СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИ
METHOD AND DEVICE FOR EVAPORATION OF FLUIDS

Настоящее изобретение относится к способу и к устройству для испарения жидкости. Речь при этом прежде всего идет о водном растворе мочевины, которая используется в качестве предшественника аммиака, служащего восстановителем в процессе селективного каталитического восстановления оксидов азота в системе выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
При использовании селективного каталитического восстановления (сокращенно СКВ) для снижения содержания оксидов азота в ОГ, образующихся при работе ДВС, прежде всего на автомобилях, часто используют аммиак в качестве избирательно действующего на оксиды азота восстановителя. Аммиак главным образом на транспортных средствах получают из мочевины путем термолиза и/или гидролиза. Запас мочевины на транспортном средстве обычно хранят в виде ее водного раствора, который затем по мере необходимости впрыскивают в систему выпуска ОГ либо сначала испаряют вне потока ОГ и после этого в виде аммиак- соответственно карбамидсодержащего пара подают в ОГ. В последнем случае проблематичным часто является именно испарение раствора мочевины в больших объемах в условиях значительных динамических нагрузок, поскольку энтальпия (теплота) испарения отбирает сравнительно много тепловой энергии у испарителя, который из-за этого охлаждается, при этом охлаждение испарителя при определенных условиях оказывается настолько значительным, что полное испарение жидкости уже не происходит.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично устранить известные из уровня техники недостатки и прежде всего разработать способ и устройство для испарения жидкости, которые позволяли бы полностью испарять даже повышенные объемы жидкости.
Указанные задачи решаются с помощью способа и устройства, заявленных в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемый в изобретении способ испарения задаваемого объема жидкости заключается в том, что
а) в подводящую линию последовательно подают по меньшей мере один первый составляющий одну часть от задаваемого объема частичный объем жидкости с первым объемным расходом и по меньшей мере один второй отличный от первого частичного объема и составляющий другую часть от задаваемого объема частичный объем жидкости со вторым объемным расходом,
б) частичные объемы жидкости по меньшей мере частично испаряют с образованием паровой пленки между частичным объемом жидкости и стенкой подводящей линии,
в) частичные объемы жидкости подводят по подводящей линии к испарительной поверхности и
г) частичные объемы жидкости подают на участок испарительной поверхности, положение которого варьируют в зависимости от по меньшей мере одного из следующих параметров:
I) величины соответствующего частичного объема жидкости и
II) объемного расхода соответствующего частичного объема жидкости.
Стадия а) заключается, таким образом, прежде всего в разделении задаваемого объема жидкости на несколько разных по своей величине частичных объемов жидкости. Для этого можно использовать соответствующее управляющее средство, которое перед подачей жидкости рассчитывает несколько ее частичных объемов, составляющих доли от ее задаваемого объема, после чего такие частичные объемы жидкости подаются, например, соответствующим образом выполненным дозировочным насосом в подводящую линию. Стадия а) охватывает также вариант с непрерывной подачей жидкости в подводящую линию и с варьированием при этом во времени объемного расхода жидкости, первый и второй частичные объемы которой тем самым последовательно подаются в подводящую линию. В этом случае варьируют во времени объемный расход жидкости, например, путем соответствующего варьирования объемной подачи насоса и/или с помощью соответствующих дросселей, например, гидрораспределителей или клапанов, путем управляемого в функции времени открытия и закрытия которых можно варьировать объемный расход жидкости. Величину объемного расхода жидкости можно изменять непрерывно и/или периодически. Объемный расход жидкости можно поддерживать постоянным в течение задаваемых интервалов времени, при этом предпочтительно варьировать их длительность.
На стадии г) разные по своей величине частичные объемы жидкости попадают в зависимости от своей величины и/или объемного расхода жидкости на разные участки испарительной поверхности. Благодаря этому обеспечивается более равномерное использование испарительной поверхности и тем самым более равномерное, а не только точечное ее охлаждение. Следствием этого является гораздо более полное испарение жидкости по сравнению с другими известными из уровня техники системами, поскольку существенно снижается риск столь значительного охлаждения испарительной поверхности, что дальнейшее испарение жидкости станет невозможным.
