DE112007001061T5

DE112007001061T5 - Wärmetauscher und Verfahren zum Behandeln von Abgasen von Verbrennungsmotoren (Combined EGR Cooler and Plasma Reactor)

Info

Publication number: DE112007001061T5
Application number: DE112007001061T
Authority: DE
Inventors: James Scott Burlington Cotton
Original assignee: Dana Canada Corp
Current assignee: Dana Canada Corp
Priority date: 2006-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2009-06-10
Also published as: GB2450296B; CN101443620A; US20070266702A1; BRPI0711583A2; GB2450296A; WO2007131362A1; GB0819325D0; US7398643B2

Abstract

Wärmetauscher, der folgendes aufweist:
einen ersten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem ersten Einlassanschluss und einem ersten Auslassanschluss erstreckt;
einen zweiten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem zweiten Einlassanschluss und einem zweiten Auslassanschluss erstreckt, wobei der erste und der zweite Fluiddurchgang gegenseitig abgedichtet sind;
wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche, durch welche der erste und der zweite Fluiddurchgang in einer Wärmeaustauschkommunikation miteinander sind; und
wenigstens eine Elektrode, die in dem zweiten Fluiddurchgang angeordnet ist;
wobei die wenigstens eine Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die während eines Einsatzes des Wärmetauschers eine Spannung an die wenigstens eine Elektrode anlegt; und wobei die Spannung von ausreichender Größe ist, um zu veranlassen, dass die wenigstens eine Elektrode ein nichtthermisches Plasma in dem zweiten Fluiddurchgang erzeugt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, der eine Vorrichtung zum Erzeugen von nichtthermischem Plasma enthält. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Behandeln von Abgasen von Verbrennungsmotoren beispielsweise durch Verwenden eines Wärmetauschers, der eine Vorrichtung zum Erzeugen von nichtthermischem Plasma enthält, um Emissionen von Stickstoffoxiden (NO_x) in solchen Abgasen zu kühlen und/oder zu reduzieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Abgase von Verbrennungsmotoren können eine Anzahl von Nebenprodukten der Verbrennung enthalten, einschließlich NO_x, Aerosole bzw. Feinstaub, wie beispielsweise kohlenstoffhaltigen Ruß, und unverbrannten Kohlenwasserstoffkraftstoff. Insbesondere enthalten die Abgase von Dieselmotoren signifikante Mengen an NO_x und Ruß, und ein NO_x-Gehalt ist auch in den Abgasen von so genannten "Mager"-Verbrennungsmotoren hoch, in welchen der Kraftstoff mit überschüssigem Sauerstoff verbrannt wird, um eine Effizienz eines Motors zu erhöhen. Die Abgasströme von Magerverbrennungsmotoren können auch signifikante Mengen an Sauerstoff enthalten.
Die schädlichen Effekte eines Abgebens von NO_x, Ruß und flüchtigen organischen Verbindungen in die Atmosphäre sind gut dokumentiert. NO_x ist an der Erzeugung von fotochemischem Smog, saurem Regen und Ozon beteiligt. Rußpartikel in der Luft tragen zu einer schlechten Sicht und Atemwegserkrankungen bei.
In sowohl Kompressions- (Diesel-) als auch Funkenzündungsmotoren sind Abgasbehandlungssysteme verwendet worden, um NO_x-Emissionen zu erniedrigen. Solche Behandlungssysteme, die einen Anteil des Abgases wieder zu dem Motor zuführen können, können NO_x-Emissionen von Dieselmotoren um 40 bis 50% reduzieren, und größere Reduzierungen sind durch Kühlen des Abgases unter Verwendung eines Abgaskühlers, wie beispielsweise eines kompakten Rohrbündel-Wärmetauschers, möglich. Es gibt jedoch Grenzen bezüglich der Menge an Abgas, die wieder in den Motor eingeführt werden kann, bevor eine Leistungsausgabe und eine Kraftstoffökonomie nachteilig beeinflusst werden, und es ist herausgefunden worden, dass die Wiedereinführung von Abgasen in den Motor den Rußgehalt des Abgases signifikant erhöhen kann.
Das Vorhandensein von großen Mengen an Ruß im Abgas kann zu einer Ablagerung an den inneren Oberflächen des Abgaskühlers führen. Es wird geglaubt, dass eine Ablagerung die Leistungsfähigkeit des Kühlers erniedrigt, indem eine Wärmesperre niedriger Leitungsfähigkeit an den Wärmetauscheroberflächen erzeugt wird, indem eine Oberflächenrauigkeit an den Wärmetauscheroberflächen verursacht wird, was den Druckabfall erhöht, und indem die Durchgänge eingeschränkt bzw. verengt werden, durch welche die Abgase fließen, und zwar insbesondere in Rohren kleinen Durchmesser.
Es ist bekannt, Rußpartikel- bzw. Feinstaub-Abscheider und/oder -Filter zu verwenden, um den Rußgehalt eines Abgasstroms zu reduzieren. Einige dieser Abscheider und Filter können einen Plasmareaktor enthalten, der NO₂ erzeugt, um mit dem Ruß zu reagieren und ihn in gasförmiges CO und/oder CO₂ umzuwandeln. Es ist auch bekannt, dass die Ablagerung von Abgaskühlern durch Vorsehen eines Rußpartikel-Abscheiders oder -Filters stromauf vom Kühler reduziert oder verhindert werden kann. Jedoch leiden diese Systeme an dem Nachteil, dass eine zusätzliche Komponente im Abgasstrom zum Zwecke eines Reduzierens eines Rußgehalts erforderlich ist. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität des Abgassystems.
