WO2017190167A1 - Vorrichtung zur wasserrückgewinnung - Google Patents

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mass flow
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valve
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Emmerich WILMELM
Diana Brehob
Ursula HOFBAUER
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Ecool Advanced Urban Engineering GmbH
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    • B01D2258/01—Engine exhaust gases
    • B01D2258/012—Diesel engines and lean burn gasoline engines

Definitions

  • the invention relates to a method for recovering water from an exhaust gas mass flow passing through an exhaust gas chamber and into a pipe system, through a molecular sieve releases water molecules and a device for water recovery from an exhaust gas mass flow with an exhaust chamber having an upstream exhaust port, a downstream exhaust port and a pipe system wherein the pipe system divides the exhaust gas chamber into an untreated volume and a treated volume, the pipe system is flow connected to a condenser and the untreated volume is flow connected to the exhaust port and the treated volume is located downstream of the pipe system and the device comprises a valve.
  • Nitric oxide ⁇ 0.25 ⁇ 0.15 3.49-NO 0.349-NO 0.392 0.430
  • the water escapes from the combustion as water vapor into the atmosphere. Whereby cold condensing condenses some of the water and drips out of the exhaust pipe.
  • a method for recovering water from the exhaust gas is also desirable for use in areas of the earth where drinking water supply is very limited. This could then find application in transport or in power generation.
  • an exhaust gas mass flow usually reaches 400-650 ° C a cooling area.
  • a valve located at the downstream end of the cooling area. If this valve is open, or mostly open, then the exhaust mass flow will flow through the system substantially unaffected. However, it depends on the valve position, in how far the valve is closed, to a diversion of the exhaust gas mass flow between turns of a pipe in the cooling area.
  • This tube is a spiral cooling tube, which is supplied by a tube inlet with coolant and through a tube outlet, the coolant leave this again.
  • the exhaust gas mass flow that has passed through the second peripheral region leaves the system through the same outlet as if the valve had been fully opened.
  • the exhaust gas mass flow must first flow through gaps between the turns of a water collecting pipe.
  • the water collecting tube is coated on the outer jacket with a molecular sieve.
  • the size of the pores in the screen material are provided so that the molecular water diffuses through the screen into the interior of the water collecting tube, while at the same time the other components of the exhaust gas mass flow can not pass through the molecular sieve.
  • micro-drops are also problematic because they wet the surface of the molecular sieve and thus prevent other water molecules from passing through which are not condensed.
  • the micro-drops seal off the molecular sieve.
  • Object of the present invention is to prevent these disadvantages and to provide a method and a device suitable for this, which creates a simple way to recover the highest possible proportion of water from the exhaust gas mass flow back.
  • this object is achieved in that the exhaust gas mass flow first flows past the molecular sieve and receives water molecules in the vaporized state and the vapor stream of the water molecules is condensed in a condenser, and that the exhaust gas mass flow is controlled by a valve at the end of the exhaust chamber, and that in the associated device, the valve is disposed at an end remote from the exhaust port of the exhaust gas chamber.
  • valve is controlled by a controller, the controller receiving information from sensors such as pressure and temperature in the exhaust chamber.
  • a simple way of regulation results when the valve is opened by the controller, when a temperature in the exhaust chamber is lower than a minimum temperature, or when the valve is opened by the controller when a pressure in the exhaust chamber is higher than a threshold pressure ,
  • a very convenient and simple drive for the process results when the water molecules are driven by the exhaust gas mass flow through a pressure difference through the molecular sieve in the pipe system.
  • the advantage of the simplest possible structure results from the fact that the untreated volume is cylindrical and is limited by the pipe system so that the treated volume is arranged annularly around the untreated volume.
  • a surface of the pipe system is coated with a porous - preferably ceramic - material, wherein pores of the material have a pore diameter which is smaller than a certain diameter and the pipe system has pores having a pipe pore diameter which is greater than the specific diameter.
  • valve is infinitely adjustable.
  • the pipe system has at least one tube which is helically wound and windings of the tube have a distance which is smaller than a certain distance.
  • the pipe system has parallel tubes which are connected to a collecting ring, wherein the tubes have a distance from each other which is smaller than a certain distance.
  • valve is arranged electrically connected to a control unit.
  • the pipe system is flow-connected to a condenser, which is preferably flow-connected to a water tank. This allows the water vapor to be condensed to water and stored more easily.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for water recovery in a first embodiment.
  • FIG. 2 shows the device in the first embodiment in a section along the line II-II in Fig. 1.
  • Fig. 3 is a schematic of a combustion system with the device for
  • Fig. 4 is a diagram of a capacitor
  • FIG. 5 shows a device according to the invention in a second embodiment
  • Fig. 6 shows the second embodiment in a section along the line VI-VI in
  • FIG. 7 shows a device according to the invention in a third embodiment
  • FIG. 1 shows a device 100 for recovering water, which has an exhaust gas chamber 101 into which an exhaust gas mass flow 112 in the region of an exhaust gas opening 110 can flow through a particle filter 102.
  • the exhaust chamber 101 is divided into an inner area 104 and an outer area 106, and the exhaust opening 110 is disposed upstream of the inner area 104 and the outer area 106 of the exhaust chamber 101.
  • the inner region 104 substantially comprises the untreated volume 116 and outer region 106 largely the treated volume 114 of the exhaust gas mass flow 112 in the exhaust gas chamber 101.
  • a particulate filter 102 is not necessary if the combustion process from which the exhaust mass flow 112 originates produces only particulate matter. - -
  • a valve 122 Downstream of the inner region 104 and the outer region 106 near an exhaust gas outlet 118, a valve 122 is arranged.
  • the valve 122 In Fig. 1, the valve 122 is shown in the closed position and reference numeral 123, the open position of the valve 122 is designated.
