DE2800894A1

DE2800894A1 - Verfahren zum ueberfuehren einer retrograden substanz in den gasfoermigen zustand

Info

Publication number: DE2800894A1
Application number: DE19782800894
Authority: DE
Inventors: Gerd E A Dr Meier; Philip A Prof Dr Thompson
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Meier Gerd Ea Dipl-Phys Dr Thompson Philip
Priority date: 1978-01-10
Filing date: 1978-01-10
Publication date: 1979-07-12
Also published as: US4522183A; GB2014295A; DE2800894C2

Description

Verfahren zum überführen einer retrograden Substanz in den gasförmigen Zustand

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unter einer retrograden Substanz versteht man eine Substanz, deren charakteristische spezifische Wärme c > 11,2 haben. Ein großer Teil der heute in der Technik benutzten organischen Flüssigkeiten ist retrograd, insbesondere die üblichen Vergaser- und Dieselkraftstoffe sowie Kerosin.

Für viele Anwendungen ist eine möglichst vollständige Umwandlung solcher Flüssigkeiten in den gasförmigen Zustand erwünscht. Die ist von besonderer Bedeutung bei Kraftstoffen für Innenbrennkraftmaschinen, da eine vollständige Vergasung Voraussetzung für eine vollständige Verbrennung und einen niedrigen Schadstoffgehalt in den Abgasen ist.

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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem retrograde Substanzen auf neuartige Weise und bei den bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens vollkommen in Gas umgewandelt werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Verfahren läßt sich sehr einfach durchführen, da praktisch nur eine Erwärmung und Entspannung (Druckverringerung) der retrograden Substanz durchgeführt zu werden brauchen. Die retrograde Substanz wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung vom flüssigen Zustand zwangsläufig in den reinen Gaszustand umgewandelt.. ■ · " .

Die Entspannung kann im wesentlichenisentrop oder auch polytrop (z.B. mit Wärmezufuhr) erfolgen. Bei polytroper Zustandsänderung mit Wärmezufuhr ist eine geringere Temperaturerhöhung erforderlich als bei rein isentroper Entspannung.

Im folgenden werden die theoretischen Grundlagen und Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Druck-Temperatur-Diagramm (PT-Diagramm) für eine retrograde Flüssigkeit;

Fig. 2 ein Druck-Volumen-Diagramm (PV-Diagramm) für eine retrograde Flüssigkeit, anhand dessen bestimmte Ausführungsformen der Erfindung erläutert werden;

Fig. 3 ein weiteres PV-Diagramm, auf das zur Erläuterung anderer Ausführungsformen der Erfindung Bezug genommen wird;

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Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, und

Fig. 6 ein Schnitt in einer Ebene VI-VI der Fig. 5.

In dem PT-Diagramm gemäß Fig. 1 sind der Sättigungsdampfdruck (ausgezogen gezeichnete Kurve) und eine Isentrope (gestrichelt gezeichnete Kurve) für eine retrograde Substanz dargestellt. Die dargestellte Isentrope verläuft steiler als die Dampfdruckkurve, so daß die betreffende Substanz durch isentropische Expansion, z.B. von einem Anfangsdruck P_n auf einen Enddruck P vom flüssigen Zustand in den reinen Gaszustand übergeführt werden a

Diese Eigenschaft retrograder Substanzen wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung ausgenutzt. Um eine retrograde Substanz in den Gaszustand überzuführen, wird, kurz gesagt, die Substanz auf eine bestimmte Temperatur gebracht und dann auf einen bestimmten Enddruck entspannt, wobei die Temperatur so gewählt ist, daß der Endpunkt der durch die Entspannung bewirkten Zustandsänderung im Gasgehiet liegt.

Der Begriff "Zustandsänderung" soll hier in thermodynamischem Sinne verstanden werden und ein übergang der Substanz von einem durch eine Anfangstemperatur, einen Anfangsdruck und ein Anfangsvolumen bestimmten Anfangszustand in einem durch einen bestimmten Enddruck, ein bestimmtes Endvolumen und eine bestimmte Endtemperatur bestimmten Endzustand bedeuten.

