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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein mobiles Heizgerät zur Beheizung
eines Innenraums, insbesondere eines Fahrzeug-Innenraums, sowie
ein Verfahren zum Erzeugen von Heizwärme in einem mobilen Heizgerät.
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Heizgeräte für mobile
Anwendungen (im Folgenden: mobile Heizgeräte) werden insbesondere im Fahrzeugbereich
als Stand- oder Zuheizer eingesetzt. Standheizer (bzw. Standheizungen)
sind sowohl bei ruhendem als auch bei laufendem Fahrzeug-Verbrennungsmotor
betreibbar, während
Zuheizer nur bei laufendem Fahrzeug-Verbrennungsmotor betreibbar
sind. Teilweise werden Stand- oder Zuheizer zur Beheizung von Kühlmittel
des Fahrzeugs eingesetzt. Diese werden in der Regel in dem Motorraum
in den Kühlmittelkreis
des Fahrzeugs eingebaut. Teilweise werden Stand- oder Zuheizer auch als
Luftheizgeräte
direkt in den Innenraum des Fahrzeugs verbaut. Bei beiden Varianten
erfolgt die Brennstoffversorgung üblicherweise aus dem Fahrzeugtank
bzw. aus der Vorlauf- oder Rücklaufleitung.
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In
solchen Stand- oder Zuheizern ist ein Brenner vorgesehen, in dem
Brennstoff und Brennluft in einer Flamme unter Erzeugung von Wärme, die
als Heizwärme
genutzt wird, umgesetzt werden. Zur katalytischen Nachbehandlung
der Verbrennungsgase können
Katalysatoren eingesetzt werden, die zur Beseitigung von schädlichen
Bestandteilen der Verbrennungsgase, wie beispielsweise NOx, CO, etc., dienen.
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Der
Einbauaufwand einer Stand- oder Zuheizung in ein Fahrzeug ist relativ
hoch. Je nach Art des Stand- oder Zuheizers müssen insbesondere das Fahrzeuggebläse kontaktiert,
die elektrischen Leitungen verlegt, eine Schaltuhr installiert,
das Heizgerät in
den Kühlmittelkreis
(im Motorraum) eingebaut und/oder die Brennstoffversorgung des Heizgerätes sichergestellt
werden. Je nach Fahrzeugart sind für den Einbau mehrere Stunden
erforderlich. Neben den Kosten für
die Herstellung solcher Stand- oder Zuheizer entstehen folglich
weitere, erhebliche Kosten für
die Installation derselben.
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Daneben
werden teilweise Heizgeräte
eingesetzt, die Heizwärme
auf Basis einer vollkatalytischen Oxidation erzeugen. In solch einer
vollkatalytischen Oxidation wird Brennstoff an einem geeigneten
Katalysator mit Brennluft flammlos in einer exothermen Reaktion
umgesetzt. Die dabei frei werdende Wärme wird als Heizwärme genutzt.
Im Gegensatz zu den oberhalb beschriebenen Stand- oder Zuheizern
ist kein Brenner vorgesehen, in dem Brennstoff und Brennluft in
einer Flamme umgesetzt werden.
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Bei
einem bekannten, mobilen Heizgerät, das
Heizwärme
auf Basis einer vollkatalytischen Oxidation erzeugt, wird vor dem
Starten Brennstoff, wie beispielsweise Leichtbenzin, in einen in
dem Heizgerät
vorgesehenen Brennstoff-Tank gefüllt.
Ferner muss für
ein Anheizen des mobilen Heizgerätes
Spiritus in eine separat hierfür
vorgesehene Rille, die ein Polster für die vollkatalytische Oxidation
von Brennstoff umgibt, gefüllt
und angezündet
werden. Nach dem Anheizvorgang wird der Brennstoff auf dem Polster
unter Erzeugung von Wärme
vollkatalytisch oxidiert. Das Anheizen solch eines mobilen Heizgerätes muss
manuell und in ausreichender Entfernung von Kraftfahrzeugen durchgeführt werden.
Dadurch ist der Anheizvorgang relativ aufwändig. Zum Löschen des mobilen Heizgerätes muss
eine hierfür vorgesehene
Haube manuell über
das Polster gelegt und durch einen Schieber die Brennstoff-Zufuhr
unterbrochen werden. Eine Regelung der Heizleistung dieses Heizgerätes ist
nicht möglich.
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Bei
einem weiteren, bekannten, mobilen Heizgerät, das Heizwärme auf
Basis einer vollkatalytischen Oxidation erzeugt, wird gasförmiger Brennstoff
(in der Regel Propangas) eingesetzt. Das heißt, dieser Brennstoff ist bei
der jeweiligen Einsatztemperatur des Heizgerätes gasförmig. Die Handhabung von gasförmigem Brennstoff
ist im Vergleich zu flüssigem
Brennstoff aufwändiger
und damit mit höheren Kosten
verbunden. Das Heizgerät
kann ferner nicht während
der Fahrt eines Kraftfahrzeuges betrieben werden.
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Demgemäß besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Heizgerät für mobile
Anwendungen bereitzustellen, das kostengünstig und wartungsarm ist und
gleichzeitig einfach und bequem zu bedienen ist.