  • the majority of the exhaust gas mass flow 112 flows from the inner region 104 of the exhaust gas chamber 101 into the outer region 106 of the exhaust gas chamber 101.
  • the exhaust gas mass flow 112 thereby passes between spaces 125 between turns of a pipe 124 and thus reaches the outer region 106.
  • the surface of the tube 124 is coated with a material 126 which acts as a molecular sieve.
  • the material 126 has pores having a pore diameter d smaller than a certain diameter D.
  • the pores of the material 126 are so large that only a molecule having a diameter smaller than the predetermined diameter D can pass through the sieve.
  • the tube 124 also has pores. These pores have a tube pore diameter e that can be much larger than the pores of the material 126 because the material 126 retains larger molecules from contact with the surface of the tube 124.
  • Water vapor reaching the pipe 124 exits the exhaust chamber 101 through a water outlet 130. In the tube 124, the water vapor does not undergo a phase transition.
  • FIG. 2 shows the flow of the exhaust gas mass flow 112 from the inner region 104 into the outer region 106 through the intermediate spaces 125.
  • the proportion of the exhaust gas mass flow 112 which must pass through the gaps 125 is given by the position of the valve 122.
  • Fig. 3 shows a schematic of a combustion system with a device 100 for water recovery.
  • a combustion chamber 50 is supplied with fuel 52 and air 54.
  • the combustion in the combustion chamber 50 may itself be ignited or ignited.
  • the exhaust mass flow 112 exits the combustor 50 through an exhaust conduit 56 into the water recovery apparatus 100 in which the valve 122 is disposed.
  • the vapor escapes through the water outlet 130 of the exhaust chamber 101 and the exhaust gas mass flow 112 exits the exhaust chamber 101 through the exhaust 64.
  • An electronic control unit (ECU) 66 is electronically connected to the valve 122 and the combustion chamber 50 and regulates the supply of fuel 52 and air 54 to the combustion chamber 50.
  • the signals of the device 100, the combustion chamber 50 and other sensors 72 are used to aid decision-making. Such signals may include exhaust gas temperature, ambient temperature, pressure, humidity, valve position, fuel flow, air supply, etc. Electrical connections are shown by dashed lines. These can be physical connections or direct connections.
  • a low pressure system is shown with a condenser 70 for the water vapor.
  • the condenser 70 has a spiral line 80. This line 80 is traversed by a coolant 75 which is connected by a coolant inlet 76 and a coolant outlet 78 to the environment.
  • the vapor is condensed by cooling with the coolant 75 in the condenser 70.
  • the steam drips as liquid water into a water tank 82.
  • the water tank 82 has a float 84 and a pump 88 is connected downstream of this to transport water from the water tank 82 on. This pump 88 may also be controlled by the controller (ECU) 66.
  • the controller 66 causes the valve 122 to open or stop the cooling of the vapor in the condenser 70.
  • the tube 124 there is a lower pressure than in the exhaust chamber 101. This ensures that the water vapor is sucked through the molecular sieve in the condenser 70.
  • the lower pressure level is a result of the cooling and condensation process and drives the process forward.
  • pressure valves may be provided in the condenser 70 via which the pressure level can be controlled faster and independently of the condensation.
  • the pump 88 serves to convey the water from the water tank 82 to its next destination which does not form part of this invention.
  • a plurality of parallel tubes 202 are provided between an inner region 206 and a second - -
  • the tubes 202 are fixed at the upstream end of the second embodiment of the device 200 by a guide ring 214. Connected in flow, these parallel tubes 202 are connected via a collecting ring 216 which, in turn, is flow-connected to a water outlet 210.
  • the interior region 206 of the apparatus in the second embodiment of the apparatus 200 comprises the untreated volume 116 of an exhaust mass flow 204 and the exterior, in turn, the treated volume 114, wherein the treated and untreated volumes 114, 116 are separated by the parallel tubes 202.
  • the treatment herein understands as the separation of the molecular water through the molecular sieve from the exhaust mass flow 204.
  • the exhaust gas mass flow 204 is conducted into the inner region 206.
  • a downstream valve 212 When a downstream valve 212 is closed, the exhaust mass flow 204 flows through gaps 205 between the tubes 202 to reach the outer region 208.
  • the tubes 202 in the second embodiment are coated with a porous ceramic material 126 which forms a molecular sieve. The pores have the pore diameter d that is smaller than the certain diameter D so that molecules smaller than the effective diameter of water can pass through the sieve and all larger molecules are retained.
  • the water vapor collected in the tubes 202 is directed through the collection ring 216 to a water outlet 220.
  • the exhaust gas mass flow flowing through the inner region 206 and the outer region 208 exits through an exhaust gas outlet 220 from the device 200 according to the invention in the second embodiment.
  • the cross section of the second embodiment of the device 200 is shown.
  • the parallel tubes 202 have a trapezoidal cross section, wherein between two adjacent tubes 202 each have a gap 205 which is formed by a distance A between the tubes 202 in the circumferential direction.
  • the distance A is smaller than a certain distance B, wherein the specific distance B is the largest distance at which a sieving process through the molecular sieve makes sense.
  • FIGS. 7 and 8 A third embodiment of a device 300 according to the invention is shown in FIGS. 7 and 8.
  • an exhaust gas mass flow 304 is passed through the particle filter 102 into a first region 306 of the device, which is separated from a second region 308 by a tube wall 302. - -
  • Substantially the first region 306 comprises the untreated volume 116 of the exhaust gas mass flow 304 and the second region 308 comprises Wesentli ⁇ chen the treated volume 114 of the exhaust gas mass flow 304 in the Vorrich ⁇ tu ng 300 to the water recovery in the third embodiment.
