WO2023237154A1 - Abgasbehandlungsvorrichtung für ein flugtriebwerk - Google Patents

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Hermann Klingels
Sascha Kaiser
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MTU Aero Engines AG
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    • F05D2270/01—Purpose of the control system
    • F05D2270/08—Purpose of the control system to produce clean exhaust gases

Definitions

  • the invention relates to an exhaust gas treatment device for an aircraft engine with an exhaust duct through which exhaust gas from the aircraft engine can flow and has a first cooling device and a second cooling device for cooling an exhaust gas flow flowing through the exhaust duct.
  • the invention also relates to a method for operating such an exhaust gas treatment device.
  • an exhaust gas treatment device for an aircraft engine with an exhaust gas duct through which exhaust gas from the aircraft engine can flow, a first cooling device and a second cooling device for cooling an exhaust gas flow flowing through the exhaust gas duct, the second cooling device being related to the exhaust gas flow of the first Cooling device is arranged downstream.
  • a feed device is arranged between the first cooling device and the second cooling device and is designed to introduce water into the exhaust gas flow to cool the exhaust gas flow.
  • the exhaust gas flow can therefore be cooled in several sections or steps, in particular using different cooling processes or procedures, in order to improve the separation of water from the exhaust gas flow.
  • An aircraft engine is in particular a turbomachine, wherein the exhaust gas treatment device can be arranged downstream of a turbine of the aircraft engine.
  • An exhaust gas from the aircraft engine or turbine can therefore flow through the exhaust duct of the exhaust gas treatment device and be pre-cooled to a temperature below an original exhaust gas temperature by means of the first cooling device.
  • the first cooling device is located upstream of the second cooling device.
  • the exhaust gas can be pre-cooled with the first cooling device, which can, for example, enable efficient operation of the downstream second cooling device.
  • energy is removed from the exhaust gas flow by means of the first cooling device, in particular for generating water vapor, as a result of which the temperature of the exhaust gas flow drops.
  • this temperature is in a range in which water present in the exhaust gas flow is, in particular, exclusively in gaseous form.
  • the exhaust gas flow is further cooled, for example with air from a bypass flow of the aircraft engine, in particular until the exhaust gas flow reaches a dew point temperature and water can be separated in a liquid state.
  • the dew point temperature is the condensation point of the water in the exhaust gas flow or the temperature that occurs at a predetermined pressure and a predetermined air or Exhaust gas flow humidity must be undercut so that water vapor can separate as liquid water.
  • the liquid water portion can be separated from the exhaust gas flow in a water separation device and, for example, returned to an exhaust gas treatment process of the exhaust gas treatment device and/or fed to an operating process of the aircraft engine.
  • liquid water or water in a liquid state is introduced into the exhaust gas flow by means of the feed device.
  • the feed device is designed in particular to deliver the water into the exhaust gas flow or the exhaust gas duct, in particular to inject or inject it.
  • This additional cooling makes it possible to condense the water portion of the exhaust gas flow before further cooling using the second cooling device.
  • the condensation can be improved by providing condensation nuclei in the exhaust gas flow using the water supplied in order to promote a condensation process in the exhaust gas flow. Overall, for example, a higher thermal efficiency can be achieved by using the exhaust gas energy and the formation of contrails can be minimized.
  • the invention is based, among other things, on the consideration that the water present in the exhaust gas flow or the water vapor present in the exhaust gas flow must be cooled below the dew point or the dew point temperature in order to come into a liquid state. At the dew point, relative humidity increases to 100% and saturation is achieved. As the temperature cools further below the dew point, the saturation vapor pressure decreases faster than the water partial pressure, which leads to supersaturation and water droplets are formed on condensation nuclei. The lower the exhaust gas temperature, the less water that can be present in vapor form in the exhaust gas.
  • the invention is now based on the idea of introducing water, in particular liquid water, into a region of the exhaust gas flow in which water present therein is in gaseous form in order to cool the exhaust gas flow in order to support condensation of the water vapor present therein and thus water recovery from the exhaust gas flow to be able to improve.
  • liquid components can be prepared in the exhaust gas flow to improve a condensation process in the exhaust gas flow.
  • the supplied liquid components or water droplets can act as condensation nuclei to which further liquid water resulting from the water vapor in the exhaust gas flow attaches or can attach. This means that larger drops can be formed at the end of the condensation process, which can be more easily separated from the exhaust gas flow in a water separation device, for example.
  • the water to be introduced into the exhaust gas flow to cool it has a lower temperature than the exhaust gas flow at the point of introduction.
  • water in a liquid state can be supplied to the exhaust gas flow in order to achieve cooling of the exhaust gas flow. Since water in its liquid state has a lower temperature under the same pressure than in its gaseous state, the exhaust gas flow can be cooled by supplying liquid water.
  • a degree of cooling of the exhaust gas flow can be specified. As a result, a temperature of the exhaust gas flow can be reduced as required, for example to make adjustments to changed environmental conditions.
  • the feed device is set up to introduce the water into the exhaust gas flow in atomized form.
  • the supply device can be set up to inject, inject and/or atomize the water into the exhaust gas flow and for this purpose in particular have an injection, nozzle and/or atomization device, with a degree of atomization or a droplet size of the water to be supplied being adjustable by means of the supply device can.
