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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Anspruchs 1.
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Um die Temperatur bei einem Verbrennungsvorgang einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs zu senken und um somit einen Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine zu reduzieren und ein Emissionsverhalten der Brennkraftmaschine zu verbessern, kann Wasser in ein Saugrohr oder eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt werden. Bei derartigen Wassereinspritzsystem ist normalerweise ein Wassertank vorgesehen, so dass jederzeit Wasser zur Einspritzung in das Saugrohr oder die Brennkammer der Brennkraftmaschine verfügbar ist. Hierbei wäre es wünschenswert, dass eine Auffüllung des Wassertanks durch den Nutzer nicht notwendig ist oder ein Zeitraum zwischen zwei notwendigen Auffüllungen des Wassertanks möglichst groß ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem Wasser aus dem Abgassystem der Brennkraftmaschine in dem Kraftfahrzeug gewonnen wird.
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Die
DE 102012207903 A1 zeigt beispielsweise eine solche Vorrichtung zur Wassergewinnung aus einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine. Dabei ist ein Kondensator vorgesehen, durch den in einem Abgas der Brennkraftmaschine enthaltener Wasserdampf zu Wasser kondensiert, das anschließend einem Wassertank zugeführt wird und in ein Saugrohr oder eine Brennkammer der Brennkraftmaschine eingespritzt werden kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst wenigstens einen Kondensator und eine erste Kammer mit einem Einströmbereich, durch den ein Abgasstrom einer Brennkraftmaschine einströmbar ist, und mit einem Ausströmbereich durch den der Abgasstrom der Brennkraftmaschine ausströmbar ist. Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung weiterhin ein selektiv für Wasserdampf durchlässiges Trennelement, das in Strömungsrichtung des Abgasstroms zwischen dem Einströmbereich der ersten Kammer und dem Ausströmbereich der ersten Kammer angeordnet ist, wobei das Trennelement die erste Kammer begrenzt und somit einen Innenraum der ersten Kammer von einem Außenbereich der ersten Kammer abtrennt, so dass im Abgasstrom enthaltener Wasserdampf durch das Trennelement von dem Innenraum der ersten Kammer in den Außenbereich der ersten Kammer strömen kann, wobei der Kondensator an der ersten Kammer in Strömungsrichtung des Wasserdampfs durch das Trennelement nach dem Trennelement angeordnet ist, um den von dem Trennelement durchgelassenen Wasserdampf zu kondensieren.
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Vorteile der Erfindung
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Gegenüber dem Stand der Technik weist die Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 den Vorteil auf, dass durch das Trennelement, das selektiv für Wasserdampf durchlässig ist, aus dem Abgasstrom gezielt der Wasserdampf abgetrennt werden kann und nach der Abtrennung kondensiert werden kann. Andere Bestandteile des Abgasstroms, die als Kondensate korrosive Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise anorganische Säuren, die beispielsweise aus der Verbrennung schwefelhaltiger Komponenten und aus der Entstehung von Stickoxiden während der Verbrennung und anschließenden Reaktion mit den im Abgas enthaltenen Wasserdampf entstehen, werden vorteilhaft nicht von dem Trennelement zu dem Kondensator durchgelassen sondern nach dem Einströmen durch den Einströmbereich vorteilhaft an dem Trennelement vorbeigeleitet. Somit trennt das Trennelement vorteilhaft den im Abgasstrom enthaltenen Wasserdampf von anderen Bestandteilen des Abgasstroms, wobei der Wasserdampf, der durch das Trennelement von dem Innenraum der ersten Kammer in den Außenbereich der ersten Kammer gelangt ist, dem Kondensator zugeführt wird.
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Darüber hinaus reduziert sich durch die Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas gegenüber dem Stand der Technik auch die Wärmemenge, die abgeführt werden muss, um flüssiges Wasser zu gewinnen, da der Kondensator im Außenbereich der von Abgas durchströmten ersten Kammer angeordnet und so vorteilhaft wenig von dem durch die erste Kammer fließenden Abgasstrom erwärmt wird. So kann durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas vorteilhaft auch mit begrenzter Kühlleistung Wasser aus dem Abgasstrom kondensiert werden. So kann beispielsweise die Vorrichtung auch besonders kompakt aufgebaut sein.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindungen werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale ermöglicht.