  • the tube wall 302 is disposed in the embodiment of the device 300 shown substantially centrally in the Abgaskam mer 101.
  • exhaust mass flow 304 flows from the first region 306 through gaps 305 between the individual tubes of the tube wall 302 into the second region 308.
  • the tubes of the tube wall 302 in turn coated with a porous material 126, which forms a molecular sieve.
  • the exhaust mass flow 304 exits through an exhaust outlet 320.
  • the tubes of the tube wall 302 are arranged transversely to a diameter of the device in this third embodiment of the device 300.
  • the tubes 124 in the first embodiment of the device 100, the parallel tubes 202 of the second embodiment of the device 200 and the tube wall 302 of the third embodiment of the device 300 are summarized under the term tube system together.
  • the devices 200, 300 in the second and third embodiments have, analogously to the first embodiment, an exhaust gas chamber 101.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (100; 200; 300) zur Wasserrückgewinnung aus einem Abgasmassenstrom (112; 204; 304) der eine Abgaskammer (101) durchströmt und in ein Rohrsystem (124; 202; 302), durch ein molekulares Sieb Wassermoleküle abgibt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung (100; 200; 300) anzugeben, die es auf einfache Weise schaffen einen möglichst hohen Anteil des Wassers aus dem Abgasmassenstrom (112; 204; 304) zurück zu gewinnen. Gelöst wird das dadurch, dass der Abgasmassenstrom (112; 204; 304) zuerst am molekularen Sieb vorbeiströmt und Wassermoleküle in verdampftem Zustand erhält und der Dampfstrom der Wassermoleküle in einem Kondensator (70) kondensiert wird, und dass der Abgasmassenstrom (112; 204; 304) durch ein Ventil (122; 212; 312) am Ende der Abgaskammer (101) gesteuert wird.

Description

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Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wasserrückgewinnung aus einem Abgasmassenstrom der eine Abgaskammer durchströmt und in ein Rohrsystem, durch ein molekulares Sieb Wassermoleküle abgibt und eine Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung aus einem Abgasmassenstrom mit einer Abgaskammer, die eine stromaufwärts angeordnete Abgasöffnung, einen stromabwärts angeordneten Abgasauslass und ein Rohrsystem aufweist, wobei das Rohrsystem die Abgaskammer in ein unbehandeltes Volumen und ein behandeltes Volumen teilt, das Rohrsystem mit einem Kondensator strömungsverbunden ist und das unbehandelte Volumen mit der Abgasöffnung strömungsverbunden ist und das behandelte Volumen stromabwärts des Rohrsystems angeordnet ist und die Vorrichtung ein Ventil aufweist.
Bei der Verbrennung eines Wasserstoff-haltigen Brennstoffes, zum Beispiel Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff, ergibt sich ein signifikanter Anteil an Wasser im Abgasmassenstrom. Die Tabelle unten zeigt typische Bestandteile des Abgases in einem Abgasmassenstrom von einem Ottomotor mit Fremdzündung (spark- ignition, SI) und von einem Dieselmotor mit Selbstzündung (compression- ignition, CI).
Verbrennungsmotor % ges., % ges. Effektiver molekularer Effektiver molekularer Effektiver Lennard- Abgas Otto Diesel Lennard-Jones-(6,12) Lennard-Jones-(6,12) Jones-(6,12) GleichGrößenparameter*1 Größenparameter*1 gewichtsabstand σ [Α] σ [nm] rmin = 21/6 a [nm]
Stickstoff (N2) 71 67 3.80 0.380 0.427
Kohlendioxid (C02) 14 12 3.94 0.394 0.442
Wasserdampf (H2O) 12 11 2.75 0.275 0.309
Sauerstoff (02) 0.06 10 3.47 0.347 0.389
Stickoxid, <0.25 <0.15 3.49-NO 0.349-NO 0.392 0.430
NOx (NO&N02) 3.83-N02 0.383-NO2
Kohlenmonoxid (CO) 1-2 <0.045 3.69 0.369 0.414
Feinstaub Spuren <0.045 100-100000 10-10000 > 10
Unverbrannte Kohlenwasserstoffe:
Methan (CH4) <0.25 <0.03 3.76 0.376 0.422
Propan (C3H8) 5.12 0.512 0.575 - -
Figure imgf000004_0001
''Entfernung der Teilchenschwerpunkte in der die potentielle Energie gleich Null ist; wird häufig als effektiver "harter" Kugeldurchmesser bezeichnet.
Typischerweise entweicht das Wasser von der Verbrennung als Wasserdampf in die Atmosphäre. Wobei bei Kaltstart-Vorgängen etwas vom Wasser kondensiert und aus dem Auspuffrohr tropft.
Man weiß, dass sich gewisse Vorteile durch eine Wassereinbringung in Verbrennungssysteme ergeben. Zum Beispiel ist es bekannt, dass das Einbringen von Wasser in den Einlass eines fremdgezündeten Motors die Klopfgrenze erweitert und somit ein höheres Verdichtungsverhältnis oder weniger Zündverzögerung erbringt, was den allgemeinen Wirkungsgrad des Fahrzeuges erhöht.
In allen Verbrennungssystemen verringert die Wassereinbringung die Bildung von Stickoxiden (NOx), welche einen bekannten Schadstoff darstellen. Normalerweise wird die Bildung von Stickoxiden (NOx) durch das Drosseln des Verbrennungssystems, durch die Zufuhr von Verdünnungsmitteln, und/oder die Nachbehandlung in einem Abgaskatalysator, in einer NOx-Falle oder durch eine NOx- Wäsche. Es ist bekannt, dass Hubkolbenmaschinen die während des Zweiten Weltkrieges in Flugzeugen eingesetzt wurden, Wassereinspritzung zur Kontrolle des Klopfens während des Abhebevorganges nutzten. Genauso wurden auch Fahrzeuge bisher mit Wassereinspritzung nachgerüstet um das Klopfverhalten des Motors unter Kontrolle zu halten.
