DE102017111325B4 - Vorrichtung zur Gewinnung von Kondensat aus einem Abgasmassenstrom - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (1) zur Gewinnung von Kondensat, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Gehäuse (2), einen ersten Wärmetauscher (3) und einen zweiten Wärmetauscher (4) aufweist, wobei das Gehäuse (2) eine Primärmassenstromleitung (7), eine Sekundärmassenstromleitung (10), eine Kühlmittelleitung (13), eine Abgasmassenstromleitung (16), eine Membran (17), ein Sorbens (18), mindestens ein erstes Wärmerohr (19) und mindestens ein zweites Wärmerohr (20) aufweist, und wobei das Sorbens (18) in thermischem Kontakt zu der Primärmassenstromleitung (7), der Sekundärmassenstromleitung (10), einem zweiten Ende (22) des ersten Wärmerohres (19) und einem ersten Ende (23) des zweiten Wärmerohres (20) steht, und wobei ein erstes Ende (21) des ersten Wärmerohres (19) in thermischem Kontakt zu der Kühlmittelleitung (13) steht, und wobei ein zweites Ende (24) des zweiten Wärmerohres (20) in thermischem Kontakt zu der Abgasmassenstromleitung (16) steht, und wobei die Kühlmittelleitung (13) und der erste Wärmetauscher (3) von einem Kühlmittel durchströmbar sind, und wobei die Abgasmassenstromleitung (16) und der zweite Wärmetauscher (4) von einem Abgasmassenstrom durchströmbar sind, und wobei ein Sekundärmassenstrom zwischen der Sekundärmassenstromleitung (10), dem ersten Wärmetauscher (3) und dem zweiten Wärmetauscher (4) zirkulieren kann, und wobei ein Primärmassenstrom die Primärmassenstromleitung (7) durchströmen und das in dem Primärmassenstrom enthaltene Wasser die zwischen der Primärmassenstromleitung (7) und dem Sorbens (18) angeordnete Membran (17) durchdringen und von dem Sorbens (18) adsorbiert werden kann, und wobei das adsorbierte Wasser an den Sekundärmassenstrom durch Wärmezufuhr desorbiert werden kann, und wobei in dem ersten Wärmetauscher (3) das in dem Sekundärmassenstrom enthaltene Wasser kondensiert werden kann, und wobei das gewonnene Kondensat aus dem ersten Wärmetauscher (3) abgeführt werden kann.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gewinnung von Kondensat gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Stand der Technik
  • Aus der DE 20 2015 100 452 U1 ist eine Vorrichtung zum Vermindern der Klopfneigung eines fremdgezündeten, aufgeladenen Verbrennungsmotors mit einer Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung, wobei die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung zumindest einen Kondensator zum Kondensieren zumindest eines Teils von im Abgas, welches die Niederdruck-Abgasrückführungseinrichtung durchströmt, enthaltenem gasförmigen Wasser aufweist und einen Zwischenspeicher zur Aufnahme des entstandenen Kondensates, welcher fluidisch mit dem Kondensator verbunden ist, bekannt.
    Die Vorrichtung besitzt eine Kondensatzuführungseinrichtung zum Zuführen des Kondensats in einen Brennraum des Verbrennungsmotors.
  • Die DE 10 2010 029 984 A1 beschreibt einen Abgaswärmeübertrager für ein Kraftfahrzeug mit von Abgas durchströmbaren und von einem Fluid kühlbaren Kanälen, wobei der Wärmeübertrager einen ersten Teilwärmeübertrager und zumindest einen zweiten Teilwärmeübertrager aufweist.
    Der zweite Teilwärmeübertrager weist Mittel auf, die ausgebildet sind, um das Abgas zu entfeuchten.
  • Aus der US 2004/0258597 A1 ist eine Vorrichtung zur Trinkwassergewinnung aus einem Abgasmassenstrom mittels Umkehrosmose bekannt.