В особенно предпочтительном варианте жидкость представляет собой водный раствор мочевины. Предлагаемый в изобретении способ наиболее предпочтительно при этом использовать для подачи мочевину- и/или аммиаксодержащего газового потока в систему выпуска ОГ, образующихся при работе ДВС, прежде всего на транспортных средствах, например на автомобилях и/или мотоциклах.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа в качестве испарительной поверхности используют поверхность по меньшей мере одного испарительного канала. Подводящая линия и испарительный канал предпочтительно при этом образуют единый канал.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа стадия г) основана на эффектах инерционности. Так, в частности, использование эффектов инерционности позволяет вследствие разных величин частичных объемов жидкости добиться максимально равномерного их распределения по испарительной поверхности. Для этого прежде всего можно выполнить испарительный канал криволинейным с изменяющимся радиусом кривизны и/или выполнить испарительный канал с изменяющимся проходным сечением.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа в качестве жидкости испаряют водный раствор мочевины, который при необходимости может содержать дополнительные добавки, например муравьиную кислоту. Такие водные растворы мочевины выпускаются под торговыми наименованиями "AdBlue" и "Denoxium".
Следующим объектом настоящего изобретения является устройство для испарения жидкости предлагаемым в изобретении способом. Такое предлагаемое в изобретении устройство имеет испарительную поверхность, к которой жидкость подается по подводящей линии и которая образована поверхностью испарительного канала, при этом по меньшей мере один из следующих параметров является переменным:
а) радиус кривизны испарительного канала,
б) проходное сечение испарительного канала и
в) объемный расход подаваемой жидкости.
Варьирование радиуса кривизны испарительного канала, его проходного сечения и/или объемного расхода жидкости позволяет добиться того, чтобы разные по своей величине частичные объемы жидкости, составляющие доли от ее задаваемого объема, попадали вследствие эффектов инерционности на разные участки испарительной поверхности. Благодаря этому разные участки испарительной поверхности используются для обеспечения необходимой энтальпии испарения и для дальнейшего нагрева пара. В результате предотвращается точечное остывание испарительной поверхности при испарении повышенных задаваемых объемов жидкости. Варьирование объемного расхода жидкости обеспечивается соответствующим образом управляемыми подающими средствами, такими, например, как насосы и/или гидрораспределители либо клапаны.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении устройства по меньшей мере часть испарительного канала имеет пористое покрытие, которое прежде всего катализирует гидролиз предшественника восстановителя до восстановителя. Подводящую линию и испарительный канал наиболее предпочтительно выполнять из материала, стойкого к коррозии при подаче и испарении водного раствора мочевины. Такой материал прежде всего может содержать или представлять собой соответствующую высококачественную сталь, титан и/или алюминий.
Для подачи жидкости из содержащей ее емкости в подводящую линию предлагаемое в изобретении устройство в предпочтительном варианте имеет подающее средство с по меньшей мере одним насосом. В качестве такого насоса предпочтительно использовать дозировочный насос, который выполнен с возможностью регулирования его объемной подачи, а тем самым и объемного расхода подаваемой им жидкости. Альтернативно этому или дополнительно к этому в качестве подающего средства можно использовать нагнетательный насос, с помощью которого можно задавать объемную подачу и/или давление нагнетания жидкости. Варьируя объемную подачу и/или давление нагнетания жидкости и управляя соответствующим гидрораспределителем, предусмотренным между емкостью с жидкостью и подводящей линией, можно варьировать объемный расход жидкости.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, при этом изобретение не ограничено представленными на этих чертежах вариантами его осуществления. Рассмотренные в настоящем описании частные особенности предлагаемого в изобретении способа и варианты его осуществления могут относиться также к предлагаемому в изобретении устройству и распространяться на него, и наоборот. На прилагаемых к описанию схематичных чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - выполненное по одному из вариантов предлагаемое в изобретении устройство с пояснениями, относящимися к изменяющемуся проточному поперечному сечению,
на фиг.2 - выполненное по одному из вариантов предлагаемое в изобретении устройство с пояснениями, относящимися к изменяющемуся радиусу кривизны,
на фиг.3 - фрагмент выполненного по одному из вариантов предлагаемого в изобретении устройства с пористым покрытием на испарительной поверхности,
на фиг.4 - выполненное по второму варианту предлагаемое в изобретении устройство и
на фиг.5-7 - примеры, иллюстрирующие изменение объемного расхода жидкости при ее подаче.