  • a high degree of atomization of the water or a small droplet size of the water can promote the cooling of the exhaust gas flow, since a large number of water droplets and thus their surface area available for heat exchange can be increased.
  • supplying the smallest possible drops of water with the same supply quantity can increase the number of potential condensation nuclei for the accumulation of further water from the exhaust gas flow.
  • the atomized water can be distributed evenly in the exhaust gas flow in order to enable a cooling effect over the entire cross section of the exhaust gas flow.
  • the feed device is set up to introduce the water essentially homogeneously into the exhaust gas flow. Homogeneous means in particular a uniform distribution of the water over a cross section, in particular a cross section at the point of introduction or a cross section of the exhaust gas flow spaced downstream from this point. This includes process-related deviations from a completely homogeneous mixing of exhaust gas flow and supplied water.
  • the feed device can be set up to introduce the water, in particular uniformly all around, under a predetermined pressure and/or over a predetermined distance into the exhaust gas flow in order to enable mixing of water and exhaust gas flow and thereby improve a temperature transition.
  • the water is provided to the feed device by means of a water separation device of the exhaust gas treatment device.
  • the water separation device can be arranged downstream of the second cooling device or form part of the second cooling device. This means that the water to be supplied or supplied can be kept in a circuit or the cooling process, whereby an additional water supply for the exhaust gas treatment device in particular can be omitted or at least made smaller.
  • the water separation device is in particular designed to be able to separate the additional amount of water that is intended for cooling the exhaust gas flow.
  • the supply device is set up to introduce water into the exhaust gas flow in such a way that the exhaust gas flow is cooled to a dew point temperature of the exhaust gas flow before it reaches the second cooling device.
  • a condensation process of the water portion of the exhaust gas flow can begin before the second cooling device is reached.
  • heat transfer for example to channel walls of the second cooling device, can take place more effectively than is possible in a purely gaseous state.
  • the resulting liquid content in the exhaust gas flow can result in heat transfer in the exhaust gas flow, in particular in relation to a heat exchange surface of the second cooling device be improved, whereby the second cooling device can be designed in particular to be more compact and have a reduced weight.
  • the first cooling device has a steam generator which is assigned to the exhaust duct and/or the second cooling device has a heat exchanger designed for cooling with air.
  • the steam generator can extract energy from the exhaust gas stream to produce water vapor, which can reduce the temperature of the exhaust gas stream.
  • the exhaust gas flow temperature achieved in this way is above the dew point temperature.
  • the heat exchanger of the second cooling device can be designed as a capacitor (condenser heat exchanger) and use air as a cooling fluid, which is conveyed, for example, by means of a fan or a fan of the aircraft engine. This heat exchanger can essentially have two areas, with the essentially gaseous exhaust gas flow being cooled down to its dew point temperature in a first area arranged upstream.
  • the exhaust gas flow is further cooled, so that liquid water components are present in the exhaust gas flow, which can be separated from the exhaust gas flow. Since, for example, the temperature of the air used for cooling can depend on a flight altitude and/or weather conditions, the additional cooling made possible by the supply device can support operational water recovery.
  • a method for operating an exhaust gas treatment device described herein wherein the exhaust gas duct is flowed through with exhaust gas, the exhaust gas flow is pre-cooled by means of the first cooling device, the pre-cooled exhaust gas flow is further cooled by means of the feed device by supplying water, in particular liquid water, into the exhaust gas flow is, and the pre-cooled exhaust gas flow is condensed by means of the second cooling device.
  • the exhaust gas treatment device can have a control device that is set up to control the first and second cooling devices and the feed device.
  • a cooling capacity of the first cooling device, the second cooling device and/or the supply device can be changed by means of the control device.
  • the can Control device specifies a respective operating state or a respective cooling capacity, for example depending on an ambient temperature, an exhaust gas flow temperature and / or taking into account further operating parameters, for example of the aircraft engine.
  • the water condensed by the second cooling device is collected.
  • the condensed water can be collected, for example, by means of a water separation device arranged in particular in, on or downstream of the second cooling device and in particular at least partially provided to the feed device.
  • a volume flow and/or a mass flow of the water to be introduced can be specified depending on at least one property of the exhaust gas flow.
  • a corresponding property of the exhaust gas flow can be, for example, a current temperature, a speed, a pressure, a composition and/or a specific gravity.
  • at least one operating parameter of the aircraft engine or an environment can also be taken into account when determining the volume flow to be supplied. This allows, for example, cooling of the exhaust gas flow and in particular water recovery from the exhaust gas flow to be carried out efficiently under varying conditions.
  • a degree of atomization of the water to be introduced can be varied or adjusted depending on at least one property of the exhaust gas flow.
  • a temperature of the exhaust gas flow can be kept constant before entering the second cooling device in order to enable smooth operation of the exhaust gas flow and thus continuous water recovery from the exhaust gas flow under varying conditions.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary exhaust gas treatment device according to the invention for an aircraft engine
  • Fig. 2 is a schematic representation of a flow chart of an exemplary method according to the invention for operating an exhaust gas treatment device.
  • Fig. 1 shows an exhaust gas treatment device 1 according to the invention, which is arranged downstream of an aircraft engine 2, which is only indicated schematically here.