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Die
Aufgabe wird durch ein mobiles Heizgerät zur Beheizung eines Innenraums
gemäß Anspruch
1 sowie durch ein Verfahren zum Erzeugen von Heizwärme in einem
mobilen Heizgerät
gemäß Anspruch
13 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein mobiles Heizgerät zur Beheizung eines Innenraums, insbesondere
eines Fahrzeug-Innenraums, bereitgestellt. Dieses weist eine Brennstoff-Verdampfungszone
und ein elektrisches Heizelement, durch das die Brennstoff- Verdampfungszone,
insbesondere die Brennstoff-Verdampfungszone und die Oxidationszone,
beheizbar ist/sind, wobei der Brennstoff-Verdampfungszone flüssiger Brennstoff
zuführbar
ist, und eine Oxidationszone auf, der Brennluft und gasförmiger Brennstoff,
der in der Brennstoff-Verdampfungszone erzeugt (bzw. verdampft)
wurde, zuführbar
sind. Die Oxidationszone weist dabei einen Katalysator auf, an dem
zugeführter,
gasförmiger
Brennstoff in einer vollkatalytischen Oxidation mit zugeführter Brennluft
unter Erzeugung von Heizwärme
umsetzbar ist.
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Gegenüber herkömmlichen
Stand- oder Zuheizern von Fahrzeugen, die einen Brenner aufweisen,
hat das erfindungsgemäße, mobile
Heizgerät den
Vorteil, dass in diesem eine flammlose Oxidation erfolgt. Dadurch
ist der Einsatz dieses mobilen Heizgerätes weniger gefährlich und
es sind weniger bauliche Maßnahmen
erforderlich. Insbesondere entfallen die für die Zündung, Aufrechterhaltung und
Kontrolle der Flamme erforderlichen Bauteile, wie beispielsweise
eine Zündeinheit,
ein Brenner, ein Flammhalter, etc., so dass die Kosten erheblich
reduziert sind. Auch tritt in dem erfindungsgemäßen, mobilen Heizgerät im Wesentlichen
kein Verschleiß auf, so
dass es nicht nur kostengünstig
in der Herstellung sondern auch wartungsarm ist. Da die maximale Heizleistung
solch eines mobilen Heizgerätes
mit der Oberfläche
des Katalysators skaliert, können
durch entsprechende Vorsehung unterschiedlich großer Katalysatoroberflächen auf
einfache Weise Heizgeräte
bereitgestellt werden, die jeweils für verschiedlich große Heizleistungen
ausgelegt sind.
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Gegenüber den
bisher eingesetzten, mobilen Heizgeräten, die Heizwärme auf
Basis der vollkatalytischen Oxidation erzeugen, hat das erfindungsgemäße, mobile
Heizgerät
den Vorteil, dass es eigenstartfähig
ist und gleichzeitig die Vorteile des Einsatzes von flüssigem Brennstoff
bietet. Dadurch, dass das Beheizen der Brennstoff-Verdampfungszone
(und gegebenenfalls auch der Oxidationszone) über (mindestens) ein elektrisches
Heizelement erfolgt und der dabei erzeugte, gasförmige Brennstoff der Oxidationszone
zuführbar
ist, ist ein aufwändiges Anheizen,
das beabstandet von einem Fahrzeug durchgeführt werden muss, nicht mehr
erforderlich. Vielmehr kann das Anheizen über eine Steuereinheit oder
auf einfache Weise manuell, beispielsweise durch eine Schalterbetätigung,
ausgelöst
werden. Zum Starten der vollkatalytischen Oxidation ist auch in
der Oxidationszone eine gewisse Mindesttemperatur erforderlich.
Je nach eingesetztem Katalysatormaterial und je nach Anordnung und
Aufbau des mobiken Heizgerätes
kann es erforderlich sein, dass auch die Oxidationszone zumindest
während
der Startphase des mobilen Heizgerätes beheizt wird. Hierzu ist
gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, dass durch das elektrische
Heizelement sowohl die Brennstoff-Verdampfungszone als auch die Oxidationszone
beheizbar sind.
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Dadurch,
dass das mobile Heizgerät
flüssigen
Brennstoff einsetzt, ist die Handhabung einfach und vergleichsweise
ungefährlich.
Insbesondere kann es unproblematisch unter verschiedenen Einsatzbedingungen
eingesetzt werden.
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Unter
einem „mobilen
Heizgerät” wird in
diesem Zusammenhang ein Heizgerät
verstanden, das für
mobile Anwendungen ausgelegt ist. Dies bedeutet, dass es transportabel
ist (ggf. in einem Fahrzeug eingebaut oder untergebracht, oder alternativ
auch von Hand tragbar) und nicht ausschließlich für einen stationären Einsatz,
wie es beispielsweise bei der Beheizung eines Gebäudes der
Fall ist, ausgelegt ist. Insbesondere ist es zur Beheizung eines
Fahrzeug-Innenraums,
wie beispielsweise eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugs, ausgelegt.
Gemäß einer vorteilhaften
Weiterbildung ist das mobile Heizgerät als Stand- oder Zuheizer
für ein
Landfahrzeug, wie beispielsweise für einen Wohnwagen, ein Wohnmobil,
einen Bus, einen Pkw, etc., ausgelegt.