In Fig. 2 sind Beispiele von Zustandsänderungen einer retrograden Substanz bei isentroper Expansion dargestellt. Die mit (1) bezeichnete Kurve ist die kritische Isentrope, die durch den kritischen Punkt geht. Mit (2), (3), (4) und (z) sind weitere Isentropen dargestellt. Die gestri-

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chelte Kurve ist die Phasengrenze ., welche unterhalb des kritischen Punktes die Existenzbereiche reine Flüssigkeit - Flüssigkeit-Dampf (Mischbereich) - Gas voneinander trennt. Schließlich ist durch eine strichpunktierte Linie die sogenannte Stabilitätsgrenze dargestellt, die durch den kritischen Punkt und näherungsweise durch die Minima der Isentropen geht (in der Praxis liegt die Stabilitätsgrenze anscheinend etwas links vom Minimum, wie es auch in Figur 2 dargestellt ist)

Es sei nun angenommen, daß die retrograde Substanz von einem

Anfangsdruck P_n bis auf einen Enddruck P entspannt und dabei in den gasu a

förmigen Zustand verwandelt werden soll. Erhitze man die Substanz vor der Entspannung auf eine Temperatur entsprechend dem Zustand A und entspannt, so tritt zuerst beim überschreiten der Dampfdruckkurve im Punkt B ein normaler Verdampfungsvorgang auf. Beim Erreichen eines Punktes C wird dann die Stabilitätsgrenze überschritten, der flüssige Zustand ist nicht mehr stabil und es tritt ein abrupter übergang in den gasförmigen Zustand ein. Die Substanz nimmt schließlich den Endzustand entsprechend dem Punkt E entsprechend dem Druck P ein.

Die Isentrope(2)erreicht die Stabilitätsgrenze im Punkt C~ beim

Enddruck P der Entspannung. Ein abrupter, explosionsartiger übergang in a

den Gaszustand tritt also bei diesem Beispiel bei allen Anfangszuständen zwischen A,. und A_? auf.

Bei der Isentrope (3) liegt der Endzustand E^ an der Grenze des gesättigten Dampfes. Diese Isentrope entspricht also einer Zustandsänderung, bei der die retrograde Substanz, für die das Diagramm der Fig. 2 gilt, bei der Entspannung von P_n auf P, gerade noch vollständig in den gas-

u a

förmigen Zustand übergeführt wird. Da die Isentrope (3) jedoch keinen über

dem Enddruck P, gelegenen Schnittpunkt mit der Stabilitätsgrenze hat, tritt a

keine explosionsartige Zerstäubung und überführung in den gasförmigen Zustand ein.

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Alle Isentropen im Bereich zwischen den beiden Grenz-Isentropen (1) und (3) haben also die Eigenschaft, daß flüssige Zustände ^Pg. T_Q, die

bis zum Druck P isentropisch entspannt werden, mit einer vollständigen übera

führung der retrograden Substanz in den gasförmigen Zustand verbunden sind. Für Isentropen zwischen den Grenz-Isentropen (1) und (2) wird die Stabilitätsgrenze S bei einem Druck erreicht, der über P, liegt, so daß ein prak-

tisch explosionsartiger übergang in den gasförmigen Zustand eintritt.

Eine vernünftige Grenze für die Erwärmung der Flüssigkeit ist durch die kritische Isentrope (1) gegeben, da hier letztmal ig flüssige Zustände kurz unterhalb des kritischen Punktes angenommen werden. Ausgangspunkte zwischen A. und Ap sind besonders vorteilhaft, da hier das Minimum der Isentrope bzw. die Stabilitätsgrenze S erreicht und bei der isentropen Entspannung der Flüssigkeit ein InstabiIitätspunkt überschritten wird. Die Flüssigkeit wird dann zwangsläufig in Gas umgewandelt und kann nicht als "übersättigte Flüssigkeit" in einem unterspannten oder unterkühlten Zustand fortbestehen.

Bei polytropen Zustandsänderungen, also im allgemeinen Zustandsänderungen mit Wärmezufuhr, verlaufen die die Zustandsänderungen darstellenden Kurven noch flacher. Die zur Verdampfung oder explosionsartigen Zerstäubung notwendigen Temperaturerhöhungen zur Erreichung des gewünschten Ausgangszustandes können dann noch niedriger gewählt werden.

Die Isentrope (4) in Fig. 2 führt zu einer nicht spontanen, jedoch durch Störungen eingeleiteten, teilweisen Verdampfung.

Die tatsächlich angenommenen Endzustände liegen in der Praxis nicht genau auf der entsprechenden Isotrope, wie es idealisiert durch die Punkte E₂...E. dargestellt ist, weil bei den dynamischen Prozessen der Verdampfung immer eine gewisse Entropiezunahme stattfindet. Für den Verdampfungsvorgang ist diese Entropiezunahme jedoch förderlich.

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Wenn der Enddruck P der Entspannung über dem kritischen Druck der betreffenden Substanz liegt, so kann eine Verdampfung nur dadurch sichergestellt werden, daß man die Substanz auf eine Temperatur erhitzt, die über der kritischen Ruhetemperatur liegt. Die Verhältnisse sind in dem PV-Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellt.