  • In der WO 2012/062312 A2 wird ein Verfahren zur Bereitstellung von Kälte beschrieben. Es werden hierzu folgende Schritte durchgeführt:
    • Einleiten von Abgasen aus einer von einem Verbrennungsmotor kommenden Abgasleitung in ein, mindestens einer Adsorptionskältemaschine vorgeschaltetes Regelorgan und/oder Einleiten von Luft in das Regelorgan, Einbringen der Abgase oder eines Abgas-LuftGemisches oder der Luft aus dem Regelorgan in mindestens einen Wärmetauscher der Adsorptionskältemaschine, Desorption eines, in mindestens einer Adsorber-/Desorber-Einheit der Adsorptionskältemaschine befindlichen Adsorptionsmaterials durch Wärmeenergie des Abgases, wobei das, in mindestens einer Verdampfer-/KondensatorEinheit vorliegende dampfförmige Kältemittel kondensiert wird, und ein in der Adsorptionskältemaschine strömendes Kältemittel in einer Verdampfer-/Kondensator-Einheit der Adsorptionskältemaschine verdampft wird und hierdurch Kälte bereitgestellt wird.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Gewinnung von Kondensat bereitzustellen, welche eine geringe Restfeuchte im Primärmassenstrom aufweist.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Erfindung wird durch eine Vorrichtung zur Gewinnung von Kondensat gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteile der Erfindung
  • Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Kondensat wird das im Primärmassenstrom enthaltene Wasser bei der Durchströmung der Primärmassenstromleitung durch die Membran zu dem kühlen und trockenen Sorbens geleitet und von dem Sorbens adsorbiert.
    Die durch die Adsorption entstehende Wärme wird über das erste Ende des ersten Wärmerohres an das die Kühlmittelleitung durchströmende Kühlmittel abgeführt.
    Der Sekundärmassenstrom strömt währenddessen nicht.
    Anschließend durchströmt der Abgasmassenstrom die Abgasmassenstromleitung. Über das zweite Ende des zweiten Wärmerohres erfolgt eine Wärmeübertragung von dem Abgasmassenstrom auf das Sorbens.
    Gleichzeitig beginnt durch die kontinuierliche Erhitzung des zweiten Endes des zweiten Wärmerohres und durch die kontinuierliche Kühlung des ersten Endes des ersten Wärmerohres der Sekundärmassenstrom zu zirkulieren.
  • Das in dem Sorbens eingelagerte Wasser wird durch die Abgaswärme aus dem Sorbens herausgelöst und strömt aufgrund von Wasserkonzentrationsunterschieden zu dem die Sekundärmassenstromleitung durchströmenden Sekundärmassenstrom.
    Der durch den zweiten Wärmetauscher erhitzte Sekundärmassenstrom nimmt das herausgelöste Wasser auf.
    Der Sekundärmassenstrom hat eine deutlich geringere Feuchte im Vergleich zu dem Primärmassenstrom, wodurch das Wasser zu dem Massenstrom mit der geringeren Konzentration fließt, da hier die Bindungskräfte größer sind.
    Der heiße und feuchte Sekundärmassenstrom strömt zu dem ersten Wärmetauscher.
  • In dem ersten Wärmetauscher kühlt der Sekundärmassenstrom aufgrund des thermischen Kontaktes mit dem Kühlmittel, welches den ersten Wärmetauscher durchströmt, ab und das dabei gewonnene Kondensat kann aus dem ersten Wärmetauscher herausströmen.
  • Die direkte Kondensatgewinnung erlaubt eine Absenkung der Restfeuchte im Primärmassenstrom auf annähernd 0%, ohne dabei die Temperatur des Primärmassenstroms unter die Umgebungstemperatur absenken zu müssen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Durchströmung der Abgasmassenstromleitung regelbar.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Membran ein sulfonitierter Tetraflourethylenpolymer.
  • Figurenliste
  • Es zeigen:
    • 1: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Gewinnung von Kondensat;
    • 2: einen Querschnitt A-A durch die Vorrichtung gemäß 1.
  • Die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Gewinnung von Kondensat.
    Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2, einen ersten Wärmetauscher 3 und einen zweiten Wärmetauscher 4.
  • Das Gehäuse 2 umfasst eine erste Öffnung 5, eine zweite Öffnung 6 und eine zwischen der ersten Öffnung 5 und der zweiten Öffnung 6 angeordneten Primärmassenstromleitung 7. Die Primärmassenstromleitung 7 ist zylindrisch ausgebildet.