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Als „elektrisches
Heizelement” wird
jegliches Heizelement verstanden, bei dem die Leistungsversorgung
und/oder die Aktivierung desselben elektrisch erfolgt. Vorzugsweise
erfolgt die Erzeugung der Wärme
in dem elektrischen Heizelement durch Erzeugung von ohmscher Wärme. Unter „flüssigem Brennstoff” wird Brennstoff
verstanden, der zumindest bei den in Frage kommenden Einsatztemperaturen
des mobilen Heizgerätes
in flüssiger
Form vorliegt. Geeignete Brennstoffe sind beispielsweise Ethanol
(oder Spiritus) mit einem Siedepunkt von 78,3°C sowie Methanol mit einem Siedepunkt
von 64,6°C.
Vorzugsweise weist der eingesetzte Brennstoff einen Siedepunkt von
mehr als 60°C,
insbesondere im Bereich von im Wesentlichen 60°C bis 90°C auf. Welcher Brennstoff eingesetzt
wird, hängt
auch von den jeweiligen Einsatzbedingungen, insbesondere Einsatztemperaturen,
ab, für
die das betreffende mobile Heizgerät ausgelegt ist.
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Das
Prinzip der vollkatalytischen Oxidation, bei dem Brennstoff an einem
Katalysator mit Brennluft (insbesondere mit darin enthaltenem Sauerstoff) flammlos
umgesetzt (oxidiert) wird, ist allgemein bekannt und wird in anderen
technischen Bereichen bereits eingesetzt. Deshalb wird auf dieses
Prinzip nicht näher
eingegangen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird dieses Prinzip zur Erzeugung von Heizwärme in einem
mobilen Heizgerät
eingesetzt.
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Als
Katalysator können
jegliche Materialien eingesetzt werden, die zur Durchführung solch
einer vollkatalytischen Oxidation geeignet sind. Der strukturelle
Aufbau des Katalysators wird dabei derart gewählt, dass eine möglichst
effektive Umsetzung des Brennstoffs mit der Brennluft erfolgt. Dabei
können insbesondere
Strukturen eingesetzt werden, die eine große Oberfläche bereitstellen und die sich
allgemein im Einsatz von Katalysatoren als vorteilhaft herausgestellt
haben, wie beispielsweise poröse
Strukturen. Vielfach eingesetzte Strukturen sind beispielsweise wabenförmig, quaderförmig, schaumartig,
etc. ausgebildet.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung sind die Brennstoff-Verdampfungszone
und die Oxidationszone derart angeordnet, dass in der Oxidationszone
erzeugte Wärme
zumindest teilweise in die Brennstoff-Verdampfungszone leitbar ist.
Dadurch ist eine elektrische Beheizung der Brennstoff-Verdampfungszone
durch das elektrische Heizelement lediglich während der Startphase des mobilen
Heizgerätes
erforderlich. Nach der Startphase kann die aus der Oxidationszone
abgeführte
Wärme zum
Beheizen der Brennstoff-Verdampfungszone eingesetzt werden, so dass
der elektrische Leistungsbedarf reduziert wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiberbildung ist dabei vorgesehen, dass die Brennstoff-Verdampfungszone
(bzw. die Struktur der Brennstoff-Verdampfungszone) direkt an die
Oxidationszone (bzw. die Struktur der Oxidationszone) angrenzt.
Vorzugsweise umgibt die Brennstoff-Verdampfungszone die Oxidationszone
zumindest teilweise. Gemäß dieser Weiterbildung
wird ein großflächiger Kontakt
zwischen der Brennstoff-Verdampfungszone und der Oxidationszone
hergestellt, so dass ein Teil der in der Oxidationszone erzeugten
Wärme in
die Brennstoff-Verdampfungszone abstrahlt. Alternativ kann auch
eine beabstandete Anordnung gewählt
werden, wobei gegebenenfalls ein geeignetes Wärmeleitelement zwischen der
Oxidationszone und der Brennstoff-Verdampfungszone vorgesehen werden
kann.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das mobile Heizgerät ein Ventil
auf, durch das die Zufuhr von flüssigem
Brennstoff in die Brennstoff-Verdampfungszone ein- und abstellbar
ist. Dadurch kann zum Starten des mobilen Heizgerätes das
Ventil geöffnet
(und das elektrische Heizelement gestartet) werden. Dieser Vorgang
kann auf einfache Weise manuell durch Betätigen eines entsprechenden
Schalters (oder Hebels, etc.) und/oder automatisiert durch eine
entsprechende Steuereinheit erfolgen. Ein Ausschalten des mobilen
Heizelements kann einfach durch Schließen des Ventils erfolgen, so
dass ein aufwändiges
Löschen
des mobilen Heizgerätes
entfällt.
Das Ventil ermöglicht
folglich ein einfaches, mehrmals wiederholbares Ein- und Ausschalten
des mobilen Heizgerätes.
Vorzugsweise ist das Ventil als Dosierventil ausgebildet, durch
das die Zufuhr von flüssigem
Brennstoff in die Brennstoff-Verdampfungszone regelbar ist. Durch
diese Regelung der Brennstoff-Zufuhr kann die Heizleistung des mobilen
Heizgerätes
auf einfache Weise geregelt bzw. eingestellt werden. Die Regelung
der Brennstoff-Zufuhr kann beispielsweise über eine entsprechende Steuereinheit
erfolgen. Ferner kann vorgesehen sein, dass durch einen Benutzer
eine gewünschte
Heizleistung (oder Temperatur) an einer entsprechenden Einstelleinheit
(z. B. Drehknopf) einstellbar ist und das mobile Heizgerät anschließend durch
die Steuereinheit auf diese Heizleistung (bzw. Temperatur) geregelt
wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das mobile Heizgerät ein weiteres
elektrisches Heizelement, durch das die Oxidationszone beheizbar
ist, auf. Dadurch wird eine separate und gegebenenfalls auch separat
regelbare bzw. ansteuerbare Beheizung der Oxidationszone ermöglicht.