Die Anforderungen an eine Wassereinspritzung sind, dass ein Wasserbehälter mit reinem Wasser aufgefüllt werden muss und dass garantiert werden muss, dass das Wasser nicht gefriert und es so nicht zu Beschädigungen kommen kann. Diese Anforderungen haben eine Verbreitung dieser Technologie bisher verhindert. Daher ist die Gewinnung von reinem Wasser zur Verwendung im Verbrennungssystem erwünscht.
Ein Verfahren zur Gewinnung von Wasser aus dem Abgas ist auch wünschenswert für die Anwendung in Gebieten der Erde in denen die Trinkwasserversorgung sehr begrenzt ist. Dieses könnte dann im Transport oder in der Energieerzeugung Anwendung finden.
Als Alternative zur Mitfuhr von Wasser in einem Wasserbehälter wurde die Gewinnung von Wasser aus dem Abgasmassenstrom vorgeschlagen. - -
Es ist bekannt Wasser aus dem Abgasmassenstrom zu kondensieren. Jedoch ist bei der bestehenden Technik das Wasser verunreinigt und säurehaltig, beispielsweise durch Salpetersäure, schweflige Säure oder Kohlensäure. Zusätzlich können im Wasser Kohlenwasserstoffe höheren Molekulargewichts oder Rußpartikel enthalten sein. Das resultierende Wassergemisch ist nicht brauchbar als Trinkwasser und auch für die meisten Verbrennungssysteme unzureichend für eine Einspritzung, aufgrund der Verschmutzungen, da Säuren und Rußpartikel dem Verbrennungssystem schaden können.
Ein System, das auf den Rückgewinn von sauberem Wasser aus dem Abgas gerichtet ist, ist aus der US-Anmeldung Nr. 14/156,954 bekannt. Dabei erreicht ein Abgasmassenstrom mit üblicherweise 400-650°C einen Kühlbereich. Hier ist ein Ventil, am stromabwärtigen Ende des Kühlbereichs angeordnet. Wenn dieses Ventil geöffnet, oder großteils geöffnet ist, dann wird der Abgasmassenstrom im Wesentlichen unbeeinflusst durch das System strömen. Es kommt jedoch abhängig von der Ventilstellung, in wie weit das Ventil geschlossen ist, zu einer Umleitung des Abgasmassenstromes zwischen Windungen eines Rohres im Kühlbereich. Dieses Rohr ist ein spiralförmiges Kühlrohr, das durch einen Rohreintritt mit Kühlmittel versorgt wird und durch einen Rohraustritt kann das Kühlmittel dieses wieder verlassen.
Wenn der Abgasmassenstrom diesen Bereich mit dem Kühlrohr passiert hat, kommt er in einen äußeren peripheren Bereich im Kühlbereich, wobei das Abgas durch das Passieren dieser Zwischenräume zwischen den Windungen des Kühlrohres abgekühlt wurde. Der Abgasmassenstrom wird dann weiter zu einer zweiten peripheren Region geleitet. Diese zweite periphere Region befindet sich in einem Außenbereich eines Wassersammelbereiches.
Der Abgasmassenstrom, der die zweite periphere Region durchströmt hat, ver- lässt das System durch den gleichen Auslass, als ob das Ventil gänzlich geöffnet gewesen wäre. Dazu muss der Abgasmassenstrom zuerst zwischen Spalten zwischen den Windungen eines Wassersammeirohres durchströmen. Das Wassersammeirohr ist am Außenmantel mit einem molekularen Sieb überzogen.
Die Größe der Poren im Siebmaterial sind dabei so vorgesehen, dass das molekulare Wasser durch das Sieb hindurch in das Innere des Wassersammeirohres diffundiert, während gleichzeitig die anderen Bestandteile des Abgasmassenstromes das molekulare Sieb nicht durchtreten können.
Durch das Wassersammeirohr wird ein Fluid oder ein Gas geleitet, welches dann den Wasserdampf, der das Wassersammeirohr durch das molekulare Sieb erreicht hat, zu einem Rohrauslass mittransportiert. - -
Bei dieser Erfindung kommt es allerdings zu dem Nachteil, dass es bei dem vorangehenden Kühlen des Abgasmassenstromes zu einem Kondensieren des Wasserdampfes kommt. Dadurch wird das nachgeschaltete Sammeln der Wassermoleküle durch das Wassersammeirohr praktisch unmöglich . Das molekulare Sieb ermöglicht nämlich nur einzelnen Molekülen den Durchtritt und lässt Moleküle, die größer sind als die Poren des Siebes, zurück. Das betrifft die unerwünschten chemischen Substanzen im Abgasmassenstrom, wie C02, NOx und ähnliche. Sogar Assoziate von zwei Wasser-Molekülen, die durch Wasserstoffbrückenbildung miteinander verbunden sind wie nach dem Kondensieren, können nicht mehr durch das molekulare Sieb in das Wassersammeirohr gelangen, sondern sie werden als Mikro-Tropfen zurückgelassen.
Diese Mikro-Tropfen sind weiters problematisch, da sie die Oberfläche des molekularen Siebes benetzen und somit andere Wassermoleküle am Durchtritt hindern, die nicht kondensiert sind. Die Mikro-Tropfen dichten damit das molekulare Sieb ab.