  • the aircraft engine 2 is designed, for example, as a turbofan engine and has a compressor 3, a combustion chamber 4 and a turbine 5. During operation, an exhaust gas flow 6 flows from the turbine 5 into an exhaust gas duct 7 of the exhaust gas treatment device 1.
  • the aircraft engine 2 usually also has a fan, not shown here for the sake of simplicity.
  • the exhaust gas flow 6 first passes through a first cooling device 8, which has a steam generator 9. Downstream of the first cooling device 8, a feed device 10 is arranged on the exhaust gas duct 7, which is set up to introduce water 11 into the exhaust gas flow 6 for cooling the exhaust gas flow 6.
  • the feed device 10 has an injection device 12 and is set up to introduce the water 11 into the exhaust gas flow 6 in an atomized and homogeneous manner in order to achieve a uniform distribution of the supplied water 11 in the exhaust gas flow 6 and thus to promote heat transfer between the water 11 and the exhaust gas flow 6 .
  • the water 11 at the point of introduction or in the area of the exhaust gas duct 7 on which the feed device 10 is arranged has a lower temperature than the exhaust gas flow 6.
  • the feed device supplies the water 11 to the exhaust gas flow 6 in such a way that the exhaust gas flow 6 is cooled towards a dew point temperature of the exhaust gas flow 6 before it reaches a second cooling device 13.
  • the second cooling device 13 has one set up for cooling with ambient air
  • Heat exchanger 14 and is related to the flow direction of the exhaust gas flow Feeding device 10 arranged downstream. Ambient air can flow through the second cooling device in order to cool the exhaust gas flow in such a way that at least partial separation of the water 11 present in the exhaust gas flow 6 is possible.
  • a water separation device 15 which can be designed as a droplet separator, is arranged downstream of the second cooling device 13.
  • the exhaust gas flow 6 can be set in rotation, as a result of which water drops are guided radially outwards by centrifugal force and the water 11 can be collected.
  • the remaining exhaust gas flow 6 can leave the exhaust gas duct 7 via an outlet 18 and in particular be released into the environment.
  • the separated water 11 can, for example, be fed via an optional water treatment system 16 into a water storage 17, where it can be available for further use and can be fed to the feed device 10, for example.
  • the water 11 can be provided for the steam generator 9 in order to generate water vapor, which can be supplied to the aircraft engine 2 in the area of the combustion chamber 4.
  • Fig. 2 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of a method 100 for operating the exemplary exhaust gas treatment device 1 from Fig. 1, wherein in a step a the exhaust gas duct 7 is flowed through with exhaust gas from the aircraft engine 2. In a second step b, the exhaust gas flow 6 is pre-cooled by means of the first cooling device 8.
  • a third step c the pre-cooled exhaust gas flow 6 is further cooled by means of the feed device 10 by supplying, in particular, liquid water 11 into the exhaust gas flow 6.
  • a volume flow and a degree of atomization of the water 11 to be introduced can be specified or varied depending on at least one property of the exhaust gas flow 6.
  • the pre-cooled exhaust gas flow 6 is condensed by means of the second cooling device 13.
  • the water 11 condensed in the second cooling device 13 can be collected in an optional fifth step e, in particular by means of the water separation device 15.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung (1) für ein Flugtriebwerk (2), mit einem Abgaskanal (7), der mit einem Abgas des Flugtriebwerks (2) durchströmbar ist, einer ersten Kühleinrichtung (8) und einer zweiten Kühleinrichtung (13) zur Kühlung einer den Abgaskanal (7) durchströmenden Abgasströmung (6), wobei die zweite Kühleinrichtung (13) bezogen auf die Abgasströmung (6) der ersten Kühleinrichtung (8) nachgelagert angeordnet ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Kühleinrichtung.

Description

Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Flugtriebwerk
Die Erfindung betrifft eine Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Flugtriebwerk mit einem Abgaskanal, der mit einem Abgas des Flugtriebwerks durchströmbar ist und eine erste Kühleinrichtung und eine zweite Kühleinrichtung zur Kühlung einer den Abgaskanal durchströmenden Abgasströmung aufweist. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasbehandlungsvorrichtung.
In der Vergangenheit wurden für stationäre Gasturbinen und Flugtriebwerke viele Konzepte für eine schadstoffarme Verbrennung entwickelt. Dabei werden unterschiedliche Maßnahmen ergriffen, die alle das Ziel haben, hohe Spitzentemperaturen und die damit einhergehende Stickoxidbildung zu vermeiden und gleichzeitig die Emission von Kohlenmonoxid und unverbrannten Kohlenwasserstoffen gering zu halten. Es ist bekannt, dass das Medium Wasser bzw. Wasserdampf bei stationären Strömungsmaschinen zur Leistungssteigerung und zur Emissionssenkung eingesetzt werden kann.