Die separate Ansteuerung (beispielsweise durch eine Steuereinheit)
erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die Oxidationszone lediglich
während
einer Startphase des mobilen Heizgerätes beheizt wird. Die Ansteuerung
des weiteren elektrischen Heizelementes kann beispielsweise in Abhängigkeit
von einer Temperatur, die von einem in der Oxidationszone angeordneten Temperatursensor
gemessen wird, erfolgen. Weiterhin besteht die Möglichkeit, das elektrische
Heizelement und das weitere elektrische Heizelement jeweils gemeinsam
anzusteuern, insbesondere in Abhängigkeit
von einer Temperatur, die von einem gemeinsamen, in der Oxidationszone
oder in der Brennstoff-Verdampfungszone angeordneten Sensor erfasst
wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das mobile Heizgerät eine Steuereinheit,
durch die das elektrische Heizelement, das weitere elektrische Heizelement
und/oder das Ventil ansteuerbar ist/sind, auf. Dadurch kann insbesondere
das Einschalten und Abschalten durch die Steuereinheit automatisiert
(bspw. zu vorgegebenen Zeiten) erfolgen. Gegebenenfalls kann das
Einschalten und Abschalten auch durch manuelles Betätigen eines
entsprechenden Schalters der Steuereinheit ausgelöst werden.
Durch eine Ansteuerung des elektrischen Heizelements durch die Steuereinheit
kann dessen Heizleistung bei Bedarf automatisiert ein- und ausgestellt, und
gegebenenfalls auch geregelt, werden. Insbesondere kann vorgesehen
sein, dass das elektrische Heizelement nach Ablauf einer vorbestimmten
Zeitdauer nach dem Starten des mobilen Heizgerätes ausgeschaltet wird oder
dass das Abschalten in Abhängigkeit
von einer Temperatur in der Brennstoff-Verdampfungszone, die von
einem Temperatursensor erfasst wird, erfolgt. In gleicher Weise
kann auch eine Ansteuerung des weiteren elektrischen Heizelements
erfolgen, wobei dementsprechend das Abschalten in Abhängigkeit
von einer Temperatur in der Oxidationszone, die von einem Temperatursensor
erfasst wird, erfolgen kann. Durch eine automatisierte Ansteuerung
des Ventils durch die Steuereinheit kann die Zufuhr von Brennstoff
automatisiert ein- oder abgestellt, und gegebenenfalls auch geregelt werden.
Vorzugsweise werden sowohl das Ventil als auch das elektrische Heizelement
(und gegebenenfalls auch das weitere elektrische Heizelement) von der
Steuereinheit angesteuert.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das mobile Heizgerät eine Schaltuhr,
die integral in der Steuereinheit ausgebildet oder mit der Steuereinheit
verbunden ist, auf. Dadurch ist ein zeitgesteuertes Ein- und Ausschalten
bzw. gegebenenfalls auch ein zeitgesteuertes Regeln der Heizleistung
des mobilen Heizgerätes
möglich.
Insbesondere kann der Benutzer dadurch gewünschte Ein- und Ausschaltzeiten
des mobilen Heizgerätes
und gegebenenfalls auch gewünschte,
sich in Abhängigkeit von
der Zeit ändernde
Heizleistungen, einstellen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung weist das mobile Heizgerät einen
Brennstoff-Tank, der integral in dem mobilen Heizgerät ausgebildet
ist, auf. Dadurch wird ermöglicht,
dass das mobile Heizgerät
als autarke Einheit bereitgestellt werden kann. Der Aufwand für den Einbau
des mobilen Heizgerätes
in oder an den jeweils zu beheizenden Innenraum wird folglich erheblich
reduziert. Insbesondere bei Landfahrzeugen entfällt die bisher erforderliche,
aufwändige
Kontaktierung des Fahrzeugtanks und Installation einer externen
Brennstoff-Fördereinheit.
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Durch
die Ausbildung des mobilen Heizgerätes als autarke Einheit kann
dieses unmittelbar in den zu beheizenden Innenraum, insbesondere
in den Innenraum eines Wohnmobils, Busses, Wohnwagens, etc., oder
angrenzend an diesen, wie es beispielsweise bei Lkws üblich ist,
platziert werden, ohne dass (insbesondere bei motorbetriebenen Landfahrzeugen)
eine aufwändige
Einbindung des mobilen Heizgerätes
in Fahrzeug-Komponenten im Motorraum des Fahrzeugs erforderlich
ist. Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird die Stromversorgung für das mobile
Heizgerät,
insbesondere bei Landfahrzeugen, ebenfalls über den Innenraum des Fahrzeugs,
wie beispielsweise über
einen in dem Innenraum vorgesehenen Zigarettenanzünder, bereitgestellt.
Alternativ kann auch eine Batterie oder ein Akku zur Bereitstellung
der Stromversorgung vorgesehen sein. Dadurch wird der Installationsaufwand für die elektrischen Anschlüsse reduziert.
