NO820132L - Overflatespenningskjele - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en overflate-spenningskjeie til fordampning av flytende brensel med en forbedret varmeoverføring og styreorganer for fordampning av flytende brensel i avhengighet av varierende behov for brenseldamp og temperaturetterspørsel.

Tidligere kjente fordampere har alle vært av forholdsvis stor størrelse og slik konstruert at deres anvendelse var begrenset ved at deres bruk var forenlig med konstruksjonen, snarere enn at deres konstruksjon ble tilpas-set for å være forenlig med den foreliggende konstruksjon av et kjøretøy eller annen foreliggende anvendelse.

Tidligere kjente fordampere som var mindre

og lettere kunne tilpasses for montering på kjøretøyer hadde en tendens til å arbeide ved overtemperatur og forholdsvis høyere trykk for å sikre fullstendig fordampning av den væské som skulle fordampes. Noen tidligere kjente fordampere utviklet også sperrer ved utgangen av fordamperen for å hindre væske i å komme gjennom, såsom i US-PS 3 99 0 432.

Videre har også tidligere kjent teknikk frem-skaffet overhetede gjennomganger utenfor åpningene i fordamperen for ytterligere å sikre at fordampningen ville være fullstendig eller at kondensering ikke ville opptre ved an-komst til de kaldere deler av systemet.

Tidligere kjente fordampere var heller ikke lette og uten videre mulige å tilpasse for tilføyelse til allerede foreliggende kjøretøy uten stor omkostning til for-andring av kjøretøyet.

Mange av de tidligere kjente fordampere søkte å varme opp store mengder brensel som skulle fordampes, enten ved forvarming eller ved å ha store mengder brensel

varmet opp og klar for fordampning. Med store mengder brensel foreliggende ble fordampningsprosessen meget langsom ved oppstarting av fordamperen. I kjøretøy var denne løsning ytterst uønsket.

Med store mengder brensel foreliggende var også problemet med overtrykk i systemet stort. Arbeidet med høyere trykk var farlig fordi trykkene hurtig kunne over-skride sikkerhetsgrensen for fordamperne.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å skaffe tilveie en fordamper som lett kan monteres på et kjøretøy og som ikke krever stor plass for sin installasjon.

Fordamperen ifølge oppfinnelsen er konstruert bare for å ha en meget liten mengde brensel tilgjengelig for fordampning til enhver tid.

Fordamperen ifølge oppfinnelsen er også konstruert for å redusere til et minimum overhetning av den damp som fordampes.

Videre er denne fordamper konstruert for å tømme fordamperen hvis det fremstilles et for stort trykk og hindrer således overtrykk i systemet og bibeholder et forholdsvis konstant trykk.

Det er et formål med denne oppfinnelse å skaffe tilveie den maksimale varmeoverføring som er mulig ved bare å ha meget tynne hinner av væske utsatt for de oppvarmede overflater og således eliminere den dårlige varme-overføring ved å ha en blanding av fordampet væské og væske i kontakt med de oppvarmede overflater.

Det er også et formål med oppfinnelsen å skaffe tilveie tørr, svakt overhetet damp med en enkelt gjen-nomgang .

Det er likeledes en oppgave for foreliggende oppfinnelse å hindre perkolatorvirkningen som ville bevirké

at væske skål bli slynget gjennom fordamperen og levere væske som ikke ville være fordampet til fordampningsregula-toren.

Ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse under hen-visning til tegningene, hvor fig. 1 er et skjematisk riss av

brenselfordamperen ifølge oppfinnelsen, fig. 2 er et snitt av varmeutveksleren og varmekammeret i en utførelse av oppfinnelsen, fig. 3 er et snitt av varmeutveksleren og inklu-derer grenrørene for innføring og utløp av væskén og dampen ifølge oppfinnelsen, fig. 4 er et snitt av varmeutveksleren med stangmåterialet i denne og grenrør for innføring og ut-løp av væske og damp ifølge oppfinnelsen, fig. 5 er et gjen-nomsiktig riss av en annen utførelse av varmeutveksleren

ifølge oppfinnelsen og dennes grenrør for innføring og ut-løp av væske og damp, og fig. 6 er et snitt av en skjematisk tegning som viser væske- og dampfasen av det flytende brensel etter hvert som dette brer seg ut over overflaten av de mange kammere.