Eine isentrope Expansion längs der kritischen Isentrope oder Adiabate mit dem Anfangszustand Ρη, Τη. führt auch bei einem überkritischen

Enddruck P immer auf einen gasförmigen Endzustand. Das gleiche gilt für a

eine polytrope Zustandsänderung mit Wärmezufuhr, die bei einem flüssigen Zustand P_Q, T_Q2 beginnt, die kritische Isotherme und die kritische Isentrope schneidet und im Gasgebiet beim Enddruck P endet. Eine vernünftige Anfangstemperatur T_n, ist für jede polytrope Zustandsänderung mit Wärmezufuhr dadurch gegeben, daß man als Endpunkt der polytropen Zustandsänderung einen Punkt auf der kritischen Isentropen wählt, der dann mit Sicherheit im Dampfgebiet liegt, weil die betreffende Polytrope stets die flachere kritische Isotherme, welche den Bereich der Flüssigkeit begrenzt, schneidet. Bei nicht einheitlich zusammengesetzten Substanzen, also Gemischen, genügt es oft, wenn für die Substanzkomponente mit der niedrigsten kritischen Temperatur T_n^ die Ausgangstemperatur T_Q größer als T , ist. Dadurch kann dann das Gemisch auch bei hohen Enddrücken P zerstäubt werden.

In der folgenden Tabelle sind einige Beispiele von Zustandsänderungen für CgH₁₈ sowie C₁₄H₃₀ angegeben, bei denen ein übergang vom gesättigten flüssigen in den gesättigten gasförmigen Zustand durch isentrope Expansion nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt.

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Tabelle

Substanz	Anfangszustand (Flüssigkeit) T₀ (⁰C) P₀ (bar)	Endzustand (Gas T_a ^c	P a	Fig.2 Fall:
^C8^H18 (Oktan)	226 7,8 252 11,9 270 16,0 270 16,0	80 137 163 178 ·	0,1 1,0 1,0 3,0	B3/E3 B3/E3 Bz/Ez Bz/Cz
^C14^H30	109 0,5 322 4,3	85 245	0,004 1,0	B3/E3 B3/E3

Das Prinzip der Zerstäubung oder Verdampfung von retrograden Substanzen durch Erhitzen bei hohem Druck in der flüssigen Phase und anschließende adiabatische oder polytropische Entspannung läßt sich vielfach technisch einsetzen. Der Enddruck P kann z.B. dem Kammerdruck in einer

Innenbrennkraftmaschine oder dem Atmosphärendruck in einer Brennkammer einer Feuerung entsprechen.

Bei Otto- bzw. Dieselmotoren mit Direkteinspritzung wird der Brennstoff während des Kompressionstaktes in den Zylinder eingespritzt. Durch eine mangelhafte Zerstäubung des Kraftstoffes und eine unvollständige Vermischung mit der Verbrennungsluft, welche für einen guten Ausbrand der Zylinderfüllung unerläßlich sind, ergeben sich bisher in der Praxis erhebliche Probleme bezuglich der Verbrennung. Da es sich bei den üblichen flüssigen Kraftstoffen um retrograde Substanzen handelt, läßt sich das vorliegende Verfahren mit großem Vorteil für die Überführung des Kraftstoffes in den gasförmigen Zustand verwenden. Der Kraftstoff wird hierfür vor der Einspritzung in den Zylinder oder die Vorkammer gemäß den oben angegebenen Lehren erhitzt. Es sei in diesem Zusammenhange bemerkt, daß die

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Vorerhitzung von Brennstoffen, insbesondere von Schweröl an sich bekannt ist (siehe z.B. die DT-PS 841 973 und 1 103 079).

Wie Fig. 4 zeigt, läßt sich die Vorerhitzung des Kraftstoffes vor der Einspritzung z.B. durch eine besondere Ausführung der Einspritzdüse herbeiführen. Die Einspritzdüse 10 hat einen in den Verbrennungsraum 12 hineinragenden Hals 14, der mit Rippen versehen sein kann und so ausgebildet ist, daß im normalen Betriebszustand gerade soviel Wärme aufgenommen und an den durchfließenden Kraftstoff abgegeben wird, daß dieser einen gewünschten Ausgangszustand (A , Fig. 2) annimmt, der die gewünschte Zerstäubung bzw. Vergasung bewirkt. Es kann dabei zweckmäßig sein, in der Kraftstoffzuleitung zur Einspritzdüse ein Rückschlagventil 16 vorzusehen, damit die durch die Temperaturerhöhung verursachte Druckerhöhung nicht auf das Zuleitungssystem rückwirken kann. Die Einspritzdüse ist mit einer Steuervorrichtung 18 versehen, die nur schematisch dargestellt ist und in üblicher Weise ausgebildet sein kann.