Lediglich die Kanäle
und Anschlüsse
für die
Brennluftzufuhr und die Ableitung der Verbrennungsgase müssen in dem
jeweiligen Fahrzeug installiert werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird der Brennstoff-Tank durch einen,
aus dem mobilen Heizgerät
herausnehmbaren Behälter
gebildet. Dadurch kann der Brennstoff-Tank als Austausch-Teil bereitgestellt
werden. Nach dem Entleeren kann der leere Brennstoff-Tank einfach
durch einen mit flüssigem
Brennstoff gefüllten
Brennstoff-Tank ausgetauscht werden. Dadurch entfällt ein
aufwändiges Befüllen, das
bei einem fest installierten Brennstoff-Tank erforderlich ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird der Brennstoff-Tank zumindest teilweise
aus einem verformbaren Material gebildet. Dadurch wird ein Entleeren
des Brennstoff-Tanks auf einfache Weise ermöglicht. Beispielsweise kann
der Brennstoff-Tank aus einem verformbaren Beutel gebildet werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Brennstoff-Tank zumindest
in einer Einbaulage in dem mobilen Heizgerät unter Vorspannung gehalten wird,
so dass Brennstoff aus dem Brennstoff-Tank zu einem Brennstoff-Auslass
des Brennstoff-Tanks gedrängt
wird. Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, dass in dem Heizgerät ein Vorspannelement, wie
beispielsweise eine Feder, vorgesehen ist, die in der Einbaulage
des Brennstoff-Tanks auf denselben einwirkt und eine Vorspannkraft
auf diesen ausübt. Alternativ
oder zusätzlich
kann der Brennstoff-Tank auch eine Eigenspannung bzw. Eigenelastizität aufweisen,
durch die Brennstoff zu einem Brennstoff-Auslass gedrängt wird.
Dadurch, dass der Brennstoff in Richtung Brennstoff-Auslass gedrängt wird,
kann durch Vorsehung eines Ventils zwischen dem Brennstoff-Auslass
und der Brennstoff-Verdampfungszone die Zufuhr von Brennstoff auf
einfache Weise ein- und abgestellt, und gegebenenfalls auch geregelt,
werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird die Oxidationszone durch einen
Bereich gebildet, der zumindest teilweise mit einer porösen Struktur,
die eine große,
durchströmbare
Oberfläche
aufweist, ausgefüllt
ist, wobei die große,
durchströmbare Oberfläche zumindest
teilweise durch den Katalysator gebildet wird. Unter einer porösen Struktur
wird in diesem Zusammenhang eine Struktur verstanden, die von einer
Vielzahl von Hohlräumen
durchsetzt ist. Hierbei können
unter anderem Strukturen eingesetzt werden, die allgemein bei Katalysatoren
verwendet werden. Insbesondere kann ein schaumförmiges, wabenförmiges,
quaderförmiges,
etc. Trägermaterial,
das von den jeweiligen Gasen durchströmbar ist und gleichzeitig eine
große
Oberfläche
bereitstellt, verwendet werden. Die Oberfläche dieses Trägermaterials
kann ganz oder teilweise mit dem Katalysator beschichtet sein. Je
nach Katalysatormaterial ist alternativ möglich, dass die poröse Struktur
selbst durch das Katalysatormaterial gebildet wird.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung wird die Brennstoff-Verdampfungszone
durch einen Bereich gebildet, der zumindest teilweise mit einer porösen Struktur,
die eine große,
durchströmbare Oberfläche aufweist,
ausgefüllt
ist. Dadurch wird eine hohe Effizienz in der Verdampfung des flüssigen Brennstoffs
erzielt. Beispielsweise kann als poröse Struktur ein schaumförmiges Metall
eingesetzt werden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das elektrische
Heizelement in diese poröse
Struktur der Brennstoff-Verdampfungszone und gegebenenfalls auch
in die poröse
Struktur der Oxidationszone hineinragt. Dadurch wird eine effektive
Wärmeübertragung
von dem elektrischen Heizelement auf die Brennstoff-Verdampfungszone
und gegebenenfalls auf die Oxidationszone erzielt. Insbesondere
kann vorgesehen sein, dass die Brennstoff-Verdampfungszone und gegebenenfalls
die Oxidationszone relativ gleichmäßig durch ein oder mehrere
Heizelement(e) durchsetzt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ferner ein Verfahren zum Erzeugen von Heizwärme in einem
mobilen Heizgerät,
das nachfolgende Schritte aufweist, bereitgestellt:
- A) Zuführen
von flüssigem
Brennstoff in eine Brennstoff-Verdampfungszone;
- B) Beheizen der Brennstoff-Verdampfungszone zum Verdampfen des
zugeführten
Brennstoffs, insbesondere Beheizen der Brennstoff-Verdampfungszone
und der Oxidationszone, wobei das Beheizen zumindest in der Startphase
des mobilen Heizgerätes
durch ein elektrisches Heizelement erfolgt;
- C) Zuführen
von gasförmigem
Brennstoff aus der Brennstoff-Verdampfungszone und von Brennluft in
eine Oxidationszone, die einen Katalysator zur vollkatalytischen
Oxidation von gasförmigem Brennstoff
und Brennluft aufweist; und
- D) Erzeugen von Heizwärme
durch vollkatalytische Oxidation des gasförmigen Brennstoffs mit Brennluft
an dem Katalysator.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren werden
die oberhalb, in Bezug auf das erfindungsgemäße, mobile Heizgerät erläuterten
Vorteile erzielt. Ferner sind die in Bezug auf das erfindungsgemäße, mobile
Heizgerät
erläuterten
Weiterbildungen in entsprechender Weise realisierbar. Insbesondere
ist beispielsweise als vorteilhafte Weiterbildung vorgesehen, dass
während
des Betriebs des mobilen Heizgerätes
zumindest ein Teil der in der Oxidationszone er zeugten Wärme in die
Brennstoff-Verdampfungszone geleitet wird.