Es bleibt noch eine Notwendigkeit für Abgassysteme, in welchen die Ablagerung eines Abgaskühlers teilweise oder vollständig auf eine Weise verhindert wird, die einfacher und kosteneffektiver als in bekannten Systemen ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Wärmetauscher zur Verfügung gestellt, der folgendes aufweist: einen ersten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem ersten Einlassanschluss und einem ersten Auslassanschluss erstreckt; einen zweiten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem zweiten Einlassanschluss und einem zweiten Auslassanschluss erstreckt, wobei der erste und der zweite Fluiddurchgang gegenseitig abgedichtet sind; wenigstens eine Wärmetauscheroberfläche, durch welche der erste und der zweite Fluiddurchgang in Wärmetauscherkommunikation miteinander sind; und wenigstens eine Elektrode, die im zweiten Fluiddurchgang angeordnet ist; wobei die wenigstens eine Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die während eines Einsatzes des Wärmetauschers eine Spannung an die wenigstens eine Elektrode anlegt; und wobei die Spannung von einer ausreichenden Größe ist, um zu veranlassen, dass die wenigstens eine Elektrode ein nichtthermisches Plasma im zweiten Fluiddurchgang erzeugt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Reduzieren von Emissionen von Stickstoffoxiden im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors zur Verfügung gestellt. Das Verfahren weist folgendes auf: (a) Vorsehen eines Wärmetauschers gemäß der Erfindung im Abgasstrom des Verbrennungsmotors; (b) Führen von heißen Abgasen durch den Abgasstrom und durch den zweiten Fluiddurchgang des Wärmetauschers, so dass heiße Abgase, die durch den Abgasstrom fließen, durch den zweiten Einlassanschluss in den Wärmetauscher eintreten, durch den zweiten Fluiddurchgang fließen und den Wärmetauscher durch den zweiten Auslassanschluss verlassen; wobei die heißen Abgase Mengen an Stickoxid und kohlenstoffhaltigem Ruß enthalten; (c) Führen eines Kühlmittels durch den ersten Fluiddurchgang; und (d) Erregen der Spannungsquelle, um eine Spannung an die wenigstens eine Elektrode anzulegen; wobei die Spannung von ausreichender Größe ist, um zu veranlassen, dass die wenigstens eine Elektrode ein nichtthermisches Plasma im zweiten Fluiddurchgang erzeugt, wobei das nichtthermische Plasma veranlasst, dass wenigstens ein Anteil des Stickoxids in den heißen Abgasen in Stickstoffdioxid umgewandelt wird, das mit dem Ruß reagiert, um Kohlenstoffdioxid und Stickstoff zu erzeugen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nur anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1 ein schematischer Längsschnitt eines Wärmetauschers gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
2 ein Querschnitt entlang der Linie II-II der 1 ist;
3 und 4 Seitenansichten des Wärmetauschers der 1 sind, wobei das zweite Einlass- und das zweite Auslass-Anschlussstück abgewinkelt sind;
5 eine bevorzugte Form eines Elektroden-Abstandhalters zur Verwendung bei dem in 1 gezeigten Wärmetauscher darstellt;
6 ein schematischer Längsschnitt eines Wärmetauschers gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist; und
7 eine Endansicht des Wärmetauschers der 6 mit entfernter Endkappe 138 ist und eine Anzahl von möglichen Elektroden- und Abstandhalterkonfigurationen zeigt; und
8 eine schematische, perspektivische Ansicht des Wärmetauschers der 6 ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die 1 bis 4 stellen einen ersten bevorzugten Wärmetauscher 10 gemäß der Erfindung schematisch dar. Der Wärmetauscher 10 ist vom "Rohrbündel"-Typ, der eine Vielzahl von Rohren 12 aufweist, die sich parallel zueinander erstrecken und eine Längsachse A definieren. Die Rohre 12 sind in der Form eines Rohrbündels 14 angeordnet. Der Einfachheit halber sind in der 1 nur sechs Rohre 12 des Rohrbündels 14 gezeigt. Das Rohrbündel 14 ist entlang seiner Seiten durch eine äußere Hülle oder ein äußeres Ge häuse 16 umgeben, die oder das sich axial erstreckt. Das Gehäuse 16 des Wärmetauschers 10 hat eine zylindrische Seitenwand, die sich parallel zur Längsachse A erstreckt. Es wird erkannt werden, dass das Gehäuse 16 nicht notwendigerweise zylindrisch ist, sondern von irgendeiner gewünschten Form sein kann. Beispielsweise kann das Gehäuse 16 einen Querschnitt haben, der in der Form eines regelmäßigen oder unregelmäßigen Polygons ist.
Die Seitenwand des Gehäuses 16 ist mit einem ersten Einlassanschluss 18 und einem ersten Auslassanschluss 20 versehen, die durch einen ersten Fluiddurchgang 21, der den Innenbereich des Gehäuses 16 aufweist, zwischen den Enden der Rohre 12 in Kommunikationsverbindung miteinander sind. Im Einsatz fließt ein erstes Wärmeaustauschfluid durch den Innenbereich des Gehäuses 16 zwischen dem ersten Einlassanschluss 18 und dem ersten Auslassanschluss 20 in Kontakt mit den Außenflächen der Rohre 12. Der erste Einlassanschluss 18 und der erste Auslassanschluss 20 sind jeweils mit einem ersten Einlass- und einem ersten Auslass-Anschlussstück 19 und 25 versehen, durch welche das erste Fluid in den ersten Fluiddurchgang 21 eintritt und diesen verlässt. In dem in den Zeichnungen gezeigten Wärmetauscher 20 sind das Einlass- und das Auslass-Anschlussstück 19, 25 in der Form von zylindrischen Rohren, die sich unter 90 Grad von der Seitenwand des Gehäuses 16 aus nach außen erstrecken. Es wird jedoch erkannt werden, dass die Anschlussstücke 19, 25 von verschiedenen Konfigurationen sein können und dass sie unter weniger als oder mehr als 90 Grad relativ zu dem Gehäuse 16 abgewinkelt sein können.
Der erste Einlass- und der erste Auslassanschluss 18, 20 sind entlang der Achse A voneinander beabstandet, um einen axialen Fluss des ersten Wärmeaustauschfluids zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich können der erste Einlass- und der erste Auslassanschluss 18, 20 umfangsmäßig voneinander beabstandet sein, um einen Querfluss durch das Rohrbündel 14 sicherzustellen. Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Beispiel sind der erste Einlass- und der erste Auslassanschluss 18, 20 und ihre jeweiligen Anschlussstücke 19, 25 umfangsmäßig um etwa 180 Grad beabstandet.
Die Seitenwand des Gehäuses 16 hat auch einen zweiten Einlassanschluss 22 und einen zweiten Auslassanschluss 24, die durch einen zweiten Fluiddurchgang 23, der die hohlen Innenbereiche 26 der Rohre 12 enthält, in Kommunikationsverbindung miteinander sind. Im Einsatz fließt ein zweites Wärmeaustauschfluid durch die Innenbereiche 26 der Rohre 12 zwischen dem zweiten Einlassanschluss 22 und dem zweiten Auslassanschluss 24, wobei das zweite Fluid durch die Seitenwände der Rohre 12 in Wärmeaustauschkommunikation mit dem ersten Fluid ist.
Der zweite Einlass- und der zweite Auslassanschluss 22, 24 sind jeweils mit einem zweiten Einlass- und einem zweiten Auslass-Anschlussstück 27, 29 versehen, durch welche das zweite Fluid in den zweiten Fluiddurchgang 21 eintritt und diesen verlässt. Die obigen Angaben in Bezug auf die Form und die Lokalisierung des ersten Einlass- und des ersten Auslassanschlusses 18, 20 und der Anschlussstücke 19, 25 gelten auch für den zweiten Einlass- und den zweiten Auslassanschluss 22, 24 und ihre jeweiligen Anschlusstücke 27, 29.
Der Wärmetauscher weist weiterhin eine Dichtungseinrichtung benachbart zu den Enden der Rohre zum Verhindern eines Fluidflusses zwischen den Fluiddurchgängen 21, 23 auf. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Dichtungseinrichtung ein Paar von gelochten bzw. perforierten Rohrplatten 28, 30 auf, die auch als "Kopfteile" bekannt sind, welche in abgedichtetem Eingriff mit den Enden der Rohre 12 sind. Die Rohrplatten 28, 30 haben auch periphere äußere Ränder, die zu der Seitenwand des Gehäuses 16 abgedichtet sind. Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Wärmetauscher 10 sind die Rohrplatten 28, 30 kreisförmig. Es wird jedoch erkannt werden, dass die Form der Rohrplatten 28, 30 variabel ist und durch die Form des Gehäuses 16 bestimmt ist.
