 eine stabile Flamme ausbilden kann. Dazu steuert die Steuerung 20 die Brennluftfördervorrichtung derart an, dass die Förderrate der Brennluft unter eine Förderrate abgesenkt wird, die der niedrigsten Heizleistungsstufe im regulären Heizbetrieb entspricht. Bevorzugt ist die Steuerung 20 dabei dazu ausgebildet, entsprechend auch die Förderrate der Brennstofffördervorrichtung abzusenken, um ein gewünschtes Brennstoff-Luft-Verhältnis einzustellen.
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Durch das Verringern der Förderrate der Brennluftfördervorrichtung wird ein Rückbrennen der Flamme in den Gemischaufbereitungsbereich 2 während des Regenerationsbetriebs ermöglicht. Aufgrund der konstruktiven Ausgestaltung des Heizgeräts 1 mit der Brennluftzuführung 11, die die Brennluft mit einem Drall zuführt, bildet sich über dem Verdampferelement 9 ein zylindrischer Flammenteppich aus, der dem Verdampferelement 9 eine stark oxidierende Umgebung und ein hohes Temperaturniveau bereitstellt. In dieser Weise können in dem Verdampferelement 9 gebildete Ablagerungen effizient entfernt bzw. zumindest verringert werden.