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Ferner
weist das Verfahren gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung mindestens einen der nachfolgenden Schritte
auf:
- E) Abschalten des elektrischen Heizelements nach
Ablauf einer vorbestimmten Zeitdauer nach dem Starten des mobilen
Heizgerätes;
und/oder
- F) Abschalten des elektrischen Heizelements bei Erreichen einer
vorbestimmten Temperatur in der Brennstoff-Verdampfungszone.
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In
gleicher Weise kann auch das Abschalten des weiteren elektrischen
Heizelements erfolgen, wobei bei der entsprechenden Realisierung
des Schrittes F) das Abschalten vorzugsweise bei Erreichen einer
vorbestimmten Temperatur in der Oxidationszone erfolgt.
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Gemäß einer
weiteren, vorteilhaften Weiterbildung wird die Zufuhr von flüssigem Brennstoff
in die Brennstoff-Verdampfungszone automatisiert ein- und abgestellt,
insbesondere automatisiert geregelt.
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Weitere
Vorteile und Zweckmäßigkeiten
der Erfindung ergeben sich anhand der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Von den Figuren zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines mobilen Heizgerätes; und
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2:
eine Querschnittansicht eines Abschnitts eines mobilen Heizgerätes, in
der ein beispielhafter Aufbau dargestellt ist.
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1 ist
eine schematische Darstellung, die ein mobiles Heizgerät 2 zeigt,
das in den Innenraum 4 eines Landfahrzeugs 6,
wie beispielsweise eines Wohnmobils, eingebaut ist. Das mobile Heizgerät 2 weist
einen Brennstoff-Tank 8 auf, der integral in dem mobilen
Heizgerät 2 vorgesehen
ist. In einer Kammer 10 sind in dem mobilen Heizgerät 2 eine
Brennstoff-Verdampfungszone 12 und
eine Oxidationszone 14 vorgesehen, die in 1 schematisch
jeweils als Boxen dargestellt sind. Wie oberhalb detaillierter beschrieben
ist, weisen die Brennstoff-Verdampfungszone 12 und die
Oxidationszone 14 jeweils eine Struktur auf, die eine große, durchströmbare Oberfläche bereitstellt.
Die Struktur und das Material der Brennstoff-Verdampfungszone 12 sind
dabei derart gewählt,
dass darin eine effektive Verdampfung von flüssigem Brennstoff erfolgt.
Die Oxidationszone 14 weist einen Katalysator auf, an dem
zugeführter,
gasförmiger
Brennstoff in einer vollkatalytischen Oxidation mit zugeführter Brennluft
unter Erzeugung von Heizwärme
umsetzbar ist. Die Struktur und das Katalysatormaterial in der Oxidationszone 14 sind
dabei derart gewählt,
dass darin eine effektive Umsetzung des gasförmigen Brennstoffs mit zugeführter Brennluft
erfolgt. Zwischen Brennstoff-Tank 8 und
der Brennstoff-Verdampfungszone 12 ist ein Dosierventil 16 vorgesehen,
durch das die zugeführte
Brennstoffmenge einstellbar ist. Ein elektrisches Heizelement 18 dient
zum Beheizen der Brennstoff-Verdampfungszone 12. Ein weiteres
elektrisches Heizelement 19 dient zum Beheizen der Oxidationszone 14.
Ferner ist eine Steuereinheit 20 vorgesehen, durch die das
Dosierventil 16, das elektrische Heizelement 18 und
das weitere elektrische Heizelement 19 ansteuerbar sind.
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Die
Steuereinheit 20 ist derart eingerichtet, dass sie zum
Starten des mobilen Heizgerätes 2 das elektrische
Heizelement 18 ansteuert, so dass es die Brennstoff-Verdampfungszone 12 beheizt,
und das weitere elektrische Heizelement 19 ansteuert, so dass
es die Oxidationszone 14 beheizt. Gleichzeitig oder vorzugsweise
zeitverzögert
steuert die Steuereinheit 20 das Dosierventil 16 an,
so dass dieses geöffnet
wird. Das Starten des mobilen Heizgerätes 2 kann beispielsweise
durch eine (nicht dargestellte) Schaltuhr in der Steuereinheit 20 getriggert
werden. Der Brennstoff-Tank 8 wird unter Vorspannung gehalten,
so dass flüssiger
Brennstoff bei geöffnetem
Dosierventil 16 zu der Brennstoff-Verdampfungszone 12 zugeführt wird.
Der flüssige
Brennstoff wird in der Brennstoff-Verdampfungszone 12 verdampft.
Der dadurch erzeugte, gasförmige
Brennstoff strömt
anschließend
in die Oxidationszone 14, was in 1 schematisch
durch den Pfeil 22 dargestellt ist.