Es wird erkannt werden, dass die Verwendung von Kopfteilen nicht wesentlich für die Erfindung ist. Andere Typen von Dichtungseinrichtungen können verwendet werden. Beispielsweise ist es möglich, den Wärmetauscher 10 unter Verwendung einer "kopfteillosen" Konstruktion aufzubauen, wobei die Enden der Rohre 12 erweitert und gegeneinander abgedichtet sind, um die Notwendigkeit für perforierte Rohrplatten zu eliminieren. Ein Beispiel für einen solchen kopfteillosen Aufbau ist in der gemeinsam zessionierten US-Anmeldung NR. 10/778,571, die als US 2005/0067153 A1 am 31. März 2005 veröffentlicht ist, beschrieben, welche hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten ist.
Die Perforationen 29 und 31 in den Rohrplatten 28 und 30 sind vorzugsweise von ausreichendem Durchmesser, um den Fluss des zweiten Wärmeaustauschfluids durch die Rohre 12 nicht zu beschränken. Bei dem in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiel haben die Perforationen 29 und 31 vorzugsweise einen Durchmesser, der derselbe wie der Innendurchmesser der Rohre 12 ist. Dies ist jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Beispielsweise können die Perforationen 29 und 31 vorzugsweise von ausreichendem Durchmesser sein, so dass die Rohrenden innerhalb der Perforationen 29 und 31 aufgenommen werden können.
Es wird aus der 1 gesehen werden, dass der zweite Fluiddurchgang 23 weiterhin einen Einlassverteiler 32 aufweist, der zwischen der Rohrplatte 28 und einem ersten Ende 34 des Wärmetauschers 10 ausgebildet ist, und einen Auslassverteiler 36, der zwischen der Rohrplatte 30 und dem zweiten Ende 38 des Wärmetauschers 10 ausgebildet ist. Das Vorsehen dieser Verteiler 32 und 36 stellt eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung des zweiten Wärmeaustauschfluids unter den Rohren 12 des Rohrbündels 14 sicher. Um eine Flussverteilung weiter zu verbessern, kann es bevorzugt sein, das zweite Einlass- und das zweite Auslass-Anschlussstück 27, 29 relativ zu dem Gehäuse 16 abzuwinkeln. Die 3 und 4 stellen zwei mögliche abgewinkelte Konfigurationen dar. Wie es in diesen Zeichnungen gezeigt ist, kann das zweite Einlass-Anschlussstück 27 in Richtung zu (4) oder weg von (3) der Richtung einer Flussrichtung durch den zweiten Fluiddurchgang 23 abgewinkelt sein. Gleichermaßen kann das zweite Auslass-Anschlussstück 29 in Richtung zu (3) oder weg von (4) der Flussrichtung abgewinkelt sein. Es wird erkannt werden, dass auch Konfigurationen, die andere als diejenigen sind, die in den 3 und 4 gezeigt sind, verwendet werden können, d. h. das zweite Fluideinlass- und das zweite Fluidauslass-Anschlussstück 27, 29 können unabhängig in Richtung zu oder weg von der Flussrichtung abgewinkelt sein, wobei die Winkel variabel sind.
Somit weist der Wärmetauscher 10 einen ersten Fluiddurchgang 21 auf, der den Innenbereich des Gehäuses 16 aufweist und sich in Längsrich tung zwischen den Rohrplatten 28, 30 erstreckt; und einen zweiten Fluiddurchgang 23, der die Innenbereiche 26 der Rohre 12 und den Einlass- und den Auslassverteiler 32, 36 aufweist. Die Fluiddurchgänge 21, 23 sind durch wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche in Wärmeaustauschkommunikation miteinander. Bei dem bevorzugten Wärmetauscher 10 gibt es eine Vielzahl von Wärmetauschoberflächen, von welchen jede die Seitenwand eines Rohrs 12 aufweist. Wo der Wärmetauscher 10 ein Abgaskühler ist, weist das erste Wärmeaustauschfluid ein flüssiges Kühlmittel auf und weist das zweite Wärmeaustauschfluid heiße Abgase auf, die durch einen Wärmeaustausch mit dem flüssigen Kühlmittel gekühlt werden, wenn sie durch die Rohre 12 laufen.
Der Wärmetauscher 10 weist weiterhin wenigstens eine Elektrode 40 auf, die im zweiten Fluiddurchgang 23 angeordnet ist, d. h. in dem Abgasdurchgang, wo der Wärmetauscher ein Abgaskühler ist. Bei dem Aufbau mit Hülle und Rohren bzw. mit Rohrbündel des Wärmetauschers 10 ist vorzugsweise eine Vielzahl von Elektroden 40 vorgesehen, welche sich jeweils durch den hohlen Innenbereich 26 von einem der Rohre 12 erstrecken. Noch bevorzugter sind alle Rohre 12 mit einer Elektrode 40 versehen. Da die Elektrode 40 einen Teil des inneren Volumens des Rohrs 12 wegnimmt, den sie besetzt, kann es bevorzugt sein, dass die Rohre 12 bezüglich des Durchmessers etwas größer als die Rohre eines herkömmlichen Rohrbündel-Wärmetauschers sind oder dass eine größere Anzahl von Rohren verwendet wird, um einen ausreichenden Fluss des zweiten Wärmeaustauschfluids durch die Rohre beizubehalten.
Die Elektroden 40 sind ausreichend lang, um sich vollständig durch die Rohre 12, durch die Rohrplatten 28 und 30 und vollständig durch den Einlass- und den Auslass-Verteiler 32, 36 zu erstrecken. Die Elektroden 40 sind vorzugsweise in der Form von zylindrischen Metallstäben und sind bevorzugt von ausreichender Steifigkeit bzw. Festigkeit, um eine minimale Stütze zwischen ihren Enden zu erfordern. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Elektroden Stäbe aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von etwa 1/8 Inches (= 0,3175 cm) auf.
Die Elektroden 40 erstrecken sich durch die Rohre 12 und die Rohrplatten 28, 30 in einer beabstandeten Beziehung dazu und die Elektroden 40 können zwischen ihren Enden gestützt sein, um einen erwünschten Abstand von den Seitenwänden der Rohre 12 beizubehalten. Zu diesem Zweck können Abstandhalter innerhalb der Rohre 12 vorgesehen sein, um den Abstand beizubehalten. Die 5 stellt ein Beispiel eines Abstandhalters 42 dar, der zum Beibehalten des Abstands zwischen den Elektroden 40 und den Seitenwänden der Rohre 12 verwendet werden kann. Der Abstandhalter 42 ist aus elektrisch isolierendem Material, wie beispielsweise Keramik, hergestellt und enthält eine zentrale Nabe 44 mit einer Öffnung 46, durch welche sich eine Elektrode erstrecken kann. Der Abstandhalter 42 weist auch eine Vielzahl von radialen Armen 48 auf, die sich von der Nabe 44 um einen Abstand nach außen erstrecken, der ausreichend ist, so dass die Arme 48 einen Kontakt mit den inneren Oberflächen der Rohre 12 herstellen. Das zweite Wärmeaustauschfluid fließt durch die Lücken 50 zwischen den Armen 48.