Ähnliche Vorrichtungen sind aus der DE 19744470 AI, der US 2011/0056457 AI, der US 2012/0186791 AI, der US 2012/0240563 AI, der US 2013/0276632 AI und der US 9 174 143 Bl bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es diese Nachteile zu verhindern und ein Verfahren und eine dazu geeignete Vorrichtung anzugeben, die es auf einfache Weise schafft einen möglichst hohen Anteil des Wassers aus dem Abgasmassenstrom zurück zu gewinnen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Abgasmassenstrom zuerst am molekularen Sieb vorbeiströmt und Wassermoleküle in verdampftem Zustand erhält und der Dampfstrom der Wassermoleküle in einem Kondensator kondensiert wird, und dass der Abgasmassenstrom durch ein Ventil am Ende der Abgaskammer gesteuert wird, und dass bei der dazugehörigen Vorrichtung das Ventil an einem von der Abgasöffnung entfernten Ende der Abgaskammer angeordnet ist.
Es wird dadurch eine möglichst hohe Menge des Wassers aus dem Abgasmassenstrom gewonnen, dass der Abgasmassenstrom zuerst am molekularen Sieb vorbeiströmt und Wassermoleküle in verdampftem Zustand erhält und der Dampfstrom der Wassermoleküle in einem Kondensator kondensiert wird. Die Bildung von Mikro-Tropfen wird somit vor dem Kondensator verhindert.
Wenn die Strömung des Abgasmassenstromes durch die Stellung eines Ventils gesteuert wird und dadurch auch der Kontakt des Abgasmassenstromes mit dem - - molekularen Sieb entsteht eine möglichst einfache Art der Steuerung des Verfahrens.
Der gleiche Vorteil entsteht, wenn das Ventil durch eine Steuerung gesteuert wird, wobei die Steuerung Informationen von Sensoren wie Druck und Temperatur in der Abgaskammer bekommt.
Eine einfache Möglichkeit der Regulierung ergibt sich, wenn das Ventil von der Steuerung geöffnet wird, wenn eine Temperatur in der Abgaskammer niedriger ist als eine Mindesttemperatur, oder wenn das Ventil von der Steuerung geöffnet wird, wenn ein Druck in der Abgaskammer höher ist als ein Grenzdruck.
Ein sehr günstiger und einfacher Antrieb für das Verfahren ergibt sich, wenn die Wassermoleküle vom Abgasmassenstrom durch eine Druckdifferenz durch das molekulare Sieb in das Rohrsystem getrieben werden.
Der Vorteil eines möglichst einfachen Aufbaus ergibt sich dadurch, wenn das unbehandelte Volumen zylinderförmig ist und durch das Rohrsystem so begrenzt ist, dass das behandelte Volumen ringförmig um das unbehandelte Volumen angeordnet ist.
Es ist günstig, wenn eine Oberfläche des Rohrsystems mit einem porösen - vorzugsweise keramischen - Material beschichtet ist, wobei Poren des Materials einen Porendurchmesser aufweisen, der kleiner ist als ein bestimmter Durchmesser und das Rohrsystem Poren aufweist, die einen Rohrporendurchmesser aufweisen, der größer ist als der bestimmte Durchmesser. Dadurch entsteht der Vorteil, dass auf einfache Weise ein molekulares Sieb vorgesehen werden kann.
Auf Grund der besseren Regelbarkeit ist es von Vorteil, wenn das Ventil stufenlos verstellbar ist.
Um den Abgasmassenstrom möglichst gut in Kontakt mit dem Rohrsystem zu bringen, ist es günstig, wenn das Rohrsystem zumindest ein Rohr aufweist, welches schraubenförmig gewunden ist und Windungen des Rohres einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als ein bestimmter Abstand.
In einer vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass das Rohrsystem parallele Rohre, die mit einem Sammelring verbunden sind, aufweist, wobei die Rohre zueinander einen Abstand aufweisen, der kleiner ist als ein bestimmter Abstand. Dadurch wird der Fertigungsaufwand für das Rohrsystem gering gehalten.
Um eine Steuerung zu ermöglichen ist es von Vorteil, wenn das Ventil mit einem Steuergerät elektrisch verbunden angeordnet ist. - -
Es ist günstig, wenn das Rohrsystem mit einem Kondensator strömungsverbun- den ist, der vorzugsweise mit einem Wasserbehälter strömungsverbunden ist. Dadurch kann der Wasserdampf zu Wasser kondensiert und leichter aufbewahrt werden.
Anhand der Ausführungsbeispiele in den Figuren wird in der Folge die Erfindung erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung in einer ersten Ausführung;
Fig. 2 die Vorrichtung in der ersten Ausführung in einem Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1;
Fig. 3 ein Schema eines Verbrennungssystem mit der Vorrichtung zur
Wasserrückgewinnung;
Fig. 4 ein Schema eines Kondensators;
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführung;
Fig. 6 die zweite Ausführung in einem Schnitt gemäß der Linie VI-VI in
Fig. 5;
Fig. 7 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer dritten Ausführung;
und
Fig. 8 die dritte Ausführung in einem Schnitt gemäß der Linie VIII-VIII in
Fig. 7.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 100 zur Wasserrückgewinnung gezeigt, die eine Ab- gaskammer 101 aufweist in die durch einen Partikelfilter 102 ein Abgasmassenstrom 112 im Bereich einer Abgasöffnung 110 einströmen kann. Die Abgaskam- mer 101 ist in einen Innenbereich 104 und einen Außenbereich 106 geteilt und die Abgasöffnung 110 ist stromaufwärts von dem Innenbereich 104 und dem Außenbereich 106 der Abgaskammer 101 angeordnet. Der Innenbereich 104 um- fasst im Wesentlichen das unbehandelte Volumen 116 und Außenbereich 106 großteils das behandelte Volumen 114 des Abgasmassenstromes 112 in der Abgaskammer 101.