På fig. 1 er vist et fullstendig system til fordampning av brensel, hvilket som hovedtrekk-består av en fordamper 10 for flytende brensel, hvilken er i fluidumforbindelse på sitt laveste punkt med en brenselpumpe 11 som er forbundet med en brenseltank 12 for lagring av. flytende brensel; Fordamperen 10 er videre i fluidumforbindelse ved sin annen ende med en avløpsledning 13. I en utførelse anvendes minst to dampavløpsrør 13A og 13B, men de er forenet i et felles punkt, hvor en flerveisventil 14 leverer inn i en strømningskanal 15 for strømning av det fordampede brensel til en dampregulator 16.

Dampregulatoren 16 i denne utførelse er av to-kammertypen med et høytrykkskammer 17 for å ta imot leveringen fra strømningskanalen 15 og ét lavtrykkskammer 18 som ved hjelp av en membranføler 19 er funksjonelt forbundet med en ventil 20. Denne funksjonelle forbindelse med ventilen 20 tillater lavtrykkskammeret å åpne for fluidumforbindelse med høytrykkskammeret 17 ved varierende betingelser for behovet på grunn av at stort behov frembringer et lavt trykk for å åpne ventilen 20. En avløpsåpning 21 forbundet med lavtrykkskammeret 18, er også forbundet med en forgas-ser (ikke vist) for drift av motoren som heller ikke er vist.

Dampregulatoren 16 har i sitt laveste punkt

i lavtrykkskammeret 18 og høytrykkskammeret 17 ventiler 22 og 23* for å tillate avløp av flytende brensel som kan ha kondensert fra det fordampede brensel i de respektive kammere. Til ventilene 22 og 23 er koblet en brenselréturled-ning 24 som fører brenslet tilbake til brenseltanken 12.

Brenselfordamperen 10 som vist på fig. 1 i denne utførelse har et innløp 25 for flytende brensel i forbindelse med brenselpumpen 11 som leverer brensel ved et forholdsvis konstant trykk og vanligvis ikke vil fortsette å pumpe brensel utover et på forhånd bestemt trykk på omkring 0,49 - 0,56 kg/cm 2. Innløpet 25 for flytende brensel er forbundet med et første fordampergrenrør 26 i det laveste punkt i det første fordampergrenrør 26 og dette grenrør er videre forbundet med en rekke av et antall kåmmere 27. Flytende bren-^sel leveres således ved den omgivende temperatur ved hjelp av brenselpumpen 11 til det første fordampergrenrør 26 for å frembringe et jevnt og konstant trykk ved omgivende temperatur i det første fordampergrenrør 26. Det første grenrør 26 er forbundet med flere kammere 27 som danner en varmeutveksler 28, hvori nevnte brensel fordamper og leveres fra kamrene 27 til et annet fordampergrenrør 30. I minst en utfør-else er dette annet fordampergrenrør 30 utformet som minst to kammere 30A og 30B. De respektive kammere 30A og 30B er der-etter forbundet med respektive dampleveringsrør 13A eller 13B for levering av dampen til flerveisventilen 14. Ventilen 14 som er temperaturdrevet i en utførelse og er av standard utførelse, hvilken tillater selektiv strømning fra den ene eller annen eller begge dampavløpsledningene 13A og 13B til strømningskanalen 15 avhengig av temperaturen av dampen i disse. Strømningen i begge dampavløpsrørene 13A og 13B gjennom strømningskanalen 15 gir maksimal mengde damplevering til dampregulatoren 16. Når en av dampleveringsrørene 13A eller 13B er avstengt fra strømning ved hjelp av. ventilen 14, vil det i det respektive kammer enten 3OA eller 3OB bygge seg opp trykk som tvinger det flytende brensel ut av den del av kamrene 27 som mater det avstengte kammer 30A eller 30B for å redusere mengden av flytende brensel somi utsettes for de opphetede overflater for fordampning. Da det bare er en meget liten mengde flytende brensel tilstede i fordamperen 10, dannes ikke noe merkbart mottrykk når denne oppbygging