Die Elektroden 40 sind an ihren Enden durch ein Paar von elektrisch isolierenden Strukturen gestützt bzw. gelagert. Diese Strukturen können vorzugsweise in der Form von Endkappen 52, 54 sein, die die entgegengesetzten Enden 34, 38 des Wärmetauschers 10 abschließen. Die Endkappen 52 und 54 sind in 1 derart gezeigt, dass sie in einem abgedichteten Eingriff mit dem Gehäuse 16 sind. Es wird erkannt werden, dass die Mittel für einen Eingriff zwischen den Endkappen 52, 54 und dem Gehäuse 16 variabel sind. Beispielsweise kann es eine gewisse Überlagerung zwischen den Endkappen 52, 54 und dem Gehäuse 16 geben und/oder die Endkappen 52, 54 können teilweise oder vollständig innerhalb des Gehäuses 16 aufgenommen sein. Die Endkappe 52 ist mit Mitteln zum Zuführen einer Spannung zu den Elektroden 40 versehen, wobei dies nachfolgend detaillierter diskutiert wird.
Die Endkappe 54 der 1 ist in der Form einer Platte oder einer Scheibe aus elektrisch isolierendem Material, wie beispielsweise Keramik. Die Endkappe 54 ist gegossen oder auf andere Weise ausgebildet, um eine Vielzahl von Löchern 56 zu haben, in welchen die Enden der Elektroden 40 aufgenommen werden. Die Löcher 56 erstrecken sich nur teilweise durch die Endkappe 54, damit sie die Enden der Elektroden 40 vollständig umgeben. Beim Wärmetauscher 10 weist die Endkappe 54 eine zylindrische Scheibe mit einem Durchmesser auf, der im Wesentlichen derselbe wie derjenige des Gehäuses 16 ist.
Die andere Endkappe 52, die in 1 gezeigt ist, besteht aus zwei Schichten 58, 60 aus elektrisch isolierendem Material, die durch eine leitende Schicht 62 getrennt sind. Die isolierenden Schichten 58, 60 können auch in der Form von perforierten Platten oder Scheiben sein, wie es oben unter Bezugnahme auf die Endkappe 54 beschrieben ist. Eine 58 der Schichten, die von dem Ende 34 des Wärmetauschers 10 aus nach innen angeordnet ist, hat eine Vielzahl von Perforationen bzw. Löchern 64, die sich vollständig dort hindurch erstrecken. Die Enden der Elektroden 40 erstrecken sich vollständig durch die Perforationen 64 und sind in Kontakt mit der leitenden Schicht 62, die vorzugsweise eine Metallplatte oder -scheibe von demselben Durchmesser wie die Schichten 58, 60 aufweisen kann. Vorzugsweise ist die leitende Schicht 62 aus einem Metall ausgebildet, das dasselbe wie das oder kompatibel mit dem Metall ist, aus welchem die Elektroden 40 hergestellt sind. Beispielsweise kann dort, wo die Elektroden 40 Stäbe aus rostfreiem Stahl aufweisen, die leitende Schicht 62 aus einer Platte oder einer Scheibe aus rostfreiem Stahl bestehen. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann es bevorzugt sein, die Elektroden 40 an die leitende Schicht 62 zu bondieren und/oder die isolierenden Schichten 58, 60 an die leitende Schicht 62 zu bondieren.
Die zweite isolierende Schicht 60 ist an dem Ende 34 des Wärmetauschers 10 angeordnet und bedeckt die leitende Schicht 62.
Die leitende Schicht 62 der Endkappe 52 ist in elektrischer Kommunikation mit einer Hochspannungsquelle 66, die vorzugsweise eine modifizierte Zündkerze aufweisen kann. Die Spannungsquelle 66 kann vorzugsweise eine gepulste Spannung von etwa 1 bis etwa 30 kV und mit einem niedrigen Strom liefern. Die Spannungserfordernisse werden von der Geometrie und der Größe abhängen, die zum Erzeugen einer erwünschten Plasmaentladung nötig sind. Die Frequenz kann auch variiert werden, um eine Leistungsfähigkeit zu verbessern, oder kann variiert werden, um zur Motordrehzahl und zur Gasflussrate zu passen. Die modifizierte Zündkerze kann vorzugsweise durch die Speichereinheit für elektrische Energie des Fahrzeugs versorgt werden und der Spannungspuls kann vorzugsweise durch einen schnell agierenden Schalter gesteuert werden, der in das elektronische Steuermodul des Fahrzeugs programmiert ist.
Wenn er als Abgaskühler eingesetzt wird, sind das erste Einlass- und das erste Auslass-Anschlussstück 19, 25 des Wärmetauschers 10 mit einem Kühlmittelkreis verbunden und ein flüssiges Kühlmittel fließt durch den ersten Fluiddurchgang 21 in Kontakt mit den Rohren 12. Das flüssige Kühlmittel kann vorzugsweise ein Glykol/Wasser-Motorkühlmittel aufweisen. Das zweite Einlass- und das zweite Auslass-Anschlussstück 27, 29 sind in das Abgassystem verbunden, so dass ein heißes Abgas durch den zweiten Fluiddurchgang 23 fließt, der durch die Innenbereiche 26 der Rohre 12 verläuft. Das Abgas wird eine gewisse Menge an Stickoxid (NO) und kohlenstoffhaltigem Ruß enthalten. Wenn die heißen Abgase durch die Rohre 12 laufen, sind sie durch die Seitenwände der Rohre 12 in Wärmeaustauschkontakt mit dem flüssigen Kühlmittel. Wärme von den Abgasen wird durch die Seitenwände der Rohre 12 transferiert und wird durch das Kühlmittel absorbiert, wie bei einem herkömmlichen Abgaskühler.
Zusätzlich werden durch die leitende Schicht 62 der Endkappe 52 Spannungspulse zu den Elektroden 40 geführt. Diese Spannungspulse resultieren in einer elektrischen Entladung von den Elektroden 40, was in der Erzeugung eines nichtthermischen Entladeplasmas innerhalb der Rohre 12 resultiert. Die Plasmaentladung wandelt wenigstens einen Teil von dem NO in Stickstoffdioxid (NO₂) um, welches mit dem Ruß reagiert, um Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Stickstoff (N₂) zu erzeugen. Das Abgas, das aus dem Wärmetauscher 10 austritt, ist daher reiner und enthält geringere Mengen an NO_x und Ruß als vor einer Behandlung im Wärmetauscher 10. Ein Teil des gereinigten, gekühlten Abgases, das aus dem Wärmetauscher 10 austritt, kann zu dem Einlass-Verteiler des Motors (nicht gezeigt) geführt werden.