Ein Partikelfilter 102 ist nicht notwendig, wenn der Verbrennungsprozess, von dem der Abgasmassenstrom 112 stammt, nur Feinstaub produziert. - -
Stromabwärts von dem Innenbereich 104 und dem Außenbereich 106 nahe einem Abgasauslass 118 ist ein Ventil 122 angeordnet. In Fig. 1 ist das Ventil 122 in geschlossener Position gezeigt und mit Bezugszeichen 123 ist die geöffnete Position des Ventils 122 bezeichnet.
In der geschlossenen Position strömt der Großteil des Abgasmassenstromes 112 vom Innenbereich 104 der Abgaskammer 101 in den Außenbereich 106 der Ab- gaskammer 101. Der Abgasmassenstrom 112 passiert dabei Zwischenräume 125 zwischen Windungen eines Rohres 124 und gelangt so in den Außenbereich 106.
Wenn das Ventil 122 in der Position 123 ist, strömt der Abgasmassenstrom 112 direkt durch den Abgasauslass 118 ohne behandelt zu werden. Wenn der Abgasmassenstrom 112 dazu gezwungen wird durch die Zwischenräume 125 der Windungen des Rohres 124 zu strömen, kommt der Abgasmassenstrom 112 in Kontakt mit der Oberfläche des Rohres 124.
Die Oberfläche des Rohres 124 ist mit einem Material 126 beschichtet, welches als molekulares Sieb wirkt. Das Material 126 weist Poren mit einem Porendurchmesser d auf der kleiner ist als ein bestimmter Druchmesser D. Die Poren des Materials 126 sind so groß, dass nur ein Molekül mit einem kleineren Durchmesser als dem bestimmten Durchmesser D durch das Sieb durch treten kann. Das Rohr 124 weist ebenfalls Poren auf. Diese Poren weisen einen Rohrporendurchmesser e auf, der sehr viel größer sein kann als die Poren des Materials 126, da das Material 126 größere Moleküle vor dem Kontakt mit der Oberfläche des Rohres 124 bewahrt.
Wasserdampf der das Rohr 124 erreicht, tritt aus der Abgaskammer 101 durch einen Wasserauslass 130 aus. Im Rohr 124 durchlebt der Wasserdampf keinen Phasenübergang.
In Fig. 2 ist die Strömung des Abgasmassenstromes 112 von dem Innenbereich 104 in den Außenbereich 106 durch die Zwischenräume 125 gezeigt. Der Anteil des Abgasmassenstromes 112 der die Zwischenräume 125 passieren muss ist durch die Position des Ventils 122 gegeben.
Fig. 3 zeigt ein Schema eines Verbrennungssystems mit einer Vorrichtung 100 zur Wasserrückgewinnung. Dabei wird eine Brennkammer 50 mit Brennstoff 52 und Luft 54 versorgt. Die Verbrennung in der Brennkammer 50 kann selbst gezündet oder fremd gezündet sein. Der Abgasmassenstrom 112 verlässt die Brennkammer 50 durch eine Abgasleitung 56 in die Vorrichtung 100 zur Wasserrückgewinnung in der das Ventil 122 angeordnet ist. Der Dampf entweicht durch den Wasserauslass 130 der Abgaskammer 101 und der Abgasmassenstrom 112 verlässt die Abgaskammer 101 durch den Auspuff 64. - -
Ein Steuergerät (ECU) 66 ist elektronisch verbunden mit dem Ventil 122 und der Brennkammer 50 und reguliert die Zufuhr von Brennstoff 52 und Luft 54 zur Brennkammer 50. Dabei dienen die Signale der Vorrichtung 100, der Brennkammer 50 und von anderen Sensoren 72 der Entscheidungshilfe. Solche Signale können die Abgastemperatur, die Umgebungstemperatur, den Druck, die Feuchtigkeit, die Ventilposition, den Brennstoffzufluss, die Luftzufuhr usw. beinhalten. Elektrische Verbindungen sind durch gestrichelte Linien gezeigt. Diese können physikalische Verbindungen oder direkte Verbindungen darstellen.
In Fig. 4 ist ein Niederdrucksystem mit einem Kondensator 70 für den Wasserdampf gezeigt. Der Kondensator 70 weist eine spiralförmige Leitung 80 auf. Diese Leitung 80 wird von einem Kühlmittel 75 durchströmt welches durch einen Kühlmitteleintritt 76 und einen Kühlmittelaustritt 78 mit der Umgebung verbunden ist. Der Dampf wird durch Abkühlen mit dem Kühlmittel 75 im Kondensator 70 kondensiert. Der Dampf tropft als flüssiges Wasser in einen Wasserbehälter 82. Der Wasserbehälter 82 weist einen Schwimmer 84 auf und eine Pumpe 88 ist diesem nachgeschaltet um Wasser aus dem Wasserbehälter 82 weiter zu transportieren. Diese Pumpe 88 kann ebenfalls durch das Steuergerät (ECU) 66 gesteuert werden.
Wenn der Schwimmer 84 anzeigt, dass der Wasserbehälter 82 gefüllt ist, dann veranlasst das Steuergerät 66 das Ventil 122 zu öffnen oder die Kühlung des Dampfes im Kondensator 70 zu stoppen.
In dem Rohr 124 herrscht ein niedrigerer Druck als in der Abgaskammer 101. Dadurch wird sichergestellt, dass der Wasserdampf durch das molekulare Sieb in den Kondensator 70 gesaugt wird. Das niedrigere Druckniveau ist ein Resultat aus der Abkühlung und dem Kondensationsvorgang und treibt den Prozess voran.
Wenn die Kühlung abgestellt wird, dann steigt innerhalb kurzer Zeit der Druck im Kondensator 70 an. Weiters wird dadurch der Kondensationsvorgang gestoppt. Somit kann der gesamte Prozess durch die Kühlung gesteuert werden.
