BE1020057A3 - Selectieve catalytische reductie tank met verwarmingselement. - Google Patents

Abstract

De uitvinding beschrijft een tank die een oplossing of dispersie bevat voor de toepassing van selectieve catalytische reductie bij verbrandingsmotoren. Deze tank bevat een elektrisch weerstandsverwarmingselement ondergedompeld in de tank. Dit elektrisch weerstandsverwarmingselement bevat ten minste één verwarmingskoord. Dit verwarmingskoord bevat metaalfilamenten. Deze metaalfilamenten - hebben een laag in koper of in een koperlegering en hebben een roestvaststalen omhulsel, - ofwel hebben deze metaalfilamenten een stalen laag, met errond een laag in koper of een koperlegering en hierrond een omhulsel in nikkel, zink of tin; - ofwel hebben deze metaalfilamenten een laag in laagkoolstof of hoogkoolstof staal, met er rond en omhulsel in nikkel, zink of tin en het verwarmingskoord heeft een polymere coatinglaag.

Description

Selectieve catalytische reductie tank met verwarmingselement

Beschrijving

Technisch domein

De uitvinding betreft een tank voor gebruik in selectieve katalytische reductie systemen (SCR: Sélective Catalytic Réduction) en een elektrisch weerstandsverwarmingssysteem er voor. Dergelijke tanks worden bijvoorbeeld in vrachtwagens en auto’s gebruikt en bevatten het reductieproduct of een precursor voor een selectief katalytisch reductieproduct. Het elektrisch verwarmingssysteem volgens de uitvinding bevat één of meerdere verwarmingskoorden die in de vloeistof in de tank ondergedompeld zijn.

Achtergrond

In een aantal landen zijn in de wetgeving maximum waarden opgenomen voor de hoeveelheid stikstofoxides (NOX) die uitlaatgassen mogen bevatten van voertuigen aangedreven door verbrandingsmotoren. Eén methode om de hoeveelheid NOX te reduceren is door gebruik te maken van selectieve catalytische reductie (SCR: Sélective Catalytic Réduction). Bij SCR-systemen worden NOX uit de uitlaatgasstroom gereduceerd tot stikstof en water via een catalytische reactie in de uitlaatgasstroom waarbij een reduceermiddel (reductans) gebruikt wordt. Er wordt vooral ammoniak als reduceermiddel gebruikt. Deze ammoniak wordt bekomen door ontbinding van een precursor oplossing die ammoniak of urea bevat. Deze precursor oplossing wordt in de uitlaatgassen geïnjecteerd. Hiervoor heeft het voertuig één of meerdere tanks die deze precursor oplossing bevatten. Een voorbeeld van een dergelijke precursor oplossing is AdBlue (merknaam van VDA, Verband der Automobilindustrie), commerciële naam voor een waterige oplossing die 32.5% ureum bevat. Andere voorbeelden zijn ureum/ammonium formiaat waterige oplossingen (verkocht onder de naam Denoxium). Dergelijke precursor oplossingen zijn zeer corrosief.

De meeste waterige precursor oplossingen kunnen bevriezen bij temperaturen die normaal in de natuur kunnen voorkomen (b.v. een waterige oplossing van 32.5% ureum bevriest bij -11°C). Daarom is een verwarmingselement nodig om de precursor tank te ontdooien wanneer de precursor vloeistof in de tank bevroren is. Het verwarmingselement kan ook gebruikt worden om de precursor oplossing tot op een geschikte werkingstemperatuur op te warmen.