На фиг.1 показано выполненное по первому варианту предлагаемое в изобретении устройство 1 для испарения жидкости. Такое устройство 1 имеет канал 2, который можно подразделить на подводящую линию 3 и испарительный канал 4. Подводящая линия 3 предназначена при этом для подачи жидкости, тогда как испарительный канал 4 имеет стенки, которые служат испарительными поверхностями 5. Устройство 1 имеет при этом цельный корпус из алюминия, в котором выполнен канал 2, например, фрезерованием. Устройство 1 имеет далее не показанные на чертеже электронагревательные средства, на которые через контактные выводы 6 может подаваться электрический ток. Таким образом, устройство 1 является электронагреваемым.
Соответствующая испаряемая жидкость из содержащей ее емкости 8 подается в подводящую линию 3 дозировочным насосом 7. Объемная подача дозировочного насоса 7, а тем самым и объемный расход при подаче жидкости в подводящую линию 3 являются варьируемыми (изменяемыми) величинами. Согласно изобретению при этом необходимо испарять задаваемый объем жидкости, в данном случае - водного раствора мочевины для получения аммиака в качестве восстановителя в ОГ, образующихся при работе ДВС. В соответствии с изобретением задаваемый объем испаряемой жидкости, который рассчитывают, например, исходя из концентрации содержащихся в ОГ оксидов азота, разделяют на разные по своей величине частичные объемы. Так, например, задаваемый объем испаряемой жидкости можно разделить на первый частичный объем, равный одной трети от задаваемого объема, и второй частичный объем, равный двум третям от задаваемого объема. Задаваемый объем испаряемой жидкости можно разделять и иным образом, например на первый частичный объем, равный одной шестой от задаваемого объема, второй частичный объем, равный двум шестым от задаваемого объема, и третий частичный объем, равный половине задаваемого объема. Дозировочный насос 7 может при этом эффективно использоваться для подачи отдельных частичных объемов испаряемой жидкости в подводящую линию 3 и далее в испарительный канал 4. В другом варианте объемный расход при подаче жидкости можно путем соответствующего управления работой дозировочного насоса 7 варьировать таким образом, чтобы жидкость испарялась в задаваемом объеме. В этом случае можно также эффективно использовать промежуток времени, проходящего от момента выхода ОГ из ДВС до момента начала взаимодействия содержащихся в них оксидов азота с аммиаком, и соответствующим образом управлять работой дозировочного насоса 7.
В испарительном канале 4 или в подводящей линии 3 происходит частичное испарение соответствующих частичных объемов жидкости с образованием паровой прослойки или паровой пленки между частичным объемом жидкости и стенкой подводящей линии 3. Образование такой паровой пленки основано прежде всего на так называемом эффекте Лейденфроста, проявление которого при этом целенаправленно инициируют путем приводящего к нему нагрева стенок подводящей линии 3. В результате между частичным объемом и стенкой подводящей линии 3 образуется паровая пленка. Поскольку дозировочный насос 7 поддерживает перепад давлений, этот частичный объем перемещается по подводящей линии 3 и испарительному каналу 4. При этом частичные объемы подводятся к испарительной поверхности 5. В рассматриваемом варианте такая испарительная поверхность 5 образована стенкой испарительного канала 4. Изменением кривизны и/или проходного сечения испарительного канала 4 достигают того, что отдельные частичные объемы в зависимости от их величины попадают на тот или иной участок испарительной поверхности 5. Благодаря подаче разных по своей величине частичных объемов жидкости не только используется один отдельный участок испарительной поверхности 5 для испарения жидкости, но и, более того, происходит ее распределение или рассеивание по используемым испарительным поверхностям 5. Дальнейшего рассеивания испаряемой жидкости альтернативно этому или дополнительно к этому позволяет добиться варьирование объемного расхода жидкости при ее подаче. Преимущество, связанное с подобным рассеиванием испаряемой жидкости по используемым испарительным поверхностям 5, состоит в эффективном использовании испарительной поверхности 5 и к равномерному ее использованию прежде всего при испарении повышенных задаваемых объемов жидкости. Благодаря этому существенно повышается полнота испарения жидкости, поскольку при квазиточечном использовании испарительной поверхности 5 и при повышенных задаваемых объемах жидкости потери тепла внутри устройства 1 настолько велики, что обеспечить полное испарение задаваемого объема жидкости невозможно. Помимо этого для обеспечения максимально полного испарения жидкости можно соответствующим образом регулировать температуру подводящей линии 3 и/или испарительного канала 4.