Um die Regelung des Prozesses zu beschleunigen, können im Kondensator 70 nicht gezeigte Druckventile vorgesehen werden, über die das Druckniveau schneller und unabhängig von der Kondensation geregelt werden kann.
Die Pumpe 88 dient der Beförderung des Wassers aus dem Wasserbehälter 82 zu ihrem nächsten Bestimmungsort der nicht Teil dieser Erfindung ist.
In einer alternativen, zweiten Ausführung einer Vorrichtung 200 in Fig. 5 ist eine Vielzahl von parallelen Rohren 202 zwischen einem Innenbereich 206 und einem - -
Außenbereich 208 kreisförmig angeordnet. Die Rohre 202 sind am stromaufwär- tigen Ende der zweiten Ausführung der Vorrichtung 200 durch einen Führungsring 214 fixiert. Strömungsverbunden sind diese parallelen Rohre 202 über einen Sammelring 216, der wiederum seinerseits mit einem Wasserauslass 210 strö- mungsverbunden ist.
Der Innenbereich 206 der Vorrichtung in der zweiten Ausführung der Vorrichtung 200 umfasst das unbehandelte Volumen 116 eines Abgasmassenstromes 204 und der Außenbereich wiederum das behandelte Volumen 114, wobei das behandelte und das unbehandelte Volumen 114, 116 durch die parallelen Rohre 202 voneinander getrennt sind. Da sich die Behandlung hier als die Separation des molekularen Wassers durch das molekulare Sieb von dem Abgasmassenstrom 204 versteht.
Der Abgasmassenstrom 204 wird in den Innenbereich 206 geleitet. Wenn ein stromabwärtiges Ventil 212 geschlossen ist, dann strömt der Abgasmassenstrom 204 durch Zwischenräume 205 zwischen den Rohren 202 um den Außenbereich 208 zu erreichen. Die Rohre 202 sind in der zweiten Ausführung mit einem porösen keramischen Material 126 beschichtet, das ein molekulares Sieb bildet. Die Poren weisen den Porendurchmesser d auf, der kleiner als der bestimmte Durchmesser D ist, so dass Moleküle mit einer Größe, die kleiner ist als der effektive Durchmesser von Wasser durch das Sieb durchtreten können und alle größeren Moleküle zurückgehalten werden. Der Wasserdampf der in den Rohren 202 gesammelt wird, wird durch den Sammelring 216 zu einem Wasserauslass 220 geleitet. Der Abgasmassenstrom, der durch den Innenbereich 206 und den Außenbereich 208 strömt, tritt durch einen Abgasauslass 220 aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung 200 in der zweiten Ausführung aus.
In Fig. 6 ist der Querschnitt der zweiten Ausführung der Vorrichtung 200 gezeigt. Dabei weisen die parallelen Rohre 202 einen trapezförmigen Querschnitt auf, wobei zwischen zwei benachbarten Rohren 202 jeweils ein Zwischenraum 205 ist, der durch einen Abstand A zwischen den Rohren 202 in Umfangsrichtung gebildet wird. Der Abstand A ist kleiner als ein bestimmter Abstand B, wobei der bestimmte Abstand B der größte Abstand ist, bei dem ein Siebevorgang durch das molekulare Sieb sinnvoll ist.
Eine dritte Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 ist in den Figuren 7 und 8 gezeigt. Dabei wird ein Abgasmassenstrom 304 durch den Partikelfilter 102 in einen ersten Bereich 306 der Vorrichtung geleitet, die von einem zweiten Bereich 308 durch eine Rohrwand 302 getrennt ist. - -
Der erste Bereich 306 umfasst im Wesentlichen das unbehandelte Volumen 116 des Abgasmassenstromes 304 und der zweite Bereich 308 umfasst im Wesentli¬ chen das behandelte Volumen 114 des Abgasmassenstromes 304 in der Vorrich¬ tu ng 300 zur Wasserrückgewinnung in der dritten Ausführung .
Die Rohrwand 302 ist in der gezeigten Ausführung der Vorrichtung 300 im Wesentlichen mittig in der Abgaskam mer 101 angeordnet. Wenn ein Venti l 312 gesch lossen ist, dann strömt der Abgasmassenstrom 304 von dem ersten Bereich 306 durch Zwischenräume 305 zwischen den einzelnen Rohren der Rohrwand 302 in den zweiten Bereich 308. Die Rohre der Rohrwand 302 si nd wiederum besch ichtet m it einem porösen Material 126, das ein moleku lares Sieb bildet. Der Abgasmassenstrom 304 tritt durch einen Abgasauslass 320 aus. Die Rohre der Rohrwand 302 sind quer an einem Durchmesser der Vorrichtung in dieser dritten Ausführung der Vorrichtung 300 angeordnet.
Die Rohre 124 in der ersten Ausführung der Vorrichtung 100, die parallelen Rohre 202 der zweiten Ausführung der Vorrichtung 200 und die Rohrwand 302 der dritten Ausführung der Vorrichtung 300 werden unter dem Begriff Rohrsystem zusam mengefasst.
Die Vorrichtungen 200, 300 in der zweiten und dritten Ausführung weisen analog zur ersten Ausführung eine Abgaskammer 101 auf.