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Zur
Zuführung
von Brennluft ist eine Brennluft-Zuleitung 24 vorgesehen,
die von der Kammer 10 aus dem Landfahrzeug nach Außen fahrt.
Je nach Ausführungsform
kann die Zufuhr der Brennluft derart erfolgen, dass eine Vermischung
mit dem gasförmigen
Brennstoff erfolgt, bevor die jeweiligen Gase die Oxidationszone 14 erreichen.
Eine solche Vermischung vor Erreichen der Oxidationszone 14 ist
jedoch nicht zwingend erforderlich. Beispielsweise kann auch vorgesehen
sein, dass die Brennluft erst in der Oxidationszone 14 auf
den gasförmigen
Brennstoff trifft. In der Oxidationszone 14 wird der gasförmige Brennstoff
mit der zugeführten
Brennluft an dem Katalysator der Oxidationszone 14 unter
Erzeugung von Heizwärme
in einer vollkatalytischen Oxidation umgesetzt. Die Verbrennungsgase
werden über
einen Wärmetauscher 28 und
eine Verbrennungsgas-Ableitung 26 aus dem Landfahrzeug 6 nach
Außen
geführt.
Zur Zuführung
von Brennluft und zur Ableitung der Verbrennungsgase ist in der
Brennluft-Zuleitung 24 und/oder in der Verbrennungsgas-Ableitung 26 mindestens
ein Gebläse 30 vorgesehen.
Bei dem Wärmetauscher 28 handelt
es sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
um einen Luft-Luft-Wärmetauscher.
Die in dem Wärmetauscher 28 erwärmte Luft
wird über
ein (nicht dargestelltes) Gebläse
dem Innenraum 4 des Landfahrzeugs 6 zugeführt.
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Die
Anordnung der Brennstoff-Verdampfungszone 12 und der Oxidationszone 14 ist
dabei derart gewählt,
dass in der Oxidationszone 14 erzeugte Wärme teilweise
in die Brennstoff-Verdampfungszone 12 geleitet
wird. Nach einer Startphase des mobilen Heizgerätes 2 ist dementsprechend
ein Beheizen der Brennstoff-Verdampfungszone 12 durch das
elektrische Heizelement 18 nicht mehr (oder gegebenenfalls
nur noch mit reduzierter Heizleistung) erforderlich. Auch ein Beheizen
der Oxidationszone 14 durch das weitere elektrische Heizelement 19 ist
nach einer Startphase nicht mehr erforderlich. Zur Reduzierung des
Verbrauchs an elektrischer Leistung ist die Steuereinheit 20 derart
eingerichtet, dass sie das elektrische Heizelement 18 und das
weitere elektrische Heizelement 19 nach der Startphase
abschaltet. Das Abschalten der beiden elektrischen Heizelemente 18 und 19 kann
gleichzeitig oder auch zeitlich versetzt erfolgen. Ferner kann die
Steuereinheit 20 zusätzlich
derart eingerichtet sein, dass sie den Öffnungsgrad des Dosierventils 16 regelt,
beispielsweise in Abhängigkeit
von einer gewünschten
Heizleistung oder in Abhängigkeit
von einer Temperatur in einem Innenraum des Landfahrzeugs.
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Wie
in 1 schematisch dargestellt ist, sind der Brennstoff-Tank 8,
das Dosierventil 16 und die Kammer 10 mit der
Brennstoff-Verdampfungszone 12 und der Oxidationszone 14 integral
in dem mobilen Heizgerät 2 vorgesehen,
so dass dieses eine weitgehend autarke Einheit bildet. Ferner können auch,
wie es bei diesem Ausführungsbeispiel
vorgesehen ist, die Steuereinheit 20 und der Wärmetauscher 28 (und
gegebenenfalls auch weitere Bauteile) integral in dem mobilen Heizgerät 2 vorgesehen
sein. Beispielsweise sind die integral vorgesehenen Bauteile innerhalb
eines Gehäuses
des mobilen Heizgerätes 2 untergebracht.
Lediglich die Brennluft-Zuleitung 24 und die Verbrennungsgas-Ableitung 26 müssen in
das jeweilige Fahrzeug 6 installiert werden. Ferner müssen die
elektrischen Leitungen für
die Stromversorgung des mobilen Heizgerätes 2 angeschlossen
werden. Die elektrische Stromversorgung erfolgt beispielsweise über einen
in dem Innenraum 4 des Landfahrzeugs 6 vorgesehenen,
elektrischen Anschluss (z. B. Zigrarettenanzünder).
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf 2 ein beispielhafter
Aufbau eines mobilen Heizgerätes 2' erläutert. In
einem Gehäuse 32 ist
eine Kammer 10' angeordnet.
Die Kammer 10' weist
eine Brennstoff-Verdampfungszone 12' und eine Oxidationszone 14' auf. In dem
vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird die Brennstoff-Verdampfungszone 12' durch einen durchströmbaren Metallschaum
gebildet. Die Oxidationszone 14' wird durch eine wabenförmige Trägerstruktur,
die mit einem geeigneten Katalysatormaterial beschichtet ist, gebildet.
In der Struktur der Brennstoff-Verdampfungszone 12' ist eine Ausnehmung
vorgesehen, in der die Struktur der Oxidationszone 14' teilweise aufgenommen
ist, so dass eine relativ große
Anlagefläche
dieser beiden Strukturen gebildet wird. Dadurch strahlt in der Oxidationszone 14' erzeugte Wärme teilweise
in die Brennstoff-Verdampfungszone 12' ab.