Bei der Gleichdruckverbrennung, wie sie bei allen Feuerungsanlagen erfolgt, welche mit öl und emulgierten fetten Brennstoffen betrieben werden, läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit Erfolg auf die überführung der retrograden flüssigen BrennstoffanteiIe in den dampf- oder gasförmigen Zustand anwenden. Hierbei kann durch die feine Verteilung des Brennstoffes vor allem die Entstehung von Kohlenstoffteilchen durch Tröpfchendestillation verhindert und eine intensive Vermischung des Brenn^ stoffes mit der Luft durch Turbulenz der Gasströme erreicht werden. Eine Erhitzung des Brennstoffes in der Zuführungsleitung erfolgt hier zweckmäßigerweise durch vorgewärmte Luft, die zugleich zur Vormischung verwendet werden kann. Eine auf diesem Prinzip arbeitende Vorrichtung ist in Fig.5 und 6 dargestellt.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 5 und 6 ist im Prinzip ein üblicher Gebläsebrenner mit einem Luftgebläse 20, einer Brennstoffzuführungspumpe 22, einer Brennstoffdüse 24 und einem diese ringförmig umgebenden Luftkanal 26, der mit dem Auslaß des Gebläses 20 verbunden ist.

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Zusätzlich zu dieser, einem gewöhnlichen Gebläsebrenner entsprechenden Anordnung ist noch ein Vorwärmluftkanal 28 vorgesehen. Der Vorwärmluftkanal 28 hat einen rohrförmigen Einlaß 30, in den Teil der vom Gebläse 20 geförderten Luft eintritt. Diese Luft strömt dann durch einen ringförmigen Raum 32, der sich am unteren Ende des Gebläseluftkanales 34 befindet, wird dort erwärmt und strömt dann durch ein das Ende der Brennstoffleitung 36 umgebendes, etwa U-förmiges Rohr 38 parallel zur Düse 24 aus. Die abgezweigte Luft wird im Ringraum 32 erhitzt, gibt ihrerseits die benötigte Wärme an den Brennstoff in der Leitung 36 ab und tritt dann bei der Düse 24 aus, wo sie sich mit dem Brennstoffnebel vermischt.

Der im Rohr 38 verlaufende Teil der Brennstoffleitung 36 und die Außenwand des Raumes 32 können mit Rippen versehen sein, um die Oberfläche zu vergrößern und damit den Wärmeübergang zu verbessern. Diese bei Wärmeaustauschern übliche Maßnahme ist in Fig. 5 und 6 jedoch nicht dargestellt, um diese Figuren, die nur das Prinzip einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung zeigen sollen, nicht unnötig unübersichtlich zu machen.

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Leerseite

Claims

(j. Verfahren zum überführen einer retrograden Substanz in den gasförmigen Zustand, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanz ausgehend von einem Ant-jnqszustand, welcher in einem Druck-Volumen-Diagramm (Fig. 2 und 3) der Substanz einem Punkt in einem Bereich entspricht, der den sich vom kritischen Punkt zu höheren Drücken erstreckenden Ast der kritischen Isentrope (1) und dis auf der Seite kleinerer Volumina dieses Astes sowie einer Stabilitätsgrenze (S) der Substanz liegende Gebiet in einen Endzustand entspannt wird, der einem Punkt auf der Seite größerer Volumina des erwähnten Astes der kritischen Isentrope sowie der Stabilitätsgrenze entspricht, wobei die Stabilitätsgrenze der Ort der Punkte der verschiedenen Anfanqszuständen entsprechenden Isentropen ist, bei dessen Überschreitung in Richtung größe r-ir Volumina der flüssige Zustand der retrograden Substanz instabil wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab der Anfanc;szur.tarn1 ^o gewählt wird, daß die dem Anfangszustam¹ entsprechende Isentrope ^z.13(1') die Stabilitätsgrenze (S) oberhalb des Enddruckus (P ) schneidet.

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3. Verfahren nach Anspruch 1 für den Fall, daß der Enddruck oberhalb des kritischen Druckes liegt, dadurch gekennz e i c h η e t, daß der dem Anfangszustand entsprechende Punkt so gewählt wird, daß er im wesentlichen auf der kritischen Isentrope (1 in Fig.3) liegt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennz e i c h η e t, daß die Substanz vor der Entspannung auf eine Temperatur oberhalb der kritischen Temperatur erhitzt wird.

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BAD ORIGINAL
5. Verfahren nach Anspruch 4 zum überführen eines Gemisches retrograder Substanzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch vor der Entspannung auf eine Temperatur erhitzt wird, welche über der kritischen Temperatur der die niedrigste kritische Temperatur aufweisenden Substanz des Substanzgemisches liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e kennzeichnet durch die Anwendung auf die Verdampfung von retrograden Treibstoffen für Brennkraftmaschinen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Anwendung auf die Verdampfung von retrograden Brennstoffen.

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