av trykk foregår. Ved at brenslet fjernes f?5a de opphetede overflater blir det område av varmeutveksleren 28 som er utsatt for fluidum, vesentlig redusert og varmeoverføringen reduseres for å styre fordampningsteraperaturen. Når damp-temperaturen er lav i strømningskanalen 15, åpnes ventilen 14 for strømning gjennom begge avløpsledninger 13A og 13B som tillater mer varme å bli levert av varmeutveksleren 28.

Dampregulatoren 16 i systemet er koblet i fluidumforbindelse med strømningskanalen 15 for å ta imot det fordampede brensel. Dampregulatoren 16 er i denne utfør-else et tokammerlegeme med en ventil 20 i forbindelse mellom dem. En mer detaljert beskrivelse kan ses av fig. 1, hvor høytrykkammeret 17 i dampregulatoren 16 står i fluidumforbindelse med strømningskanalen 15 for å ta imot dampen ved forholdsvis høyt trykk. Således er høytrykkskammeret 17 på høytrykksiden av dampregulatoren 16. I høytrykkammeret 17 er der anordnet en ventilåpning 3 3 for avløp av dampen fra dette til lavtrykkammeret 18. På det laveste punkt i høy-trykkammeret 17 er en ventilåpning 34 og en ventil 23 for å ta ut eventuélt flytende brensel som kan være kondensert og ha samlet seg i de respektive kammere. En brenselreturled-ning 24 er anordnet for levering av eventuell væske frigjort fra høytrykkammeret 17 og lavtrykkammeret 18 tilbake til brenseltanken 12.

I lavtrykkammeret 18 som er lavtrykksiden, er det anordnet en ventil 20 for å samvirke med ventilåpningen 33. Ventilen 20 er funksjonelt forbundet med en membran-føler 19 som føler og reagerer på varierende forandringer i motorens behov. Når således større behov for fordampet brensel oppstår, åpner membranføleren 19 ventilen 2 0 for strøm-ning av fordampet brensel gjennom ventilåpningen 33. Under forhold med lite eller ikke noe behov, stenger membran-føleren 19 ventilen 20 for å begrense eller hindre strøm-ningen av damp fra høytrykkammeret 17. Bunnen av lavtrykk-kammeret 18 er forsynt med en annen ventilåpning 39 og en ventil 22 for å fjerne eventuélt flytende brensel som kan ha kondensert seg i lavtrykkammeret 18 i dampregulatoren 16. Det flytende brensel som føres gjennom ventilen 22, tømmes inn i brenselreturledningen 24 for levering tilbake til brenseltanken 12. Det fordampede brensel i lavtrykkammeret 18 føres ut gjennom avløpsåpningen 21 for levering til for-gasseren som følge av motorens behov for fordampet brensel.

Det må forstås at de mange kammere 27 i fordamperen 10 er dannet ved å ha motstående overflater 41 og 42 for strømning av flytende brensel mellom dem. De motstå ende overflater av fordamperen 10 i denne oppfinnelse kan være utformet på mange måter og fremdeles oppnå resultatene ifølge oppfinnelsen. F.eks. viser fig. 5 og 6 to forskjel-lige utførelser, men i hvert tilfelle er der motstående overflater 41 og 42 med mellomliggende gjennomganger. På fig. 2, fig. 3 og fig. 4 er vist ennå én annen form for å skaffe de motstående overflater 41 og 42.