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Ein
elektrisches Heizelement 18' ragt
teilweise in die Brennstoff-Verdampfungszone 12' hinein. Das
elektrische Heizelement 18' ist
bei dieser Ausführungsform
derart positioniert, dass durch dieses gleichzeitig die Oxidationszone 14' beheizbar ist.
Dadurch kann auf die Vorsehung eines weiteren elektrischen Heizelements
verzichtet werden. Im Unterschied zu der Darstellung in 2 kann
das elektrische Heizelement 18' (je nach erforderlicher Heizleistung
in der Oxidationszone 14')
auch bis in die Oxidationszone 14' ragen oder vollständig in
der Oxidationszone 14' angeordnet
sein und nur indirekt die Brennstoff-Verdampfungszone 12' beheizen. Am stromaufwärtigen Ende
(bzgl. einer Strömungsrichtung
von Brennluft und Brennstoff) führt
eine Brennluft-Zuleitung 24' in
die Kammer 10'.
Durch diese Anordnung erfolgt zumindest eine teilweise Vermischung
der Brennluft mit dem gasförmigen
Brennstoff, bevor diese Gase die Oxidationszone 14' erreichen.
Die Struktur der Brennstoff-Verdampfungszone 12' ist in dem
Bereich der Oxidationszone 14' mit mehreren Kanälen 34,
die sich in Strömungsrichtung erstrecken
und von denen in 1 nur einer gezeigt ist, durchsetzt,
so dass Brennluft durch diese Kanäle 34 zu der Oxidationszone 14' gelangen kann.
In der Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung
wird die Kammer 10' vollständig durch
die Struktur der Brennstoff-Verdampfungszone 12' ausgefüllt. Von
dem stromabwärtigen
Ende der Kammer führt
eine Verbrennungsgas-Ableitung 26' weg.
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Der
Brennstoff-Tank 8' wird
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
durch einen verformbaren Beutel gebildet. Dieser Brennstoff-Tank 8' bildet ein
Austausch-Teil, so dass nach einem Entleeren einfach der entleerte
Brennstoff-Tank 8' durch
einen neuen, gefüllten
Brennstoff-Tank 8' ersetzt werden
kann. In Einbaulage wird der Brennstoff-Tank 8' zwischen zwei
Plat ten 36 und 38 aufgenommen. Eine der Platten 38 wird
durch eine Feder 40 in Richtung der anderen Platte 36 gedrückt, so
dass der Brennstoff-Tank 8' unter
Vorspannung gehalten wird. Dadurch wird flüssiger Brennstoff aus dem Brennstoff-Tank 8' zu einem Brennstoff-Auslass 42 des Brennstoff-Tanks 8' gedrängt. Von
dem Brennstoff-Auslass 42 führt eine Brennstoff-Zuleitung 44 zu der
Brennstoff-Verdampfungszone 12'. In der Brennstoff-Zuleitung 44 ist
ein Dosierventil 16' angeordnet, durch
das die Zufuhr von Brennstoff einstellbar ist.
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In
der Darstellung in 2 sind eine Steuereinheit zur
Ansteuerung des Dosierventils 16' und des elektrischen Heizelements 18' sowie die elektrischen
Anschlüsse
und Leitungen nicht gezeigt. Ferner ist in dem dargestellten Abschnitt
auch kein Wärmetauscher
zum Abführen
der erzeugten Heizwärme dargestellt.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten
Ausführungsformen
beschränkt.
Insbesondere können
verschiedenen Maßnahmen
zur Abführung
der erzeugten Heizwärme vorgesehen
sein. Alternativ oder zusätzlich
zu einem Luft-/Luft-Wärmetauscher
(vgl. Wärmetauscher 28 in 1),
durch den Heizwärme
aus den Verbrennungsgasen abgeführt
wird, kann zusätzlich
auch noch ein Luft-/Kühlmittel-
und/oder Luft-/Wasser-Wärmetauscher
vorgesehen sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Oxidationszone
mit entsprechenden Leitungen oder Kanälen durchsetzt ist, durch die
Luft, Kühlmittel
oder Wasser zur Abführung der
erzeugten Heizwärme
geleitet wird.
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In 2 wird
die Vorspannung in dem Brennstoff-Tank 8' durch eine Feder erzeugt. Wie
im einleitenden Teil erläutert
wird, kann die Vorspannung auch auf andere Weise erzeugt werden.
Ferner kann auch vorgesehen sein, dass der Brennstoff-Tank in einer
Einbaulage des mobilen Heizgerätes
oberhalb der Brennstoff-Verdampfungszone angeordnet ist und Brennstoff
schwerkraftgetrieben zu der Brennstoff-Verdampfungszone zugeführt wird.
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Mit „ein” beziehungsweise „einem” werden
in den Fällen,
in denen dies technisch sinnvoll ist, jeweils neben einem einzigen
auch jeweils mehrere als nur ein Bauteil umfasst. Insbesondere können mehrere
Brennstoff-Tanks, Brennstoff-Verdampfungszonen, Oxidationszonen,
elektrische Heizelemente, entsprechende zugehörige Teile, wie beispielsweise Leitungen,
etc. vorgesehen sein.