Auch bei Antriebsströmungsmaschinen scheint es sinnvoll Wasserdampf zu nutzen, um die Umweltwirkung des Flugverkehrs zu verbessern. Beispielsweise setzt die „Water-Enhanced Turbofan (WET)“-Technologie auf eine Wasserdampfeinspritzung in eine Brennkammer. Hierbei bietet Wasserdampf neue Möglichkeiten der Brennstoff aufbereitung und damit ein neues Konzept für eine schadstoffarme Verbrennung in einer Strömungsmaschine. Beispielsweise kann in einem stromabwärts einer Triebwerksturbine angeordneten Dampferzeuger mittels Abgasenergie Dampf erzeugt werden, der im Bereich der Brennkammer zugeführt wird. Nach einem Durchströmen des Dampferzeugers kann feuchtes Abgas weitere Komponenten durchströmen, die dazu dienen, Wasser aus dem Abgas abzuscheiden. Dabei ist für diese WET- Konzepte eine effiziente Rückgewinnung des im Abgas vorhandenen Wassers eine wesentliche Voraussetzung.
Hiervon ausgehend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Flugtriebwerk vorzuschlagen, bei welchem insbesondere eine Wasserrückgewinnung verbessert ist. Ferner soll ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Abgasbehandlungsvorrichtung zur Verfügung gestellt werden. Dies wird erfindungsgemäß durch die Lehre der unabhängigen Ansprüche erreicht. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Flugtriebwerk vorgeschlagen, mit einem Abgaskanal, der mit einem Abgas des Flugtriebwerks durchströmbar ist, einer ersten Kühleinrichtung und einer zweiten Kühleinrichtung zur Kühlung einer den Abgaskanal durchströmenden Abgasströmung, wobei die zweite Kühleinrichtung bezogen auf die Abgasströmung der ersten Kühleinrichtung nachgelagert angeordnet ist. Dabei ist zwischen der ersten Kühleinrichtung und der zweiten Kühleinrichtung eine Zuführeinrichtung angeordnet, die dazu eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung Wasser in die Abgasströmung einzubringen. Somit kann eine Abkühlung der Abgasströmung in mehreren Abschnitten bzw. Schritten, insbesondere unter Anwendung verschiedener Kühlprozesse bzw. -Vorgänge stattfinden, um eine Abscheidung von Wasser aus der Abgasströmung zu verbessern.
Ein Flugtriebwerk ist insbesondere eine Strömungsmaschine, wobei die Abgasbehandlungsvorrichtung einer Turbine des Flugtriebwerks nachgelagert angeordnet sein kann. Somit kann ein Abgas des Flugtriebwerks bzw. der Turbine den Abgaskanal der Abgasbehandlungsvorrichtung durchströmen und mittels der ersten Kühleinrichtung auf eine Temperatur unterhalb einer ursprünglichen Abgastemperatur vorgekühlt werden. Die erste Kühleinrichtung ist dabei der zweiten Kühleinrichtung vorgelagert. Im Betrieb kann das Abgas mit der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt werden, was beispielsweise einen effizienten Betrieb der nachgelagerten zweiten Kühleinrichtung ermöglichen kann. Insbesondere wird der Abgasströmung mittels der ersten Kühleinrichtung Energie, insbesondere für eine Erzeugung von Wasserdampf, entzogen, wodurch die Temperatur der Abgasströmung sinkt. Typischerweise liegt diese Temperatur in einem Bereich, in welchem in der Abgasströmung vorhandenes Wasser, insbesondere ausschließlich, gasförmig vorliegt.
In der zweiten Kühleinrichtung wird die Abgasströmung, beispielsweise mit Luft aus einem Nebenstrom des Flugtriebwerks weiter abgekühlt, insbesondere bis die Abgasströmung eine Taupunkttemperatur erreicht und Wasser in flüssigem Zustand abgeschieden werden kann. Die Taupunkttemperatur ist dabei der Kondensationspunkt des Wassers in der Abgasströmung bzw. diejenige Temperatur, die bei einem vorbestimmten Druck und einer vorbestimmten Luft- bzw. Abgasströmungsfeuchtigkeit, unterschritten werden muss, damit sich Wasserdampf als flüssiges Wasser abscheiden kann. Der flüssige Wasseranteil kann in einer Wasserabscheideeinrichtung von der Abgasströmung getrennt werden und beispielsweise in einen Abgasbehandlungsprozess der Abgasbehandlungsvorrichtung rückgeführt und/oder einem Betriebsprozess des Flugtriebwerks zugeführt werden.
Um die Abgasströmung bereits vor Erreichen der zweiten Kühleinrichtung weiter abzukühlen wird mittels der Zuführeinrichtung insbesondere flüssiges Wasser bzw. Wasser in flüssigem Aggregatszustand in die Abgasströmung eingebracht. Hierzu ist die Zuführeinrichtung insbesondere ausgebildet, das Wasser in die Abgasströmung bzw. den Abgaskanal abzugeben, insbesondere einzuspritzen oder einzudüsen. Durch diese zusätzliche Abkühlung kann bereits vor einer weiteren Kühlung mittels der zweiten Kühleinrichtung, eine Kondensation des Wasseranteils der Abgasströmung ermöglicht werden. Insbesondere kann die Kondensation dadurch verbessert werden, dass mittels des zugeführten Wassers Kondensationskeime in der Abgasströmung bereitgestellt werden, um einen Kondensationsprozess in der Abgasströmung zu fördern. Insgesamt kann hierdurch beispielsweise ein höherer thermischer Wirkungsgrad durch Nutzung der Abgasenergie erzielt und die Bildung von Kondensstreifen minimiert werden.