Det må videre forstås at avstandene mellom de motstående overflater 41 og 42 som danner gjennomgangen mellom dem, vil variere i avhengighet av egenskapene for det flytende brensel som fordampes. Gjennomgangene må imidlertid være små men virksomme nok for overflatespenningségén-skapene av de motstående overflater 41 og 42 og det flytende brensel til å fordele dette over de motstående overflater 41 og 42. Denne gjennomgangs rom er således så lite at brenslet ikké kan danne små dråper av noen merkbar størrelse eller slynges omkring, men de klemmes inn i rommet og væsken fordeles eller "gnis ut" over lengden av de motstående overflater 41 og 42. Minst ett annet kriterium som må oppfat-tes som viktig, er lengden av de små men virksomme gjennomganger dannet mellom de motstående overflater 41 og 42 fordi alt etter typen av flytende brensel og dettes egenskaper, såsom overflatespenning, damptrykk, kdképunkt, fordampnings-varme osv., må lengden være slik at brenseltypen vil være fullstendig fordampet før den går ut av gjennomgangene mellom de motstående overflater 41 og 42.

På fig. 6, som er et utvidet skjematisk riss av et av de mange kammere 27 med motstående flater 41 og 42 for dannelse av gjennomgangen mellom dem, er skjematisk vist den antatte teori som gjør det mulig for oppfinnelsen å

funksjonere. Fig. 6 har også vist et tilleggsmateriale 40 som kan være slike materialer som vridd eller buntet tråd anbragt mellom de motstående overflater 41 og 42 for å danne ennå ytterligere motstående overflater. Dannelsen av store

motstående flatearealer for å samvirke med overflatespenningen av det flytende brensel er viktig fordi jo større. overflateareal det flytende brensel kan ha til å påvirké sin overflatespenning, desto større er spredningsvirkningéne og

desto større er varmeoverføringen. På fig. 6 har de motstående overflater 41 og 42 tilleggsmaterialer 40 anbragt mellom de motstående overflater av de mange kammere 27 for.å frembringe økte overflatearealer med motstående overflater 41 og 42 og 40 i lite, men effektivt forhold. På fig. 6 er

således det'flytende brensel 43 fordelt.over de motstående overflater 41 og 42 og likeledes over overflatene av tilleggsmaterialet 40 inntil det er fordampet. Ved at det flytende brensel holdes tett inntil overflatene mens det er i flytende fase uten omrøring og uten at væsken danner bobler eller små dråper, sørges for maksimal overføring av varme. Hvis det dannes bobler eller små dråper, vil noe gassfase komme mellom væsken og den opphetede overflate med tapet av god varme-overføring fordi gassfasen er mindre effektiv enn væskéfasen i varmeoverføringen. Hvis dessuten boblene dannes i gassfasen, med derav følgende dårlig varmeoverføring, vil væsken ikké fordampe fullstendig og vil bli ført med av gasstrømmen med stor hastighet gjennom og ut av fordamperen.

I denne oppfinnelse, når det flytende brensel er av gruppen methanol, ethanol, propanol, isopropanol og butanol, har således de mange kammere 27 motstående overflater 41 og 42 eller 40 og 41 og tilleggsmaterialet 40 er slik anbragt at.de små men effektive gjennomganger dannet mellom dem er fra 0,0127 til 1,27 mm. Det nøyaktige innvendige mål av disse mange kammere 27 kan variere alt etter overflatespenningen mellom det partikkélformede materiale i de mot-■ stående overflater 41 og 42 og tilleggsmaterialet 40 og det flytende brensel.

Lengden av disse gjennomganger dannet mellom de motstående overflater 41 og 42 og tilleggsmaterialet 40 kan variere, men lengden må være tilstrekkelig til at overflatespenningen mellom det flytende brensel og de motstående overflater 41 og 42 og tilleggsmaterialet 40 kan holde det tynne flytende forhold inntil det flytende brensel er fordampet. Det må forstås at disse tilstander vil variere avhengig av varmen i kjelen, atmosfæriske betingelser osv.,

men at en total arbeidslengde kan opprettes ved å tillate de dårligste betingelser og ved å konstruére lengden tilsvarende.

André utførelser, av. fordamperen med motstående overflater for dannelsen av små men effektive gjennomganger er vist på fig. 2, 3 og 5. På fig. 5 er de motstående overflater 41 og 42 dannet ved hjelp av metallblokker 45 og 46 som er boret for å danne motstående overflater 41 og 42.