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Besonders vorteilhaft umfasst die Vorrichtung weiterhin wenigstens ein Ventilelement, das in dem Einströmbereich der ersten Kammer angeordnet ist. Durch ein derartiges Ventilelement kann der in die erste Kammer einströmende Abgasstrom vorteilhaft reguliert werden. Beispielsweise kann durch ein Rückschlagventil im Einströmbereich der ersten Kammer der Abgasstrom in die erste Kammer einströmen, allerdings nicht mehr in die entgegengesetzte Richtung wieder ausströmen.
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In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst die erste Kammer wenigstens eine Drossel, die in dem Ausströmbereich der ersten Kammer angeordnet ist. Durch eine Drossel im Ausströmbereich der ersten Kammer kann der Abgasstrom vorteilhaft gedrosselt werden, so dass der Druck in der ersten Kammer in Strömungsrichtung vor der Drossel vorteilhaft erhöht sein kann. Durch einen durch die Drossel erhöhten Druck im Innenraum der ersten Kammer, beispielsweise einen im Vergleich zu einem Druck im Außenbereich der ersten Kammer erhöhten Druck, kann der Wasserdampf vorteilhaft von dem Innenraum der ersten Kammer in den Außenbereich der ersten Kammer gedrückt werden. So kann durch den durch die Drossel vorteilhaft erhöhten Druck in Innenraum der ersten Kammer eine vorteilhaft große Menge an Wasserdampf von dem Innenraum der ersten Kammer in den Außenbereich der ersten Kammer und somit zum Kondensator geleitet werden. Somit kann wiederum die Menge an aus dem Abgasstrom gewonnenen Wasser vorteilhaft erhöht werden. Die Drossel im Ausströmbereich kann vorteilhaft beispielsweise mit einem Rückschlagventil im Einströmbereich der ersten Kammer zusammenwirken, so dass durch das Ventilelement im Einströmbereich der ersten Kammer einströmendes Abgas nur durch die Drossel oder das Trennelement aus der ersten Kammer ausströmen kann, so dass im Innenraum der ersten Kammer ein gegenüber den Außenbereich der ersten Kammer erhöhter Druck entstehen kann und somit Wasserdampf durch das Trennelement in den Außenbereich der ersten Kammer und somit zum Kondensator gedrückt wird.
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Besonders vorteilhaft trennt das Trennelement die erste Kammer von wenigstens einer zweiten Kammer, wobei der Kondensator in der zweiten Kammer angeordnet ist. In der zweiten Kammer kann im Vergleich zur ersten Kammer vorteilhaft geringerer Druck vorherrschen, so dass durch das Druckgefälle zwischen dem Innenraum der ersten Kammer und der zweiten Kammer Wasserdampf vorteilhaft gut und effizient durch das selektiv für Wasserdampf durchlässige Trennelement geführt wird und mittels dem in der zweiten Kammer angeordneten Kondensators zu flüssigem Wasser kondensiert werden kann.
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Es erweist sich als Vorteil, wenn der Kondensator zumindest teilweise durch wenigstens eine innere Oberfläche der zweiten Kammer gebildet ist. Ein derart ausgebildeter Kondensator kann vorteilhaft beispielsweise einteilig oder auch mehrteilig mit beispielsweise einer Wand der zweiten Kammer ausgebildet sein. Somit ergibt sich besonders vorteilhaft einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas.
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In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel liegt zur Kühlung der inneren Oberfläche der zweiten Kammer von einem Außenraum der zweiten Kammer her mittelbar oder unmittelbar wenigstens ein Kühlelement an der zweiten Kammer an. Eine derartige Kühlung der inneren Oberfläche kann vorteilhaft von dem Außenraum der zweiten Kammer erfolgen und somit vorteilhaft von einer externen Kühlquelle gekühlt werden.