  • Das Gehäuse 2 umfasst weiterhin eine dritte Öffnung 8, eine vierte Öffnung 9 und eine zwischen der dritten Öffnung 8 und der vierten Öffnung 9 angeordneten Sekundärmassenstromleitung 10.
    Die Sekundärmassenstromleitung 10 ist als Hohlzylinder ausgebildet.
  • Zudem umfasst das Gehäuse 2 eine fünfte Öffnung 11, eine sechste Öffnung 12 und eine zwischen der fünften Öffnung 11 und der sechsten Öffnung 12 angeordneten Kühlmittelleitung 13.
    Die Kühlmittelleitung 13 ist als Hohlzylinder ausgebildet und ist konzentrisch im Bereich der ersten Öffnung 5 um die Primärmassenstromleitung 7 angeordnet.
  • Weiterhin umfasst das Gehäuse 2 eine siebte Öffnung 14, eine achte Öffnung 15 und eine zwischen der siebten Öffnung 14 und der achten Öffnung 15 angeordneten Abgasmassenstromleitung 16.
    Die Abgasmassenstromleitung 16 ist als Hohlzylinder ausgebildet und ist konzentrisch im Bereich der zweiten Öffnung 6 um die Primärmassenstromleitung 7 angeordnet.
  • Zwischen der Kühlmittelleitung 13 und der Abgasmassenstromleitung 16 ist eine Membran 17, die wasserdurchlässig und luftundurchlässig ist, konzentrisch um die Primärmassenstromleitung 7 angeordnet.
    Die Membran 17 ist beispielsweise ein sulfonitierter Tetraflourethylenpolymer (PTFE).
  • Zwischen der Membran 17 und der Sekundärmassenstromleitung 10 ist ein Sorbens 18 angeordnet.
    Das Sorbens 18 ist beispielsweise Zeolith.
    Das Sorbens 18 ist als Hohlzylinder ausgebildet.
  • Das Gehäuse 2 umfasst in dieser Ausführungsform drei erste Wärmerohre 19 und drei zweite Wärmerohre 20.
    Ein erstes Ende 21 des ersten Wärmerohres 19 ragt in die Kühlmittelleitung 13 und ein zweites Ende 22 des ersten Wärmerohres 19 ist von dem Sorbens 18 umschlossen.
    Ein erstes Ende 23 des zweiten Wärmerohres 20 ist von dem Sorbens 18 umschlossen und ein zweites Ende 24 des zweiten Wärmerohres 20 ragt in die Abgasmassenstromleitung 16.
  • Ein Primärmassenstrom, beispielsweise von einem nicht dargestellten Ladeluftkühler gekühlten Ladeluftmassenstrom, welcher mit einem rückgeführten Abgasmassenstrom versetzt ist, kann in Richtung des Pfeils P1 über die erste Öffnung 5 in die Primärmassenstromleitung 7 hineinströmen und über die zweite Öffnung 6 aus der Primärmassenstromleitung 7 herausströmen.
  • Ein Kühlmittel kann in Richtung des Pfeils P2 über die fünfte Öffnung 11 in die Kühlmittelleitung 13 hineinströmen und über die sechste Öffnung 12 aus der Kühlmittelleitung 13 herausströmen.
    Anschließend kann das Kühlmittel den ersten Wärmetauscher 3 durchströmen. Alternativ kann der erste Wärmetauscher 3 von einem anderen Medium, beispielsweise Umgebungsluft, durchströmt oder anderweitig abgekühlt werden.
  • Ein Abgasmassenstrom, beispielsweise ein rückgeführter Abgasmassenstrom (AGR), welcher stromaufwärts eines nicht dargestellten AGR-Kühlers abgezweigt wird, kann in Richtung des Pfeils P3 über die siebte Öffnung 14 in die Abgasmassenstromleitung 16 hineinströmen und über die achte Öffnung 15 aus der Abgasmassenstromleitung 16 herausströmen.