Die Erfindung basiert unter anderem auf der Überlegung, dass das in der Abgasströmung vorhandene Wasser bzw. der in der Abgasströmung vorliegende Wasserdampf, unter den Taupunkt bzw. die Taupunkttemperatur abgekühlt werden muss, um in einen flüssigen Aggregatszustand zu kommen. Am Taupunkt wächst eine relative Feuchte auf 100% an und eine Sättigung wird erreicht. Bei weiterer Abkühlung unter den Taupunkt nimmt der Sättigungsdampfdruck schneller ab als der Wasserpartialdruck, wodurch es zur Übersättigung kommt und an Kondensationskeimen Wassertropfen gebildet werden. Je tiefer die Abgastemperatur, umso weniger Wasser kann dampfförmig im Abgas vorhanden sein.
Die Erfindung beruht nunmehr auf der Idee, Wasser, insbesondere flüssiges Wasser, in einen Bereich der Abgasströmung einzubringen, in welchem darin vorhandenes Wasser gasförmig vorliegt, um die Abgasströmung abzukühlen, um eine Kondensation des darin vorhandenen Wasserdampfs zu unterstützen und somit eine Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung verbessern zu können. Gleichzeitig können so flüssige Bestandteile in der Abgasströmung bereit gestellt werden, um einen Kondensationsprozess in der Abgasströmung zu verbessern. Die zugeführten flüssigen Bestandteile bzw. Wassertröpfchen können dabei als Kondensationskeime wirken, an die sich weiteres aus dem Wasserdampf der Abgasströmung entstehendes flüssiges Wasser anlagert bzw. anlagern kann. Somit können am Ende des Kondensationsprozesses größere Tropfen entstehen, die sich beispielsweise in einer Wasserabscheidevorrichtung, einfacher von der Abgasströmung trennen lassen.
Bei einer Ausführungsform weist das zum Kühlen der Abgasströmung in diese einzubringende Wasser eine niedrigere Temperatur auf, als die Abgasströmung an der Stelle der Einbringung. Hierbei kann der Abgasströmung Wasser in flüssigem Zustand zugeführt werden, um eine Abkühlung der Abgasströmung zu erzielen. Da Wasser in seinem flüssigen Aggregatszustand unter gleichem Druck eine geringere Temperatur aufweist als in seinem gasförmigen Zustand, kann durch das Zuführen von flüssigen Wasser eine Abkühlung der Abgasströmung erreicht werden. Je nach Temperaturunterschied zwischen Abgasströmungstemperatur und der Temperatur des zuzuführenden bzw. zugeführten Wassers kann ein Grad der Abkühlung der Abgasströmung vorgegeben werden. Hierdurch kann eine Temperatur der Abgasströmung bedarfsgemäß verringert werden, um beispielsweise Anpassungen an veränderte Umgebungsbedingungen vorzunehmen.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung eingerichtet, das Wasser zerstäubt in die Abgasströmung einzubringen. Hierbei kann die Zuführeinrichtung eingerichtet sein, das Wasser in die Abgasströmung einzuspritzen, einzudüsen und/ oder zu zerstäuben und hierfür insbesondere eine Einspritz-, Düsen- und/ oder Zerstäubungseinrichtung aufweisen, wobei ein Zerstäubungsgrad bzw. eine Tröpfchengröße des zuzuführenden Wassers mittels der Zuführeinrichtung einstellbar sein kann. Dabei kann ein hoher Zerstäubungsgrad des Wassers bzw. eine kleine Tröpfchengröße des Wassers die Abkühlung der Abgasströmung fördern, da eine hohe Anzahl an Wassertropfen und somit deren zum Wärmetausch zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert sein kann. Zudem kann ein Zuführen möglichst kleiner Wassertropfen bei gleicher Zuführmenge die Anzahl der potentiellen Kondensationskeime zur Anlagerung weiteren Wassers aus der Abgasströmung erhöhen. Ferner kann sich das zerstäubte Wasser gleichmäßig(er) in der Abgasströmung verteilen, um eine Kühlwirkung über den gesamten Querschnitt der Abgasströmung zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform ist die Zuführeinrichtung eingerichtet, das Wasser im Wesentlichen homogen in die Abgasströmung einzubringen. Unter homogen ist insbesondere eine gleichmäßige Verteilung des Wassers über einen Querschnitt, insbesondere einen Querschnitt an der Stelle der Einbringung oder einen stromabwärts von dieser Stelle beabstandeten Querschnitt der Abgasströmung zu verstehen. Dabei sind prozessbedingte Abweichungen einer vollständig homogenen Vermischung von Abgasströmung und zugeführtem Wasser umfasst. Hierbei kann die Zuführeinrichtung eingerichtet sein, das Wasser, insbesondere umlaufend gleichmäßig, unter einem vorbestimmten Druck und/ oder über eine vorbestimmte Strecke in die Abgasströmung einzubringen, um eine Durchmischung von Wasser und Abgasströmung zu ermöglichen und einen Temperaturübergang hierdurch zu verbessern.