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Vorteilhaft kann die erste Kammer mittels eines Verbindungsstücks mit der zweiten Kammer verbunden sein, wobei durch das Verbindungsstück der Wasserdampf von der ersten Kammer in die zweite Kammer geleitet werden kann und wobei das Trennelement in dem Verbindungsstück angeordnet ist. Somit kann die Vorrichtung vorteilhaft einfach und kostengünstig gefertigt werden, indem beispielsweise das Verbindungsstück zusammen mit dem in dem Verbindungsstück angeordneten Trennelement einfach mit Öffnungen in der ersten Kammer und der zweiten Kammer verbunden werden kann. Darüber hinaus kann somit das Verbindungsstück mit dem in dem Verbindungsstück angeordneten Trennelement beispielsweise auch einfach wieder ausgetauscht werden kann.
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Ist die erste Kammer rohförmig ausgebildet und an einer Seitenwand der ersten Kammer eine vom Innenraum der ersten Kammer zum Außenbereich der ersten Kammer durchgehende Ausnehmung ausgebildet, die von dem Trennelement verschlossen ist, so ergibt sich der Vorteil, dass die Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas vorteilhaft einfach, kostengünstig und bauraumsparend beispielsweise in ein bestehendes Abgassystem integriert werden kann.
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Vorteilhaft weisen die erste Kammer und die zweite Kammer eine gemeinsame Trennwand auf, die die erste Kammer von der zweiten Kammer trennt, wobei das Trennelement zumindest einen Teil der Trennwand bildet. Eine gemeinsame Trennwand verringert den Bauraumbedarf, die Kosten und das Gewicht der Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas vorteilhaft.
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Ist das Trennelement als Membran, insbesondere als eine für Wasserdampf selektiv permeable Membran, ausgebildet, so ergibt sich der Vorteil, dass der Wasserdampf besonders effektiv aus dem Abgasstrom abgetrennt werden kann und somit die Menge an gewonnenen Wasser vorteilhaft maximiert werden kann.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas in einem Wassereinspritzsystem einer Brennkraftmaschine,
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2 eine vergrößerte Darstellung der schematischen Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Wasser aus Abgas aus 1
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3 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Abgas. Die Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Abgas in 1 ist von einem Wassereinspritzsystem umfasst. Ein Abgasstrom 2 einer Brennkraftmaschine 8 wird von der Brennkraftmaschine 8 beispielsweise durch ein Abgasrohr zu der Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Abgas geleitet. Die Vorrichtung 1 umfasst eine erste Kammer 10 mit einem Einströmbereich 11, durch den der Abgasstrom 2 in die erste Kammer 10 einströmbar ist und einen Ausströmbereich 12 durch den der Abgasstrom 2 aus der ersten Kammer 10 ausströmbar ist. Im Innenraum 13 der ersten Kammer 10 kann vorteilhaft eine Temperatur herrschen, die höher ist als eine Taupunkttemperatur des Abgasstroms, insbesondere höher als eine Taupunkttemperatur des im Abgasstroms enthaltenen Wasserdampfs. Somit kann im Abgasstrom 2 enthaltenes Wasser im Innenraum 13 der ersten Kammer 10 als Wasserdampf und nicht als Kondensat vorliegen.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Abgas ein selektiv für in dem Abgasstrom 2 enthaltenen Wasserdampf 3 durchlässiges Trennelement 30. Das Trennelement 30 ist in Strömungsrichtung des Abgasstroms 2 zwischen dem Einströmbereich 11 der ersten Kammer 10 und dem Ausströmbereich 12 der ersten Kammer 10 angeordnet. Das Trennelement 30 begrenzt die erste Kammer 10 und trennt somit einen Innenraum 13 der ersten Kammer 10 von einem Außenbereich 14 der ersten Kammer 10, so dass im Abgasstrom 2 enthaltener Wasserdampf 3 durch das Trennelement 30 von dem Innenraum 13 der ersten Kammer 10 in den Außenbereich 14 der ersten Kammer 10 strömen kann.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Abgas einen Kondensator 40, der in Strömungsrichtung des Wasserdampfs 3 durch das Trennelement 30 nach dem Trennelement 30 angeordnet ist, um den von dem Trennelement 30 durchgelassenen Wasserdampf 3 zu kondensieren. Wie in 1 dargestellt wird das kondensierte Wasser 24 beispielsweise über eine Leitung 25 zu einem Wassertank 5 geleitet und dort beispielsweise gespeichert. Das in Wassertank 5 gespeicherte Wasser kann weiterhin beispielsweise über eine Zuleitung 4 und ein Förderelement 6, beispielsweise eine Pumpe, zu einem Wasserinjektor 7 geleitet werden und mittels des Wasserinjektors 7 in den Brennraum 8 beispielsweise der Brennkraftmaschine 8 eingespritzt werden. So kann die Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Abgas zusammen mit der Leitung 25, den Wassertank 5, der Zuleitung 4, dem Förderelement 6 und dem Wasserinjektor 7 zur Einspritzung von Wasser in einen Brennraum 8 einer Brennkraftmaschine ein Wassereinspritzsystem für eine Brennkraftmaschine beispielsweise für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs bilden. Das Wassereinspritzsystem, beispielsweise für eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, kann darüber hinaus auch weitere in dieser Anmeldung nicht dargestellte Komponenten umfassen.