Es wird auch erwartet, dass die Plasmaentladung andere Vorteile zur Verfügung stellt. Beispielsweise dort, wo ein Teil des Abgases wieder zu dem Motor geführt wird, können noch durch das Plasma ausgebildete freie Radikale vorhanden sein, wenn das Abgas in den Einlass-Verteiler eintritt, und es würde erwartet werden, dass sie den Verbrennungsprozess verbessern. Zusätzlich wird geglaubt, dass das eingerichtete elektrische Feld zusätzliche Kräfte im Gasstrom erzeugen kann, wobei diese Kräfte elektrohydrodynamische Kräfte (elektrophoretisch) genannt werden oder allgemeiner "Korona-Wind" ge nannt werden. Diese Kräfte können einen Wärmetransfer durch Erhöhen einer Turbulenz innerhalb des zweiten Fluiddurchgangs 23 und folgliches Erniedrigen der thermischen Grenzschicht erhöhen.
Ein zweiter bevorzugter Wärmetauscher 110 ist in den 6 bis 8 schematisch dargestellt. Der Wärmetauscher 110 ist vom Typ mit "gestapelten Rohren" gleich demjenigen, der in dem US-Patent Nr. 7,195,060 (Martin et al.), erteilt am 27. März 2007 und mit dem Titel "Stacked-Tube Heat Exchanger", beschrieben ist, welches hierin in seiner Gesamtheit durch Bezugnahme enthalten ist.
Der Wärmetauscher 110 weist eine Vielzahl von länglichen, allgemein flachen Rohren 112 auf, die jeweils eine Breitendimension haben, die größer als ihre Höhendimension ist. Die Rohre 112 können vorzugsweise identisch zu den Rohren 12 des in dem oben angegebenen US-Patent Nr. 7,195,060 beschriebenen Wärmetauschers 10 sein, der entweder in einem Stück aufgebaut ist oder Plattenpaare aufweist, wie es in 7 gezeigt ist. Die Rohre 112 erstrecken sich parallel zueinander, um eine Längsachse 10 zu definieren, und sind in der Form eines Rohrstapels 114 angeordnet. Die Rohre haben Endteilbereiche 115, die in der vertikalen Richtung erweitert sind, so dass die Endteilbereiche 115 eine Höhe haben, die größer als eine Höhe der zentralen Teilbereiche der Rohre 112 ist. Dies lässt zu, dass die zentralen Teilbereiche der Rohre 112 voneinander beabstandet sind, während die Endteilbereiche 115, ohne die Notwendigkeit für ein perforiertes Kopfteil oder eine perforierte Rohrplatte, direkt gegenseitig abgedichtet sein können. Obwohl der Wärmetauscher 110 derart gezeigt ist, dass er einen kopfteillosen Aufbau hat, wird es erkannt werden, dass die Rohre 112 des Wärmetauschers 110 stattdessen von einer konstanten Höhe sein können und die Rohrenden 115 in geschlitzten Kopfteilen aufgenommen werden können, die die Enden des ersten Fluidflussdurchgangs 130 abdichten.
Der Rohrstapel 114 ist entlang seiner Seiten durch eine äußere Hülle oder ein äußeres Gehäuse 116 umgeben, die oder das sich in axialer Richtung erstreckt und die oder das vorzugsweise identisch zu dem Gehäuse 44 des in dem oben angegebenen US-Patent Nr. 7,195,060 beschriebenen Wärmetauschers 10 sein kann. Das Gehäuse 116 des Wärmetauschers 110 hat ein Paar von Seitenplatten 118, 120 und ein Paar von Endplatten 122, 124, die sich entlang der Achse A erstrecken. Das in den Zeichnungen gezeigte Gehäuse 116 hat einen rechteckförmigen Querschnitt. Es wird jedoch erkannt werden, dass das Gehäuse, in Abhängigkeit von der Form des Rohrstapels 114, den es umgibt, irgendeine geeignete Form haben kann. Die Enden des Gehäuses 116 überlagern die Endteilbereiche 115 der Rohre 112 und sind mit diesen abgedichtet, obwohl stattdessen irgendeine der in dem oben angegebenen US-Patent Nr. 7,195,060 offenbarten alternativen Anordnungen, wie beispielsweise der in den 4A, 4B und 4C des US-Patents Nr. 7,195,060 gezeigten Anordnungen, verwendet werden könnte.
Die Seitenwand des Gehäuses 116 ist mit einem ersten Einlassanschluss 126 und einem ersten Auslassanschluss 128 versehen (nur ein Einlassanschluss 126 ist in 6 zu sehen), die durch einen ersten Fluiddurchgang 130 in Flusskommunikation miteinander sind. Der erste Fluiddurchgang 130 weist die Räume zwischen benachbarten Rohren 112 auf und beide Anschlüsse 126, 128 sind in Flusskommunikation mit jedem der Räume zwischen benachbarten Rohren 112 im Stapel 114. Um eine Flusskommunikation zwischen den Anschlüssen 126, 128 und den Räumen zwischen den Rohren 112 zur Verfügung zu stellen, sind die Anschlüsse 126, 128 in erhöhten bzw. angehobenen Verteilern 132, 134 (siehe 7) angeordnet, von welchen jeder einen erhöhten Teilbereich von einer der Seitenplatten 118, 120 aufweist, der sich über im Wesentlichen die gesamte Höhe der Seitenplatte 118, 120 erstreckt. Die erhöhten Verteiler 132, 134 können vorzugsweise dasselbe Erscheinungsbild wie die in dem US-Patent Nr. 7,195,060 beschriebenen Verteiler 56, 60 haben.
Wie bei dem oben beschriebenen Wärmetauscher 10 ist der Wärmetauscher 110 mit einem Paar von Endkappen 136, 138 versehen, die die entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 110 abschließen. Die Endkappen 136, 138 haben vorzugsweise einen rechteckförmigen transversalen Querschnitt und sind in abgedichtetem, überlagerndem Eingriff mit den Endteilbereichen 115 der Rohre 112. Es wird erkannt werden, dass verschiedene alternative Anordnungen zum Abdichten der Enden des Wärmetauschers 110 möglich sind, einschließlich derjenigen, die in dem US-Patent Nr. 7,195,060 offenbart sind und die oben angegeben sind. Beispielsweise könnten die End kappen 136, 138 die Enden des Gehäuses 116 überlagern oder könnten die Enden des Gehäuses 116 die Endkappen 136, 138 überlagern.
Die Endkappen 136, 138 sind jeweils mit einem zweiten Einlassanschluss 140 und einem zweiten Auslassanschluss 142 versehen. Der zweite Einlass- und der zweite Auslassanschluss 140, 142 sind durch einen zweiten Fluiddurchgang 144, der die hohlen Innenbereiche der Rohre 112 enthält, in Flusskommunikation miteinander. Im Einsatz fließt ein zweites Wärmeaustauschfluid durch die Innenbereiche 126 der Rohre 112 zwischen dem zweiten Einlassanschluss 122 und dem zweiten Auslassanschluss 124, wobei das zweite Fluid durch die Seitenwände der Rohre 112 in Wärmeaustauschkommunikation mit dem ersten Fluid ist. Wie es in den Zeichnungen gezeigt ist, ist ein erster Verteilerraum 146 innerhalb der ersten Endkappe 136 vorgesehen, um eine Flusskommunikation zwischen allen Rohrenden 115 und dem zweiten Einlassanschluss 140 zur Verfügung zu stellen, und ist ein zweiter Verteilerraum 148 innerhalb der zweiten Endkappe 138 vorgesehen, um eine Flusskommunikation zwischen allen Rohrenden 115 und dem zweiten Auslassanschluss 142 zur Verfügung zu stellen.