Bei einer Ausführungsform wird das Wasser der Zuführeinrichtung mittels einer Wasserabscheideeinrichtung der Abgasbehandlungsvorrichtung bereitgestellt. Die Wasserabscheideeinrichtung kann dabei der zweiten Kühleinrichtung nachgelagert angeordnet sein oder einen Teil der zweiten Kühleinrichtung bilden. Damit kann das zuzuführende bzw. zugeführte Wasser in einem Kreislauf bzw. dem Kühlprozess gehalten werden, wodurch eine zusätzliche Wasserversorgung für die Abgasbehandlungsvorrichtung insbesondere entfallen oder zumindest kleiner dimensioniert werden kann. Die Wasserabscheideeinrichtung ist hierbei insbesondere eingerichtet, die insbesondere zusätzliche Wassermenge, welche für die Kühlung der Abgasströmung vorgesehen ist, abscheiden zu können.
Bei einer Ausführungsform ist die Zuführ einrichtung eingerichtet, Wasser derart in die Abgasströmung einzubringen, dass die Abgasströmung auf eine Taupunkttemperatur der Abgasströmung abgekühlt wird, bevor diese die zweite Kühleinrichtung erreicht. Hierdurch kann ein Kondensationsprozess des Wasseranteils der Abgasströmung bereits beginnen, bevor die zweite Kühleinrichtung erreicht wird. Nach einem Einsetzen der Kondensation des Wassers in der Abgasströmung kann ein Wärmeübergang, beispielsweise zu Kanalwänden der zweiten Kühleinrichtung, effektiver erfolgen als es in rein gasförmigem Zustand möglich ist. Durch den erwirkten Flüssigkeitsanteil in der Abgasströmung kann, insbesondere bezogen auf eine Wärmetauschfläche der zweiten Kühleinrichtung, ein Wärmeübergang in der Abgasströmung verbessert werden, wodurch die zweite Kühleinrichtung insbesondere kompakter ausgelegt und ein reduziertes Gewicht aufweisen kann.
Bei einer Ausführungsform weist die erste Kühleinrichtung einen Dampferzeuger auf, der dem Abgaskanal zugeordnet ist und/oder die zweite Kühleinrichtung weist einen zur Kühlung mit Luft eingerichteten Wärmetauscher auf. Hierbei kann der Dampferzeuger dem Abgasstrom Energie für die Erzeugung von Wasserdampf entziehen, wodurch die Temperatur des Abgasstroms sinken kann. Typischerweise liegt die hierdurch erreichte Abgasströmungstemperatur über der Taupunkttemperatur. Der Wärmetauscher der zweiten Kühleinrichtung kann dabei als Kondensator (Kondensatorwärmetauscher) ausgebildet sein und Luft als Kühlfluid nutzen, welche beispielsweise mittels eines Lüfters oder eines Fans des Flugtriebwerks gefördert wird. Dieser Wärmetauscher kann im Wesentlichen zwei Bereiche aufweisen, wobei in einem stromaufwärts angeordneten ersten Bereich eine Abkühlung der im Wesentlichen gasförmigen Abgasströmung bis zu deren Taupunkttemperatur stattfindet. In einem dem ersten Bereich nachgelagerten zweiten Bereich wird die Abgasströmung weiter abgekühlt, sodass flüssige Wasseranteile in der Abgasströmung vorliegen, welche aus der Abgasströmung abgeschieden werden können. Da beispielsweise die Temperatur der zur Kühlung genutzten Luft von einer Flughöhe und/ oder Wetterbedingungen abhängen kann, kann die mittels der Zuführeinrichtung ermöglichte zusätzliche Abkühlung eine betriebsmäßige Wasserrückgewinnung unterstützen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer hierin beschriebenen Abgasbehandlungsvorrichtung vorgeschlagen, wobei der Abgaskanal mit Abgas durchströmt wird, die Abgasströmung mittels der ersten Kühleinrichtung vorgekühlt wird, die vorgekühlte Abgasströmung mittels der Zuführeinrichtung durch Zuführen von, insbesondere flüssigen Wasser in die Abgasströmung weiter abgekühlt wird, und die vorgekühlte Abgasströmung mittels der zweiten Kühleinrichtung kondensiert wird.