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2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Abgas aus 1. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Ventilelement 15, dass in dem Einströmbereich 11 der ersten Kammer 10 angeordnet ist. Das Ventilelement 15 ist beispielsweise eingerichtet den Abgasstrom 2 durch die erste Kammer 10 zu regeln. Beispielsweise kann durch ein Rückschlagventil im Einströmbereich 11 der ersten Kammer 10 der Abgasstrom 2 in die erste Kammer 10 einströmen, allerdings nicht mehr in die entgegengesetzte Richtung wieder ausströmen.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 ein zur Gewinnung von Wasser aus Abgas eine Drossel 16, die in dem Ausströmbereich 12 ersten Kammer 10 angeordnet ist. Durch das Ventilelement 15 kann ein Abgasstrom 2 in den Innenraum 13 der ersten Kammer 10 einströmen. Durch die Drossel 16 kann der Abgasstrom 2 aus der ersten Kammer 10 ausströmen. Durch die Drossel 16 wird beispielsweise ein Strömungsquerschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgasstroms 2 im Ausströmbereich 12 verringert und somit der Abgasstrom 2 im Ausströmbereich 12 gedrosselt.
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Das Trennelement 30 ist selektiv für Wasserdampf durchlässig, so dass aus dem Abgasstrom 2 gezielt der Wasserdampf abgetrennt werden kann und nach der Abtrennung ohne andere im Abgasstrom 2 enthaltene Bestandteile am Kondensator 40 zu flüssigem Wasser kondensiert werden kann. Das Trennelement 30 kann beispielsweise für Bestandteile des Abgasstroms 2, die als Kondensate korrosive Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise anorganische Säuren, die beispielsweise aus der Verbrennung schwefelhaltiger Komponenten und aus der Entstehung von Stickoxiden während der Verbrennung und anschließenden Reaktion mit den im Abgas enthaltenen Wasserdampf entstehen, nicht durchlässig sein, so dass diese Bestandteile des Abgasstroms 2 vorteilhaft nicht von dem Trennelement zu dem Kondensator durchgelassen sondern nach dem Einströmen durch den Einströmbereich vorteilhaft im Innenraum 13 der ersten Kammer 10 verbleiben, an dem Trennelement 30 vorbeigeleitet werden und somit nicht zu dem im Außenbereich 14 der ersten Kammer 10 bzw. in der zweiten Kammer 20 angeordneten Kondensator 40 gelangen können. Das Trennelement 30 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel als eine für Wasserdampf selektiv permeable Membran ausgebildet.
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Die erste Kammer 10 ist in diesem Ausgangsbeispiel rohförmig ausgebildet und an einer Seitenwand 17 der ersten Kammer 10 ist eine vom Innenraum 13 der ersten Kammer 10 zum Außenbereich 14 der ersten Kammer 10 durchgehende Ausnehmung 18 ausgebildet. Die vom Innenraum 13 der ersten Kammer 10 zum Außenbereich 14 der ersten Kammer 10 durchgehende Ausnehmung 18 ist im ersten Ausführungsbeispiel von dem Trennelement 30 verschlossen, so dass Wasserdampf durch das in der Ausnehmung 18 angeordnete Trennelement 30 vom Innenraum 13 der ersten Kammer 10 in den Außenbereich 14 der ersten Kammer 10 strömen kann. Somit kann Wasserdampf 3 durch das in der Ausnehmung 18 angeordnete Trennelement 30 vom Innenraum 13 der ersten Kammer 10 in die im Außenbereich 14 der ersten Kammer 10 angeordnete zweite Kammer 12 strömen.