Тем самым предлагаемый в изобретении способ позволяет эффективно исключать неполное испарение жидкости с выходом ее не испарившихся капель из испарительного канала 4. Обеспечить подачу отдельных частичных объемов жидкости на некоторый участок испарительной поверхности 5, положение которого варьируется в зависимости от соответствующего частичного объема жидкости и/или объемного расхода при ее подаче, можно несколькими различными путями. Для этого можно, например, варьировать кривизну и/или проходное сечение испарительного канала 4. В целом же в данном случае используются эффекты инерционности, которые из-за различной величины разных частичных объемов жидкости приводят к их попаданию на разные участки испарительной поверхности 5.
На фиг.1 при этом показаны первое проходное сечение 9 и второе проходное сечение 10 испарительного канала 4. Первое проходное сечение 9 больше второго проходного сечения 10. Позицией 13 обозначен выходящий из устройства 1 поток пара испаренной жидкости.
На фиг.2 представлен пример с изменяющейся кривизной испарительного канала 4. Для иллюстрации этого на чертеже изображены первый круг 11 кривизны и второй круг 12 кривизны. Радиус кривизны при этом, как очевидно, изменяется, что приводит в зависимости от величины частичных объемов жидкости к их попаданию на тот или иной участок испарительной поверхности 5 и тем самым к испарению отдельных частичных объемов жидкости на разных участках испарительной поверхности.
На фиг.3 показан фрагмент выполненного по одному из вариантов предлагаемого в изобретении устройства, у которого его испарительная поверхность 5 снабжена пористым покрытием 14, которое катализирует гидролиз мочевины до аммиака.
На фиг.4 показано выполненное по другому варианту предлагаемое в изобретении устройство 1. В этом варианте вместо дозировочного насоса 7 предусмотрен нагнетательный насос 15, которым водный раствор мочевины подается из содержащей его емкости 8. Подача водного раствора мочевины к подводящей линии 3 регулируется регулируемым 2/3-гидрораспределителем 16. Через этот гидрораспределитель 16 водный раствор мочевины может подаваться либо в подводящую линию 3, либо обратно в емкость 8. Изменяя длительность нахождения гидрораспределителя 16 в открытом состоянии, в котором он пропускает жидкость в подводящую линию 3, а также изменяя количество проходящей через гидрораспределитель 16 в подводящую линию 3 жидкости, которое можно изменять регулированием объемной подачи нагнетательного насоса 15, можно варьировать объемный расход подаваемой в подводящую линию 3 жидкости.
На фиг.5 представлен первый пример характеристики изменения объемного расхода 17 подаваемой в подводящую линию 3 жидкости во времени. Соответствующую этому примеру характеристику объемного расхода испаряемой жидкости можно реализовать за счет соответствующего выполнения нагнетательного насоса 15 и гидрораспределителя 16, который может иметь разные проходные сечения. В этом случае, таким образом, можно регулировать количество поступающей через гидрораспределитель 16 в подводящую линию 3 жидкости в единицу времени. Варьируя длительность временных интервалов, в течение которых гидрораспределитель 16 открывает или перекрывает соединение с подводящей линией 3, и варьируя количество проходящей через гидрораспределитель 16 жидкости, можно регулировать ее объемный расход 17. Путем соответствующего управления работой дозировочного насоса 7 и/или нагнетательного насоса 15, а также гидрораспределителя 16 можно соответствующим образом варьировать объемный расход 17 жидкости с получением характеристик его изменения, представленных на фиг.6 и 7. На фиг.5-7 время t, а также объемный расход жидкости V/t указаны в произвольных единицах.
Преимущество предлагаемых в изобретении способа и устройства 1 состоит в том, что они обеспечивают максимально эффективное испарение жидкости, прежде всего водного раствора мочевины. Благодаря распределению жидкости по разным участкам испарительной поверхности 5, на которые жидкость попадает для ее испарения, в зависимости от величины частичных объемов жидкости и/или ее объемного расхода обеспечивается использование максимально большой площади испарительной поверхности 5. С этой целью в зоне подводящей линии 3 эффективно используется методика нагрева, которая при подаче каждого из частичных объемов испаряемой жидкости обеспечивает возникновение эффекта Лейденфроста. В результате за счет выполнения испарительного канала 4 соответствующей геометрической формы удается добиться максимально равномерного распределения жидкости по испарительной поверхности.