Obwohl es in den Zeichnungen nicht gezeigt ist, wird es erkannt werden, dass der erste Einlass- und der erste Auslassanschluss 126, 128 mit Einlass- und Auslass-Anschlussstücken versehen sein können, und der zweite Einlass- und der zweite Auslassanschluss 140, 142 sind mit Einlass- und Auslass-Anschlussstücken 154, 156 versehen. Die Formen und Konfigurationen der Anschlussstücke sind natürlich teilweise abhängig von Aufmachungserfordernissen und sind daher äußerst variabel. Beispielsweise können das Einlass- und das Auslass-Anschlussstück 154, 156 des zweiten Einlass- und des zweiten Auslassanschlusses 140, 142 vorzugsweise von derselben Form und Konfiguration wie der Einlass- und der Auslassanschluss 27, 29 des oben beschriebenen Wärmetauschers 10 sein.
Somit weist der Wärmetauscher 110 einen ersten Fluiddurchgang 130 auf, der im Innenbereich des Gehäuses 116 angeordnet ist und die Räume zwischen benachbarten Rohren 112 aufweist, und einen zweiten Fluiddurchgang 144, der die Innenbereiche der Rohre 112 und den Einlass- und den Auslass-Verteilerraum 146, 148 aufweist. Die Fluiddurchgänge 130, 144 sind durch wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche in Wärmeaustauschkommunikation miteinander. Bei dem bevorzugten Wärmetauscher 110 gibt es eine Vielzahl von Wärmeaustauschoberflächen, die die obersten und untersten Wände der Rohre 112 aufweisen. Wo der Wärmetauscher 110 ein Abgaskühler ist, weist das erste Wärmeaustauschfluid ein flüssiges Kühlmittel auf und weist das zweite Wärmeaustauschfluid heiße Abgase auf, wie bei dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Der Wärmetauscher 110 weist weiterhin wenigstens eine Elektrode 158 auf, die im zweiten Fluiddurchgang 144 angeordnet ist, der der Abgasdurchgang in dem Fall ist, in welchem der Wärmetauscher 110 einen Abgaskühler aufweist. Beim Aufbau mit gestapelten Rohren des Wärmetauschers 110 ist vorzugsweise eine Vielzahl von Elektroden 158 vorgesehen, die sich jeweils durch den hohlen Innenbereich von einem der Rohre 112 erstreckt. Bevorzugter ist der Innenbereich von jedem Rohr 112 mit wenigstens einer Elektrode 158 versehen und kann, wie es in 7 gezeigt ist, jedes Rohr 112 mit einer Vielzahl von Elektroden 158 versehen sein, die in einer beabstandeten, parallelen Beziehung zueinander angeordnet sind. Da ein Teilbereich des inneren Volumens jedes Rohrs 112 durch die Elektroden 158 weggenommen wird, kann es bevorzugt sein, dass die Rohre 112 im Querschnittsbereich etwas größer als die Rohre eines herkömmlichen Wärmetauschers mit gestapelten Rohren sind oder dass eine größere Anzahl von Rohren 112 verwendet wird, um einen ausreichenden Fluss des zweiten Wärmeaustauschfluids durch die Rohre 112 beizubehalten.
Die Elektroden 158 sind ausreichend lang, um sich vollständig durch die Rohre 112 und durch die Rohrenden 115 zu erstrecken. Die Elektroden 158 können sich vorzugsweise vollständig durch die Einlass- und Auslass-Verteilerräume 146, 148 erstrecken. Die Elektroden 158 können vorzugsweise in der Form von Metallstäben sein, die von ausreichender Steifigkeit bzw. Festigkeit sind, um eine minimale Stützung zwischen ihren Enden zu erfordern. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die Elektroden Stäbe aus rostfreiem Stahl 158a mit einem Durchmesser von etwa 1/8 Inches (= 0,3175 cm) auf. 7 stellt drei bevorzugte Formen von Elektroden 158 dar. Die meisten der Rohre 112, die in 7 gezeigt sind, enthalten eine Vielzahl von Elektroden 158a in der Form von zylindrischen Stäben, wobei die Elektroden 158a über die Breite der Rohre 112 voneinander beabstandet sind. Eines der in 7 gezeigten Rohre 112 enthält eine Vielzahl von Elektroden 158b mit einem abgeflachten, ovalen Querschnitt und ein anderes der Rohre 112 enthält eine einzige flache, plattenartige Elektrode 158c, die perforiert sein kann oder nicht. Auch andere Formen sind möglich. Beispielsweise können die Elektroden 158c in der Form eines Drahtgitters oder eines Streckmetalls sein. Es wird erkannt werden, dass die in 7 gezeigten verschiedenen Elektrodenkonfigurationen nur illustrativen Zwecken dienen. Es kann bevorzugt sein, dass jedes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers gemäß der Erfindung nur einen Typ von Elektrode haben wird.
Die Elektroden 158 erstrecken sich durch die Rohre 112 in einer beabstandeten Beziehung dazu und in einer beabstandeten Beziehung zueinander. Die Elektroden 158 können zwischen ihren Enden gestützt sein, um einen erwünschten Abstand von den Seitenwänden der Rohre 112 beizubehalten. Zu diesem Zweck können Abstandhalter innerhalb der Rohre 112 vorgesehen sein, um den Abstand beizubehalten. 7 zeigt zwei unterschiedliche Typen von Abstandhaltern, die mit stabförmigen Elektroden, wie beispielsweise den Elektroden 158a und 158b der 7, verwendet werden können. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Abstandhalter 166 vorgesehen, der bezüglich des Aufbaus identisch zu dem oben beschriebenen Abstandhalter 42 ist, außer dass er vier Beine bzw. Arme für eine zusätzliche Stabilität innerhalb des rechteckförmigen Rohrs 112 hat. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist ein Abstandhalter 168 in der Form eines Blocks mit einer zentralen Arbeitsöffnung vorgesehen, durch welche sich die Elektrode 158 erstreckt. Es wird erkannt werden, dass viele alternative Formen von Abstandhaltern innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung in Abhängigkeit von den Elektroden- und Rohrformen möglich sind.