    Anschließend kann der Abgasmassenstrom den zweiten Wärmetauscher 4 durchströmen. Alternativ kann der zweite Wärmetauscher 4 elektrisch erhitzt werden.
  • Ein Sekundärmassenstrom, beispielsweise Luft, kann in Richtung des Pfeils P4 über die dritte Öffnung 8 in die Sekundärmassenstromleitung 10 hineinströmen und über die vierte Öffnung 9 aus der Sekundärmassenstromleitung 10 herausströmen.
    Von der zweiten Öffnung 6 kann der Sekundärmassenstrom zuerst den ersten Wärmetauscher 3 und anschließend den zweiten Wärmetauscher 4 durchströmen.
  • Über ein Öffnen und Schließen einer nicht dargestellten Sperrvorrichtung für den Abgasmassenstrom erfolgt eine De- und Adsorption des sorptiven Speichersystems. Die Regelung hierzu erfolgt abhängig vom Sättigungszustand des Sorptionsmaterials. Erreicht die Wasseraufnahme seine Grenze, wird von der Adsorption in die Desorption umgeschaltet.
    Erreicht das Sorbens 18 seinen maximalen Trocknungszustand, wird von der Desorption in die Adsorption gewechselt.
  • Ist die Sperrvorrichtung geschlossen, strömt kein Abgasmassenstrom durch die Abgasmassenstromleitung 16 und das Sorbens 18 kühlt durch den thermischen Kontakt zwischen dem die Kühlmittelleitung 13 durchströmenden Kühlmittel und dem ersten Ende 21 des ersten Wärmerohres 19 ab.
  • Strömt nun der Primärmassenstrom über die erste Öffnung 5 in die Primärmassenstromleitung 7 hinein, dringt das im Primärmassenstrom enthaltene Wasser in Richtung des Pfeils P5 durch die Membran 17 in das Sorbens 18.
  • Das Sorbens 18 nimmt das Wasser auf und gibt die dabei entstehende Wärme über das erste Ende 21 des ersten Wärmerohres 19 an das die Kühlmittelleitung 13 durchströmende Kühlmittel ab.
    Der Sekundärmassenstrom strömt währenddessen nicht.
  • Die Sperrvorrichtung wird geöffnet, wenn der Desorptionsprozess eingeleitet wird, d.h. wenn das Sorbens 18 seinen maximalen Sättigungszustand erreicht hat und kein Wasser aus dem Primärmassenstrom mehr aufnehmen kann.
  • Ist die Sperrvorrichtung offen, so strömt ein Abgasmassenstrom in Richtung des Pfeils P3 durch die siebte Öffnung 14 in die Abgasmassenstromleitung 16.
    Über das zweite Ende 24 des zweiten Wärmerohres 20 erfolgt eine Wärmeübertragung von dem Abgasmassenstrom auf das Sorbens 18.
    Gleichzeitig beginnt durch die kontinuierliche Erhitzung des zweiten Endes 24 des zweiten Wärmerohres 20 und durch die kontinuierliche Kühlung des ersten Endes 21 des ersten Wärmerohres 19 der Sekundärmassenstrom in Richtung des Pfeils P4 zu zirkulieren.
  • Das in dem Sorbens 18 eingelagerte Wasser wird durch die Abgaswärme aus dem Sorbens 18 herausgelöst und strömt aufgrund des höheren Wasserkonzentrationsunterschieds im Vergleich zum Primärmassenstrom in Richtung des Pfeils P6 zu dem die Sekundärmassenstromleitung 10 durchströmenden Sekundärmassenstrom.
    Der durch den zweiten Wärmetauscher 4 erhitzte und trockene Sekundärmassenstrom ist aufgrund seiner geringeren Feuchte bestrebt, das aus dem Sorbens 18 herausgelöste Wasser aufzunehmen und damit einen Potentialausgleich herbeizuführen.
    Der heiße und feuchte Sekundärmassenstrom strömt über die vierte Öffnung 9 zu dem ersten Wärmetauscher 3.
  • In dem ersten Wärmetauscher 3 kühlt der Sekundärmassenstrom aufgrund des thermischen Kontaktes mit dem Kühlmittel, welches den ersten Wärmetauscher 3 durchströmt, ab und das dabei gewonnene Kondensat kann in Richtung des Pfeil P7 aus dem ersten Wärmetauscher 3 herausströmen.