I denne utførelse på fig. 5 er varmeutveksleren 28 også dannet ved gjennomganger 47 boret eller skåret inn i blokken 45 for å danne gjennomgangene 47 for levering av de varme eksosgasser som skaffer den nødvendige varme til fordampning av det flytende brensel. Det kan forstås at en hvilken som helst utformning av de motstående overflater 41 og 42

og gjennomganger 4 7 kan benyttes så lenge de to ikke står i forbindelse med hverandre i fluidumforhold. Dét første for-dampergrenrør 26 på fig. 5 er vist ined brutte linjer og ville være anbragt som vist. Det skal bemerkes at det flytende brensel mates inn i det første fordampergrenrør 26 ved det laveste punkt i dette. Denne fysikalske anbringelse av inn-løpet 25 for flytende brensel i det laveste punkt tillater et eventuelt for høyt trykk som kan bygge seg opp, og tvinge det flytende brensel tilbake mot brenselpumpen 11. Når trykket først overstiger trykket i brenselpumpen 11, vil ethvert ytterligere brensel slutte å strømme inn i det første gren-rør 26. Altså ved å anbringe innløpet 25 for flytende brensel ved bunnen, kan ikke noe overskytende væske bli opp-fanget ved bunnen og matet inn i de mange kammere 27 selv etter at trykket kan ha stoppet leveringen av ytterligere flytende brensel.

Den varme som er nødvendig til fordampning av det flytende brensel i minst en utførelse som vist på fig. 2, tilføres ved hjelp av eksosgass fra motoren (ikke vist) som mates tilbaké til varmeveksleren 28 som har et varmekammer 49. De mange kammere 27 er anbragt gjennom varmekammeret 49 ved minst en ende 48 av varmeutveksleren 28 som har åpninger 44, gjennom hvilke de mange kammere 27 er ført. Tilpasningen mellom åpningene 44 og de mange kammere 47 behøver ikké være en forseglet tilpasning, men kan bare være en tett tilpasning som blir enda tettere når den ene ende 48 og de mange kammere 27 opphetes og ekspanderer. Varmen leveres ved eksosinnløpet 50 som bevirker innføringen av. varm eksosgass inn i varmekammeret 49. Disse gasser sirkuleres i. varme - kammeret 49 og tømmes ut igjennom eksosavløpet 37.

På fig. 3 er imidlertid en annen ende 51 anordnet som er tilsvarende den ene ende 48 av varmekammeret 49 og tilpasningen og funksjonen av denne annen ende 51 er hovedsakelig den samme som for den ene ende 48. Den ene ende 48 eller den annen ende 51 kan være festet på en hvilken som helst konvensjonell måte til varmekammeret 49 for sikkert å holde de mange kammere 27 i relativt ubevegelige og separate stillinger inne i varmekammeret 49. Den ene ende 48 og den annen ende 51 skaffer også en hurtig innretning for fjern-else av de mange kammere 47 fra varmekammeret 49 hvis even-tuélle problemer skulle oppstå i kamrene 27.

Det må forstås at en fordel ved å ha det første og annet fordampergrenrør 26 og 30 utenfor, varmekammeret 49 er at varmekammeret 49 har korroderende gasser inn-vendig og store termiske sjokk fra plutselig innføring av varme gasser i dette, og derfor oppstår en betydelig for-bedring av levetiden for fordamperen 10 med denne spesielle utførelse.

Claims (13)

1. Fordamper til fordampning av flytende brensel med forbedret varmeoverfø ring og styreorganer for fordampning av flytende brensel i avhengighet av varierende behov for brenseldamp, karakter! sert ved en varmeutveksler dannet av et antall kammere (27) med motstående overflater (41, 42) med små men effektive gjennomganger utformet mellom dem og idet de motstående overflater har et lite, men virksomt gjennomgangsforhold over en tilstrekkelig lengde til at overflatespenningen mellom et flytende brensel og de motstående overflater (41, 42) av de mange kammere (27) vil fordele det flytende brensel over de motstående overflater av de mange kammere for bibehold av det flytende brensel i forholdsvis konstant og tynt flytende forhold til de motstående overflater (41, 42) av de mange kammere (27) i varmeutveksleren (28) inntil det flytende brensel er fordampet, organer for levering av flytende brensel til varmeutveksleren, organer for levering av varme til .varmeutveksleren for fordampning av det flytende brensel i denne, en innretning for styring av strømmen av fordampet flytende brensel fra fordamperen og en innretning for styring av strømmen av det flytende brensel til varmeutveksleren.