Die Elektroden 158 werden an ihren Enden durch ein Paar von elektrisch isolierenden Strukturen gestützt. Diese Strukturen können vorzugsweise in der Form von Endkappen 170, 172 sein, die die entgegengesetzten Enden des Wärmetauschers 110 abschließen. Die Endkappen 170 und 172 sind in 6 derart gezeigt, dass sie in abgedichtetem Eingriff mit dem Gehäuse 116 sind. Es wird erkannt werden, dass die Mittel für einen Eingriff zwischen den Endkappen 170, 172 und dem Gehäuse 116 variabel sind. Bei spielsweise kann es eine gewisse Überlagerung zwischen den Endkappen 170, 172 und dem Gehäuse 116 geben und/oder können die Endkappen 170, 172 teilweise oder vollständig innerhalb des Gehäuses 116 aufgenommen sein. Die Endkappe 172 ist mit Mitteln zum Zuführen einer Spannung zu den Elektroden 158 versehen, wie es nachfolgend diskutiert wird. Bei dem Wärmetauscher 110 haben die Endkappen 170, 172 eine rechteckförmige Größe und Form entsprechend derjenigen des Gehäuses 116, obwohl ihre Form variiert werden kann.
Die Endkappe 170 der 6 ist in der Form einer Platte aus elektrisch isolierendem Material, wie beispielsweise Keramik. Die Endkappe 170 ist gegossen oder auf andere Weise ausgebildet, um eine Vielzahl von Löchern 174 zu haben, in welchen die Enden der Elektroden 158 aufgenommen werden. Die Löcher 174 erstrecken sich nur teilweise durch die Endkappe 170, um die Enden der Elektroden 158 vollständig zu umgeben.
Die andere Endkappe 172, die in 6 gezeigt ist, besteht aus zwei Schichten 176, 178 aus elektrisch isolierendem Material, die durch eine leitende Schicht 180 getrennt sind. Eine der isolierenden Schichten 176 ist in der Form einer perforierten Platte mit einer Vielzahl von Perforationen 182, die sich vollständig dort hindurch erstrecken. Die Enden der Elektroden 158 erstrecken sich vollständig durch die Perforationen 182 und sind in Kontakt mit der leitenden Schicht 180, die vorzugsweise eine Metallplatte aufweisen kann. Die obigen Kommentare in Bezug auf die Auswahl von Materialien für die Elektroden 40 und die leitende Schicht 62 gelten hier ebenso. Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann es bevorzugt sein, die Elektroden 158 an die leitende Schicht 180 zu bondieren und/oder die isolierenden Schichten 176, 178 an die leitende Schicht 180 zu bondieren. Die zweite isolierende Schicht 178 ist an dem Ende des Wärmetauschers 110 angeordnet und bedeckt die leitende Schicht 180.
Die leitende Schicht 180 der Endkappe 172 ist in elektrischer Kommunikation mit einer Hochspannungsquelle 184, die vorzugsweise dieselbe wie diejenige sein kann, die oben unter Bezugnahme auf das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel beschrieben ist.
Die Verwendung des Wärmetauschers 110 als Abgaskühler ist so, wie es oben in Verbindung mit dem Wärmetauscher 10 beschrieben ist.
Obwohl die Erfindung in Verbindung mit bestimmten bevorzugten Ausführungsbeispielen beschrieben worden ist, ist sie nicht darauf beschränkt. Vielmehr enthält die Erfindung innerhalb ihres Schutzumfangs alle Ausführungsbeispiele, die in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche fallen können.
Zusammenfassung
WÄRMETAUSCHER UND VERFAHREN ZUM BEHANDELN VON ABGASEN VON VERBRENNUNGSMOTOREN
Eine Kombination aus Abgaskühler und Vorrichtung für nichtthermisches Plasma hat einen ersten und einen zweiten Fluiddurchgang, die in einer Wärmeaustauschkommunikation miteinander sind. Eine oder mehrere Elektroden sind in dem zweiten Fluiddurchgang angeordnet. Die Elektroden sind mit einer Spannungsquelle verbunden. Wenn eine Spannung von ausreichender Größe an die Elektroden angelegt wird, wird ein nichtthermisches Plasma in dem zweiten Fluiddurchgang erzeugt. Die Vorrichtung kann in der Form eines Rohrbündel-Wärmetauschers oder eines Wärmetauschers vom Typ mit gestapelten Rohren aufgebaut sein, wobei sich die Elektroden durch die Wärmeaustauschrohre erstrecken. Heiße Abgase fließen vorzugsweise durch die Rohre in einem Wärmeaustauschkontakt mit einem flüssigen Kühlmittel, um dadurch die Abgase zu kühlen. Die Elektroden erzeugen nichtthermisches Plasma innerhalb der Rohre, was wenigstens einen Teil von NO im Abgas in NO₂ umwandelt, welches mit Ruß in den Abgasen reagiert, um CO₂ und N₂ zu erzeugen, um dadurch die Abgase zu reinigen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 2005/0067153 A1 [0024]
- US 7195060 [0039, 0040, 0041, 0041, 0041, 0042, 0043]

Claims

Wärmetauscher, der folgendes aufweist: einen ersten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem ersten Einlassanschluss und einem ersten Auslassanschluss erstreckt; einen zweiten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem zweiten Einlassanschluss und einem zweiten Auslassanschluss erstreckt, wobei der erste und der zweite Fluiddurchgang gegenseitig abgedichtet sind; wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche, durch welche der erste und der zweite Fluiddurchgang in einer Wärmeaustauschkommunikation miteinander sind; und wenigstens eine Elektrode, die in dem zweiten Fluiddurchgang angeordnet ist; wobei die wenigstens eine Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist, die während eines Einsatzes des Wärmetauschers eine Spannung an die wenigstens eine Elektrode anlegt; und wobei die Spannung von ausreichender Größe ist, um zu veranlassen, dass die wenigstens eine Elektrode ein nichtthermisches Plasma in dem zweiten Fluiddurchgang erzeugt.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Elektrode von der wenigstens einen Wärmeaustauschoberfläche beabstandet ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, der weiterhin ein Gehäuse aufweist, das den ersten und den zweiten Fluiddurchgang umgibt, wobei das Gehäuse eine Seitenwand hat, in welcher der erste und der zweite Einlassanschluss und der erste und der zweite Auslassanschluss ausgebildet sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, der eine Vielzahl von beabstandeten, parallelen, länglichen Rohren enthält, von welchen jedes eine Seitenwand und einen hohlen Innenbereich hat; wobei der zweite Fluiddurchgang die hohlen Innenbereiche der länglichen Rohre aufweist und wobei der erste Fluiddurchgang einen Bereich aufweist, der die Rohre umgibt; und wobei die wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche die Seitenwände der Rohre aufweist.
Wärmetauscher nach Anspruch 4, wobei Dichtungseinrichtungen benachbart zu den Enden der Rohre vorgesehen sind, um eine Flusskommunikation zwischen dem ersten und dem zweiten Fluiddurchgang zu verhindern.
Wärmetauscher nach Anspruch 5, wobei die Dichtungseinrichtung ein Paar von Kopfteilen aufweist, die an entgegengesetzten Enden der Rohre angeordnet sind; wobei die Enden der Rohre gegenüber den Kopfteilen abgedichtet sind und die Kopfteile mit einer Vielzahl von Perforationen versehen sind, von welchen jede mit einem Innenbereich von einem der Rohre kommuniziert.