Hierbei kann die Abgasbehandlungsvorrichtung eine Steuereinrichtung aufweisen, die eingerichtet ist, die erste und zweite Kühleinrichtung, sowie die Zuführeinrichtung zu steuern. Insbesondere kann eine Kühlleistung der ersten Kühleinrichtung, der zweiten Kühleinrichtung und/ oder der Zuführeinrichtung mittels der Steuereinrichtung veränderbar sein. Dabei kann die Steuereinrichtung einen jeweiligen Betriebszustand bzw. eine jeweilige Kühlleistung beispielsweise in Abhängigkeit von einer Umgebungstemperatur, einer Abgasströmungstemperatur und/oder unter Berücksichtigung weiterer Betriebsparameter, beispielsweise des Flugtriebwerks, vorgeben.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird das von der zweiten Kühleinrichtung kondensierte Wasser gesammelt. Das kondensierte Wasser kann dabei beispielsweise mittels einer insbesondere in, an oder nachgelagert zur zweiten Kühleinrichtung angeordneten Wasserabscheidevorrichtung gesammelt werden und insbesondere wenigstens teilweise der Zuführeinrichtung bereitgestellt werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Volumenstrom und/ oder ein Massenstrom des einzubringenden Wassers abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung vorgebbar. Eine entsprechende Eigenschaft der Abgasströmung kann hierbei beispielsweise eine aktuelle Temperatur, eine Geschwindigkeit, ein Druck, eine Zusammensetzung und/ oder ein spezifisches Gewicht sein. Zudem kann auch wenigstens ein Betriebsparameter des Flugtriebwerks oder einer Umgebung bei einem Bestimmen des zuzuführenden Volumenstroms berücksichtigt werden. Hierdurch kann beispielsweise ein Abkühlen der Abgasströmung und insbesondere eine Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung unter variierenden Bedingungen effizient betrieben werden.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung variierbar bzw. einstellbar. Hierdurch kann beispielsweise eine Temperatur der Abgasströmung vor dem Eintritt in die zweite Kühleinrichtung konstant gehalten werden, um einen reibungslosen Betrieb dessen und somit eine kontinuierliche Wasserrückgewinnung aus der Abgasströmung unter variierenden Bedingungen zu ermöglichen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften erfmdungsgemäßen Abgasbehandlungsvorrichtung für ein Flugtriebwerk; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ablaufdiagramms eines beispielhaften erfmdungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Abgasbehandlungsvorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Abgasbehandlungsvorrichtung 1, die einem hier nur schematisch angedeuteten Flugtriebwerk 2 nachgelagert angeordnet ist. Das Flugtriebwerk 2 ist beispielsweise als Mantelstromtriebwerk ausgebildet und weist einen Verdichter 3, eine Brennkammer 4 und eine Turbine 5 auf. Von der Turbine 5 strömt im Betrieb eine Abgasströmung 6 in einen Abgaskanal 7 der Abgasbehandlungsvorrichtung 1. Das Flugtriebwerk 2 weist üblicherweise noch einen hier der Einfachheit halber nicht dargestellten Fan auf.
Bezogen auf eine Strömungsrichtung der Abgasströmung 6 passiert die Abgasströmung 6 zunächst eine erste Kühleinrichtung 8, die einen Dampferzeuger 9 aufweist. Der ersten Kühleinrichtung 8 nachgelagert ist an dem Abgaskanal 7 eine Zuführ einrichtung 10 angeordnet, die eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung 6 Wasser 11 in die Abgasströmung 6 einzubringen.
Hierzu weist die Zuführeinrichtung 10 eine Einspritzeinrichtung 12 auf und ist eingerichtet das Wasser 11 zerstäubt und homogen in die Abgasströmung 6 einzubringen, um eine gleichmäßige Verteilung des zugeführten Wassers 11 in der Abgasströmung 6 zu erreichen und somit einen Wärmeübergang zwischen Wasser 11 und Abgasströmung 6 zu begünstigen. Dabei weist das Wasser 11 an der Stelle der Einbringung bzw. im Bereich des Abgaskanals 7 an welchem die Zuführeinrichtung 10 angeordnet ist, eine niedrigere Temperatur auf, als die Abgasströmung 6. Die Zuführeinrichtung führt das Wasser 11 der Abgasströmung 6 derart zu, dass die Abgasströmung 6 in Richtung hin zu einer Taupunkttemperatur der Abgasströmung 6 abgekühlt wird, bevor diese eine zweite Kühl einrichtung 13 erreicht.
Die zweite Kühl einrichtung 13 weist einen zur Kühlung mit Umgebungsluft eingerichteten
Wärmetauscher 14 auf und ist bezogen auf die Strömungsrichtung der Abgasströmung der Zuführeinrichtung 10 nachgelagert angeordnet. Die zweite Kühleinrichtung kann von Umgebungsluft durchströmbar sein, um die Abgasströmung derart zu kühlen, dass eine wenigstens teilweise Abscheidung des in der Abgasströmung 6 vorliegenden Wassers 11 ermöglicht ist.
Der zweiten Kühleinrichtung 13 nachgelagert ist eine Wasserabscheideeinrichtung 15 angeordnet, die als Tropfenabscheider ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Abgasströmung 6 in eine Rotation versetzt werden, infolge derer Wassertropfen fliehkraftgetrieben radial nach außen geführt werden und das Wasser 11 gesammelt werden kann. Die verbleibende Abgasströmung 6 kann den Abgaskanal 7 über einen Auslass 18 verlassen und insbesondere an die Umgebung abgegeben werden. Das abgeschiedene Wasser 11 kann beispielsweise über ein optional vorhandenes Wasseraufbereitungssystem 16 in einen Wasserspeicher 17 geführt werden, wo es für eine weitere Verwendung zur Verfügung stehen kann und beispielsweise der Zuführeinrichtung 10 zugeführt werden kann. Zudem kann das Wasser 11 für den Dampferzeuger 9 bereitgestellt werden, um Wasserdampf zu erzeugen, der im Bereich der Brennkammer 4 dem Flugtriebwerk 2 zugeführt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 100 zum Betreiben der beispielhaften Abgasbehandlungsvorrichtung 1 aus Fig. 1, wobei in einem Schritt a der Abgaskanal 7 mit Abgas des Flugtriebwerks 2 durchströmt wird. In einem zweiten Schritt b wird die Abgasströmung 6 mittels der ersten Kühleinrichtung 8 vorgekühlt.