2. Fordamper ifølge krav 1, karakterisert ved at varmeutveksleren dannet av nevnte antall kammere med motstående overflater, ytterligere omfatter til- leggsorganer anbragt mellom de motstående overflater av de mange kammere for å danne et stort antall små men effektive gjennomganger mellom dem.

3. Fordamper ifølge krav 2, karakterisert ved at de ytterligere organer anbragt mellom de motstående overflater av de mange kammere for dannelsen av ytterligere antall av små men virksomme gjennomganger mellom dem, omfatter tråder.

4. Fordamper ifølge krav 3, karakterisert ved at trådene er tvunnet for ytterligere å øke overflatearealet for samvirke med overflatespenningen av det flytende brensel.

5. Fordamper ifølge krav 2, karakterisert ved at de ytterligere organer anbragt mellom de motstående overflater av de mange kammere for dannelsen av ytterligere antall av små men effektive gjennomganger mellom dem, omfatter partikler.

6. Fordamper ifølge krav 2, karakterisert ved at varmeutveksleren dannet av nevnte antall kammere har motstående overflater med små men effektive gjennomganger dannet mellom dem,dessuten omfatter et antall kam-kamere med gjennomganger på 0,0127 - 1,27 mm mellom de motstående overflater og nevnte gjennomganger har en tilstrekkelig lengde til at overflatespenningen mellom et flytende brensel av gruppen methanol, ethanol, propanol, isopropanol og butanol og de motstående overflater i de mange kammere vil holde det flytende brensel av nevnte gruppe i relativt konstant og tynt flytende forhold til de motstående overflater av de mange kammere i varmeutveksleren inntil fordampning.

7. Fordamper ifølge krav 6, karakterisert ved at innretningen for levering av flytende brensel til varmeutveksleren dessuten omfatter en brenseltank, en brenselpumpe for pumping av flytende brensel fra brenseltanken ved et forholdsvis konstant trykk, og et første fordamper-grenrør forbundet med brenselpumpen og fordamperen for spred-ning av trykkvariasjon fra fordamperen jevnt i det flytende brensel i fordampergrenrøret før levering av væsken.

8. Fordamper ifølge krav 7, karakterisert ved at innretningen for styring av strømmen av fordampet flytende brensel fra fordamperen dessuten omfatter et annet fordampergrenrør forbundet med fordamperen og med minst to kammere, en ventil forbundet med kamrene i det annet for-dampergrenrør for selektiv strømning i det ene eller .begge av nevnte kammere som følge av dampbehov.

9. Fordamper ifølge krav 6, karakterisert ved en damprégulator i fluidumfqrbindelse med fordamperen og med et første dampkammer for å ta imot fordampet brensel og et annet dampkammer i fluidumforbindelse med det første dampkammer og med avløpssiden av dampregulatoren.

10. Fordamper ifølge krav 9, karakterisert ved at det første dampkammer har en ventil for å fjerne flytende brensel som kan samle seg og ventilen befin-ner seg ved det laveste punkt i det første dampkammer.

11. Fordamper ifølge krav 10, karakterisert ved at det annet dampkammer har en ventil for fjer-nelse av flytende brensel som kan samle seg og ventilen be-finner seg i det laveste punkt i dampkammeret.

12. Fordamper ifølge krav 10, karakterisert ved at innretningen for levering av varme til varmeutveksleren omfatter et varmekammer i fluidumforbindelse med innretningen for levering av varme og hovedsakelig omgir varmeutveksleren.

13. Fordamper ifølge krav 10, karakterisert ved at varmekammeret dessuten omfatter et rørformet element for å ta imot varmeutveksleren i dette og minst ett deksel for å ta imot varmeutveksleren gjennom samme i hovedsakelig tett forhold til åpninger utformet i dekslet og dekslet er festet til de rørformede organer.