Wärmetauscher nach Anspruch 6, wobei der zweite Fluiddurchgang weiterhin einen Einlass-Verteiler aufweist, durch welchen der zweite Fluid-Einlassanschluss mit den Innenbereichen der Rohre kommuniziert, und einen Auslass-Verteiler, durch welchen der zweite Fluid-Auslassanschluss mit den Innenbereichen der Rohre kommuniziert.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine Elektrode durch eine oder mehrere elektrisch isolierende Stützstrukturen gestützt bzw. gelagert ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei der zweite Fluiddurchgang länglich ist und entgegengesetzte Enden hat, die offen sind; wobei jede der Elektroden sich vollständig durch den zweiten Fluiddurchgang erstreckt; und wobei entgegengesetzte Enden der Elektroden außerhalb des zweiten Fluiddurchgangs angeordnet sind und durch die Stützstrukturen gestützt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, der weiterhin ein Gehäuse aufweist, das den ersten und den zweiten Fluiddurchgang umgibt, wobei das Gehäuse entgegengesetzte Enden hat, an welchen die Stützstrukturen angebracht sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 10, wobei die Stützstrukturen Endkappen aufweisen, die die Enden des Gehäuses abdichten.
Wärmetauscher nach Anspruch 9, der weiterhin eine elektrisch leitende Platte aufweist, die in elektrischem Kontakt mit einem Ende von jeder der Elektroden ist und durch welche die Spannung an die Elektroden angelegt wird, wobei die elektrisch leitende Platte an einer der Stützstrukturen angebracht ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 8, wobei die Stützstrukturen zwischen entgegengesetzten Enden der Elektroden angeordnet sind und einen Abstand zwischen den Elektroden und der wenigstens einen Wärmeaustauschoberfläche aufrechterhalten.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei die Spannung von etwa 1 bis 30 kV ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei Spannung gepulst ist.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher einen Rohrbündel-Wärmetauscher aufweist, der eine Vielzahl von parallelen, länglichen, sich in Längsrichtung erstreckenden Rohren mit hohlen Innenbereichen aufweist, wobei die Rohre in einem Rohrbündel angeordnet sind, das innerhalb eines sich in Längsrichtung erstreckenden Gehäuses aufgenommen ist; wobei der erste Fluiddurchgang einen Innenbereich des Gehäuses aufweist und der zweite Fluiddurchgang die hohlen Innenbereiche der Rohre aufweist; wobei die wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche Seitenwände der Rohre aufweist; wobei jedes der Rohre eine der Elektroden hat, die sich in Längsrichtung durch seinen hohlen Innenbereich in beabstandeter Beziehung zu der Rohrseitenwand erstreckt; und wobei entgegengesetzte Enden der Elektroden durch Stützstrukturen gestützt bzw. gelagert sind, die an entgegengesetzten Enden des Gehäuses angeordnet sind; wobei die Stützstrukturen einen elektrischen Kontakt zwischen der Elektrode und dem Rohrbündel und dem Gehäuse verhindern; wobei eine der Stützstrukturen eine elektrisch leitende Struktur enthält, durch welche die Spannung an ein Ende jeder Elektrode angelegt wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher einen Rohrstapel-Wärmetauscher aufweist, der eine Vielzahl von parallelen, länglichen, sich in Längsrichtung erstreckenden Rohren mit hohlen Innenbereichen aufweist, wobei jedes der Rohre eine Breite hat, die wesentlich größer als seine Höhe ist, wobei die Rohre in einem Rohrstapel angeordnet sind, der innerhalb eines sich in Längsrichtung erstreckenden Gehäuses aufgenommen ist; wobei der erste Fluiddurchgang eine Vielzahl von Räumen zwischen den Rohren aufweist und der zweite Fluiddurchgang die hohlen Innenbereich der Rohre aufweist; wobei die wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche Seitenwände der Rohre aufweist; wobei jedes der Rohre wenigstens eine der sich in Längsrichtung erstreckenden Elektroden hat, die sich durch seinen hohlen Innenbereich erstrecken, wobei die wenigstens eine Elektrode in beabstandeter Beziehung zu der Rohrseitenwand angeordnet ist; und wobei entgegengesetzte Enden der wenigstens einen Elektrode durch Stützstrukturen gestützt sind, die an entgegengesetzten Enden des Gehäuses angeordnet sind; wobei die Stützstrukturen einen elektrischen Kontakt zwischen der wenigstens einen Elektrode und dem Rohrstapel und dem Gehäuse verhindern; wobei eine der Stützstrukturen eine elektrisch leitende Struktur enthält, durch welche die Spannung an ein Ende jeder Elektrode angelegt wird.
Wärmetauscher nach Anspruch 17, wobei jedes der Rohre eine Vielzahl der sich in Längsrichtung erstreckenden Elektroden hat, die sich durch seinen hohlen Innenbereich erstrecken und die über die Breite des Rohrs in beabstandeter, paralleler Beziehung zueinander sind.
Verfahren zum Reduzieren von Emissionen von Stickstoffoxiden im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, welches Verfahren folgendes aufweist: (a) Vorsehen eines Wärmetauschers im Abgasstrom des Verbrennungsmotors, wobei der Wärmetauscher folgendes aufweist: (i) einen ersten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem ersten Einlassanschluss und einem ersten Auslassanschluss erstreckt; (ii) einen zweiten Fluiddurchgang, der sich zwischen einem zweiten Einlassanschluss und einem zweiten Auslassanschluss erstreckt, wobei der erste und der zweite Fluiddurchgang gegenseitig abgedichtet sind, wobei der zweite Fluiddurchgang und der zweite Einlassanschluss und der zweite Auslassanschluss in Flusskommunikation mit dem Abgasstrom sind; (iii) wenigstens eine Wärmeaustauschoberfläche, durch welche der erste und der zweite Fluiddurchgang in einer Wärmeaustauschkommunikation miteinander sind; und (iv) wenigstens eine Elektrode, die im zweiten Fluiddurchgang angeordnet ist; wobei die wenigstens eine Elektrode mit einer Spannungsquelle verbunden ist; (b) Führen von heißen Abgasen durch den Abgasstrom und durch den zweiten Fluiddurchgang des Wärmetauschers, so dass heiße Abgase, die durch den Abgasstrom fließen, durch den zweiten Einlassanschluss in den Wärmetauscher eintreten, durch den zweiten Fluiddurchgang fließen und aus dem Wärmetauscher durch den zweiten Auslassanschluss austreten; wobei die heißen Abgase Mengen an Stickoxid und kohlenstoffhaltigem Ruß enthalten; (c) Führen eines Kühlmittels durch den ersten Fluiddurchgang; und (d) Erregen der Spannungsquelle, um eine Spannung an die wenigstens eine Elektrode anzulegen; wobei die Spannung von ausreichender Größe ist, um zu veranlassen, dass die wenigstens eine Elektrode ein nichtthermisches Plasma in dem zweiten Fluiddurchgang erzeugt, wobei das nichtthermische Plasma veranlasst, dass wenigstens ein Teil des Stickoxids in den heißen Abgasen in Stickstoffdioxid umgewandelt wird, das mit dem Ruß reagiert, um Kohlenstoffdioxid und Stickstoff zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei die Spannung gepulst wird.