  • Die Sperrvorrichtung wird geschlossen, wenn der Adsorptionsprozess eingeleitet wird, d.h. das Sorbens 18 seinen maximalen Trocknungszustand erreicht hat.
  • Das Gehäuse 2 und seine einzelnen Komponenten weisen jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf.
  • Weiterhin sind auch weitere Querschnittsformen möglich.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Vorrichtung
    2
    Gehäuse
    3
    erster Wärmetauscher
    4
    zweiter Wärmetauscher
    5
    erste Öffnung
    6
    zweite Öffnung
    7
    Primärmassenstromleitung
    8
    dritte Öffnung
    9
    vierte Öffnung
    10
    Sekundärmassenstromleitung
    11
    fünfte Öffnung
    12
    sechste Öffnung
    13
    Kühlmittelleitung
    14
    siebte Öffnung
    15
    achte Öffnung
    16
    Abgasmassenstromleitung
    17
    Membran
    18
    Sorbens
    19
    erstes Wärmerohr
    20
    zweites Wärmerohr
    21
    erstes Ende des ersten Wärmerohres 19
    22
    zweites Ende des ersten Wärmerohres 19
    23
    erstes Ende des zweiten Wärmerohres 20
    24
    zweites Ende des zweiten Wärmerohres 20
    P1
    Pfeil
    P2
    Pfeil
    P3
    Pfeil
    P4
    Pfeil
    P5
    Pfeil
    P6
    Pfeil
    P7
    Pfeil

Claims (3)

  1. Vorrichtung (1) zur Gewinnung von Kondensat, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein Gehäuse (2), einen ersten Wärmetauscher (3) und einen zweiten Wärmetauscher (4) aufweist, wobei das Gehäuse (2) eine Primärmassenstromleitung (7), eine Sekundärmassenstromleitung (10), eine Kühlmittelleitung (13), eine Abgasmassenstromleitung (16), eine Membran (17), ein Sorbens (18), mindestens ein erstes Wärmerohr (19) und mindestens ein zweites Wärmerohr (20) aufweist, und wobei das Sorbens (18) in thermischem Kontakt zu der Primärmassenstromleitung (7), der Sekundärmassenstromleitung (10), einem zweiten Ende (22) des ersten Wärmerohres (19) und einem ersten Ende (23) des zweiten Wärmerohres (20) steht, und wobei ein erstes Ende (21) des ersten Wärmerohres (19) in thermischem Kontakt zu der Kühlmittelleitung (13) steht, und wobei ein zweites Ende (24) des zweiten Wärmerohres (20) in thermischem Kontakt zu der Abgasmassenstromleitung (16) steht, und wobei die Kühlmittelleitung (13) und der erste Wärmetauscher (3) von einem Kühlmittel durchströmbar sind, und wobei die Abgasmassenstromleitung (16) und der zweite Wärmetauscher (4) von einem Abgasmassenstrom durchströmbar sind, und wobei ein Sekundärmassenstrom zwischen der Sekundärmassenstromleitung (10), dem ersten Wärmetauscher (3) und dem zweiten Wärmetauscher (4) zirkulieren kann, und wobei ein Primärmassenstrom die Primärmassenstromleitung (7) durchströmen und das in dem Primärmassenstrom enthaltene Wasser die zwischen der Primärmassenstromleitung (7) und dem Sorbens (18) angeordnete Membran (17) durchdringen und von dem Sorbens (18) adsorbiert werden kann, und wobei das adsorbierte Wasser an den Sekundärmassenstrom durch Wärmezufuhr desorbiert werden kann, und wobei in dem ersten Wärmetauscher (3) das in dem Sekundärmassenstrom enthaltene Wasser kondensiert werden kann, und wobei das gewonnene Kondensat aus dem ersten Wärmetauscher (3) abgeführt werden kann.
  2. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung der Abgasmassenstromleitung (16) regelbar ist.
  3. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (17) ein sulfonitierter Tetraflourethylenpolymer ist.
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