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Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Wasser aus Abgas in dem ersten Ausführungsbeispiel eine zweite Kammer 20. Das Trennelement 30 trennt die erste Kammer 10 von der zweiten Kammer 20, wobei der Kondensator 40 in der zweiten Kammer 20 angeordnet ist. Das Trennelement 30 begrenzt in dem ersten Ausführungsbeispiel die erste Kammer 10 und die zweite Kammer 20. Die zweite Kammer 20 ist im Außenbereich 14 der ersten Kammer 10 angeordnet. Die erste Kammer 10 und die zweite Kammer 20 weisen diesem Ausführungsbeispiel eine gemeinsame Trennwand 19 auf, die die erste Kammer 10 von der zweiten Kammer 20 trennt, wobei das Trennelement 30 einen Teil der Trennwand 19 bildet. Die zweite Kammer 20 ist somit in diesem Ausführungsbeispiel benachbart zur ersten Kammer 10 angeordnet. In der ersten Kammer 10 ist eine Temperatur im Innenraum 13 der ersten Kammer 10 gegenüber einer Temperatur in der zweiten Kammer 20 erhöht. Die Temperatur im Innenraum 13 der ersten Kammer 10 ist beispielsweise höher als die Taupunkttemperatur des Abgasstroms, insbesondere höher als die Taupunkttemperatur des im Abgasstroms enthaltenen Wasserdampfs. Somit kann im Abgasstrom 2 enthaltenes Wasser im Innenraum 13 der ersten Kammer 10 als Wasserdampf und nicht als Kondensat vorliegen. Nachdem der Wasserdampf durch das Trennelement 30 in die zweite Kammer 20 gelangt ist kann der Wasserdampf beispielsweise durch eine im Vergleich zur ersten Kammer 10 geringeren Temperatur in der zweiten Kammer und/oder durch den beispielsweise in der zweiten Kammer 20 angeordneten Kondensator 40 zu flüssigem Wasser kondensieren.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kondensator 40 durch eine innere Oberfläche 21 der zweiten Kammer 20 gebildet. Die innere Oberfläche 21 kann beispielsweise als Außenwand der zweiten Kammer 20 ausgebildet sein, die innere Oberfläche 21 kann aber beispielsweise auch als an einer Wand der zweiten Kammer 20 ausgebildete Struktur in der zweiten Kammer 20 ausgebildet sein, die einstückig mit der zweiten Kammer 20 oder mehrteilig ausgebildet sein kann. Die innere Oberfläche 21 kann beispielsweise durch Kühlrippen in der zweiten Kammer gebildet sein. Zur Kühlung der inneren Oberfläche 21 der zweiten Kammer 20 liegt in diesem Ausführungsbeispiel von einem Außenraum 22 der zweiten Kammer 20 her ein Kühlelement 50 an der zweiten Kammer 20 an. Das Kühlelement 50 kann mittelbar oder unmittelbar an der zweiten Kammer 20 anliegen.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Im Unterschied zum in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel die erste Kammer 10 mittels eines Verbindungsstücks 60 mit der zweiten Kammer 20 verbunden wobei der Wasserdampf 3 von der ersten Kammer 10 durch das Verbindungsstück 60 in die zweite Kammer 20 geleitet wird. Die erste Kammer 10 und die zweite Kammer 20 weisen somit im Unterschied zum in 2 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung keine gemeinsame Trennwand 19 auf. Das Trennelement 30 ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel (3) in dem Verbindungsstück 60 angeordnet, so dass der Wasserdampf 3 in dem Verbindungsstück 60 durch das Trennelement 30 vom Abgasstrom 2 getrennt wird. Die erste Kammer 10, das Verbindungsstück 60 und die zweite Kammer 20 können einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Beispielsweise können die erste Kammer 10, das Verbindungsstück 60 und die zweite Kammer 20 jeweils seperate Bauteile sein, die beispielsweise über formschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung miteinander verbunden sein können.
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Selbstverständlich sind auch weitere Ausführungsbeispiele und Mischformen der dargestellten Ausführungsbeispiele möglich.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012207903 A1 [0003]