In der oben angegebenen Tabel le sind die Abgasbestandteile in typischen fremd¬ gezündeten und selbstzündenden Motoren angegeben . Die drei rechten Spalten zeigen die molekularen Durchmesser der Bestandteile. Da Feinstaub eine Agglo¬ meration von Kohlenstoffpartikeln ist, vari iert Feinstaub in der Größe stark basierend auf dem Grad der Agglomeration . Dennoch sind diese Partikel nicht moleku¬ lar und sind als solche viel größer im Durchmesser als jede der moleku laren Komponenten . Wenn der Brennstoff nicht vol lständig oxidiert, kom mt es auch im Abgas zu einem Antei l von unverbrannten Kohlenwasserstoffen . Ein großer Teil der unverbrannten Kohlenwasserstoffe ist Methan, CH4. Aus der obigen Tabel le ist zu entnehmen, dass Methan einen effektiven "harten" Moleküldurchmesser (Lennard-Jones (6,12) Distanzparameter) von 3,76 Ä hat, und dass das etwas komplizierter aufgebaute, größere Propan (C3H8) einen effektiven "harten" Mole¬ küldurchmesser (Lennard-Jones (6,12) Distanzparameter) von 5,12 Ä aufweist. Alle Abgasbestandteile, mit Ausnahme von Wassermolekülen, weisen einen ef¬ fektiven "harten" Moleküldurchmesser von mehr als 3,00 Ä auf. Das poröse Materia l 126, das Poren oder Durchgänge m it einem größten Durchmesser entlang seiner Länge von weniger als etwa 3,00*21/6 Ä (d . h . weniger als etwa 3,5 Ä) besitzt, ist daher als molekulares Sieb geeignet. Dadurch können nur Wassermo¬ lekü le durch das Material 126 übergeben werden .

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zur Wasserrückgewinnung aus einem Abgasmassenstrom (112;
204; 304) der eine Abgaskammer (101) durchströmt und in ein Rohrsystem (124; 202; 302), durch ein molekulares Sieb Wassermoleküle abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasmassenstrom (112; 204; 304) zuerst am molekularen Sieb vorbeiströmt und Wassermoleküle in verdampftem Zustand erhält und der Dampfstrom der Wassermoleküle in einem Kondensator (70) kondensiert wird, und dass der Abgasmassenstrom (112; 204; 304) durch ein Ventil (122; 212; 312) am Ende der Abgaskammer (101) gesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung des Abgasmassenstromes (112; 204; 304) durch die Stellung des Ventils (122; 212; 312) gesteuert wird und dadurch auch der Kontakt des Abgasmassenstromes (112; 204; 304) mit dem molekularen Sieb.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (122; 212; 312) durch eine Steuerung gesteuert wird, wobei die Steuerung Informationen von Sensoren wie Druck und Temperatur in der Abgaskammer bekommt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (122; 212; 312) von der Steuerung geöffnet wird, wenn eine Temperatur in der Abgaskammer niedriger ist als eine Mindesttemperatur.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (122; 212; 312) von der Steuerung geöffnet wird, wenn ein Druck in der Abgaskammer höher ist als ein Grenzdruck.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wassermoleküle vom Abgasmassenstrom (112; 204; 304) durch eine Druckdifferenz durch das molekulare Sieb in das Rohrsystem (124; 202; 302) getrieben werden.
7. Vorrichtung (100; 200; 300) zur Durchführung eines Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 zur Wasserrückgewinnung aus einem Abgasmassenstrom (112; 204; 304) mit einer Abgaskammer (101), die eine stromaufwärts angeordnete Abgasöffnung (110), einen stromabwärts angeordneten Abgasauslass (118; 220; 320) und ein Rohrsystem (124; 202; 302) aufweist, wobei das Rohrsystem (124; 202; 302) die Abgaskammer (101) in ein unbehandeltes Volumen (116) und ein behandeltes Volumen (114) teilt, das Rohrsystem (124, 202; 302) mit einem Kondensator (70) strömungs- verbunden ist und das unbehandelte Volumen (116) mit der Abgasöffnung (110) strömungsverbunden ist und das behandelte Volumen (114) stromabwärts des Rohrsystems (124; 202; 302) angeordnet ist und die Vorrichtung (100; 200; 300) ein Ventil (122; 212; 312) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (122; 212; 312) an einem von der Abgasöffnung (110) entfernten Ende der Abgaskammer (101) angeordnet ist.
8. Vorrichtung (100; 200; 300) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das unbehandelte Volumen (116) zylinderförmig ist und durch das Rohrsystem (124; 202) so begrenzt ist, dass das behandelte Volumen (114) ringförmig um das unbehandelte Volumen (116) angeordnet ist.
9. Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Rohrsystems (124; 202; 302) mit einem porösen - vorzugsweise keramischen - Material (126) beschichtet ist, wobei Poren des Materials einen Porendurchmesser d aufweisen, der kleiner ist als ein bestimmter Durchmesser D und das Rohrsystem (124; 202; 302) Poren aufweist, die einen Rohrporendurchmesser e aufweisen, der größer ist als der bestimmte Durchmesser D.
10. Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (122; 212; 312) stufenlos verstellbar ist.
11. Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrsystem (124; 202; 302) zumindest ein Rohr (124) aufweist, welches schraubenförmig gewunden ist und Windungen des Rohres einen Abstand A aufweisen, der kleiner ist als ein bestimmter Abstand B.
12. Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrsystem (124; 202; 302) parallele Rohre (202), die mit einem Sammelring (216) verbunden sind, aufweist, wobei die Rohre (202) zueinander einen Abstand A aufweisen, der kleiner ist als ein bestimmter Abstand B.
13. Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (122; 212; 312) mit einem Steuergerät (66) elektrisch verbunden angeordnet ist.
14. Vorrichtung (100; 200; 300) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (66) mit Sensoren elektrisch verbunden ist, zum Empfang von Signalen wie Druck und Temperatur in der Abgaskammer (101).
Vorrichtung (100; 200; 300) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrsystem (124; 202; 302) mit einem Kondensator (70) strömungsverbunden ist, der vorzugsweise mit einem Wasserbehälter (82) strömungsverbunden ist.
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