In einem dritten Schritt c wird die vorgekühlte Abgasströmung 6 mittels der Zuführeinrichtung 10 durch Zuführen von insbesondere flüssigem Wasser 11 in die Abgasströmung 6 weiter abgekühlt. Hierbei ist, insbesondere mittels einer Steuereinrichtung der Abgasbehandlungsvorrichtung 1 ein Volumenstrom und ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers 11 abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung 6 vorgebbar bzw. variierbar. In einem vierten Schritt d wird die vorgekühlte Abgasströmung 6 mittels der zweiten Kühleinrichtung 13 kondensiert. Das in der zweiten Kühleinrichtung 13 kondensierte Wasser 11 kann in einem optionalen fünften Schritt e, insbesondere mittels der Wasserabscheideeinrichtung 15 gesammelt werden. Hierdurch kann ein Kondensationsprozess des in der Abgasströmung 6 vorliegenden Wassers 11 verbessert werden, da ein Ab kühl en der Abgasströmung 6 bereits vor der zweiten Kühleinrichtung 13 erfolgen kann und zudem Kondensationskeime in Form von mittels der Zuführ einrichtung eingebrachten Wassertropfen in der Abgasströmung 6 vorhanden sein können.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Abgasb ehandlungsvorn chtung
2 Flugtriebwerk
3 Verdichter
4 Brennkammer
5 Turbine
6 Abgasströmung
7 Abgaskanal
8 erste Kühleinrichtung
9 Dampferzeuger
10 Zuführeinrichtung
11 Wasser
12 Einspritzeinrichtung
13 zweite Kühl einri chtung
14 Wärmetauscher
15 Was serab schei deeinri chtung
16 Wasseraufbereitungssystem
17 Wasserspeicher
18 Auslass
100 Verfahren a-e Schritte

Claims

ANSPRÜCHE
1. Abgasbehandlungsvorrichtung (1) für ein Flugtriebwerk (2), mit einem Abgaskanal (7), der mit einem Abgas des Flugtriebwerks (2) durchströmbar ist, einer ersten Kühleinrichtung (8) und einer zweiten Kühleinrichtung (13) zur Kühlung einer den Abgaskanal (7) durchströmenden Abgasströmung (6), wobei die zweite Kühleinrichtung (13) bezogen auf die Abgasströmung (6) der ersten Kühleinrichtung (8) nachgelagert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Kühleinrichtung (8) und der zweiten Kühleinrichtung (13) eine Zuführeinrichtung (10) angeordnet ist, die dazu eingerichtet ist, zum Kühlen der Abgasströmung (6) Wasser (11) in die Abgasströmung (6) einzubringen.
2. Abgasbehandlungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das zum Kühlen der Abgasströmung (6) in die Abgasströmung (6) einzubringende Wasser (11) eine niedrigere Temperatur aufweist, als die Abgasströmung (6) an der Stelle der Einbringung.
3. Abgasbehandlungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuführeinrichtung (10) eingerichtet ist, das Wasser (11) zerstäubt in die Abgasströmung (6) einzubringen.
4. Abgasbehandlungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuführeinrichtung (10) eingerichtet ist, das Wasser (11) im Wesentlichen homogen in die Abgasströmung (6) einzubringen.
5. Abgasbehandlungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wasser (11) mittels einer Wasserabscheideeinrichtung (15) der Abgasbehandlungsvorrichtung (1) bereitgestellt wird.
6. Abgasbehandlungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuführeinrichtung (10) eingerichtet ist, Wasser (11) derart in die Abgasströmung (6) einzubringen, dass die Abgasströmung (6) auf eine Taupunkttemperatur der Abgasströmung (6) abgekühlt wird, bevor die Abgasströmung (6) die zweite Kühleinrichtung (13) erreicht.
7. Abgasbehandlungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Kühleinrichtung (8) einen Dampferzeuger (9) aufweist, der dem Abgaskanal (7) zugeordnet ist und/oder die zweite Kühleinrichtung (13) einen zur Kühlung mit Umgebungsluft eingerichteten Wärmetauscher (14) aufweist.
8. Verfahren (100) zum Betreiben einer Abgasbehandlungsvorrichtung (1) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei a) der Abgaskanal (7) mit Abgas durchströmt wird, b) die Abgasströmung (6) mittels der ersten Kühleinrichtung (8) vorgekühlt wird, c) die vorgekühlte Abgasströmung (6) mittels der Zuführeinrichtung (10) durch Zuführen von Wasser (11) in die Abgasströmung (6) weiter abgekühlt wird, und d) die vorgekühlte Abgasströmung (6) mittels der zweiten Kühleinrichtung (13) kondensiert wird.
9. Verfahren (100) nach Anspruch 8, wobei in einem weiteren Schritt e) das von der zweiten Kühleinrichtung (13) kondensiertes Wasser (11) gesammelt wird.
10. Verfahren (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei ein Volumenstrom des einzubringenden Wassers (11) abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung (6) vorgebbar ist.
11. Verfahren (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein Zerstäubungsgrad des einzubringenden Wassers (11) abhängig von wenigstens einer Eigenschaft der Abgasströmung (6) variierbar ist.
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