Er bestaan een aantal algemene vereisten voor verwarmingssystemen die in SCR tanks ondergedompeld moeten worden. Een eerste vereiste is dat het verwarmingssysteem voldoende warmte moet kunnen genereren om op voldoende korte tijd de nodige hoeveelheid precursor oplossing te kunnen ontdooien en opwarmen. De nodige warmte die gegenereerd moet worden, is afhankelijk van het volume van de tank, in het bijzonder van het maximum volume aan precursor oplossing dat de tank kan bevatten. Het verwarmingssysteem moet beperkt zijn in afmetingen, om voldoende ruimte in de tank te laten voor een voldoende volume aan precursor oplossing, zonder dat de tank en de accessoires in en rond de tank te volumineus zouden worden. Het is noodzakelijk dat er eerst verwarmd wordt in de omgeving van de pomp die de precursor oplossing uit de tank oppompt, maar andere delen van de tank moeten ook ontdooid en opgewarmd kunnen worden. Bij voorkeur kan het verwarmingssysteem verschillende delen van de tank opwarmen (b.v. afgelegen secties in de tank of secties die fysisch gescheiden zijn van andere secties in de tank). Er moet niet alleen rond de pomp ontdooid worden; maar ook in andere delen, zodat ontdooide precursor oplossing beschikbaar is aan en voor de pomp. Hier moet worden vermeld dat de tank een complex ontwerp kan hebben, met verschillende accessoires er in (pomp, sensoren...). Verwarmingssystemen die in de precursor oplossing ondergedompeld zijn, zijn zeer efficiënt vanuit het oogpunt van energie (warmte) overdracht naar de (bevroren) precursor oplossing. De ondergedompelde verwarmingssystemen moeten echter ook bestand zijn tegen de omstandigheden in de tank: de corrosieve precursor oplossing (of vluchtige componenten (zoals ammoniak) en temperaturen die bij gebruik tot boven 100°C kunnen oplopen. Een lange levensduur van het verwarmingselement wordt vereist, zonder dat de karakteristieken (warmtegeneratie) van het verwarmingselement over de tijd veranderen. Elekrische (weerstands) verwamingssystemen moeten energie - efficiënt zijn, en in staat zijn hun functie uit te voeren zonder dat (te) grote hoeveelheden energie van de batterij van het voertuig gevraagd wordt, dit is vooral van belang bij het koud starten van het voertuig. Verder geven producenten van SCR systemen de voorkeur aan verwarmingssystemen die gemakkelijk te installeren zijn.

Een aantal verschillende systemen zijn ontwikkeld om de tank met de precursor oplossing te ontdooien en op te warmen. Sommige systemen bevatten afzonderlijke weerstandsverwarmingssystemen of een bypass van een warme vloeistof of hete gas stroom rond of door de tank. In het algemeen zijn de verwarmingssystemen complex en duur. Het gebruik van een elektrische weerstandsdraad in de tank als verwarmingselement is gekend, EP 1582732 vermeldt een dergelijk systeem. Een ander voorbeeld is W02008/023021, waarin een ureum tank en een voedingsleiding beschreven worden waarbij een verwarmingsdraad te minste gedeeltelijk in de voedingsleiding loopt. Dit deel heeft de vorm van een spiraal of lus die zich ten minste gedeeltelijk in de tank of in de toevoerleiding bevindt.

Het is een nadeel in systemen die verwarmingsdraden gebruiken, dat deze verwarmingsdraden een minimum diameter van verschillende millimeters hebben. Deze dikte maakt het moeilijk (of zelfs onmogelijk) om de verwarmingsdraden te buigen en zo in de tank in te brengen dat de volledige tank verwarmd wordt. Bovendien kunnen deze verwarmingsdraden niet ingebracht worden bij accessories in de tank of in veraf gelegen secties van de tank, wegens het gebrek aan buigzaamheid van deze verwarmingsdraden.

Het is een specifiek probleem van bestaande verwarmingssystemen dat positionering er van in (afgelegen) hoeken van de tank moeilijk of zelfs onmogelijk is. Daarenboven zijn bestaande systemen complex en hun assemblage en installatie is tijdrovend, moeilijk en duur.

Als de tank te warm wordt, bestaat er gevaar voor oververhitting. Het is wenselijk dat de verwarmingssystemen veiligheidsmechanismen bevatten om oververhitting te voorkomen.

Een belangrijke problematiek is de levensduur, want de omstandigheden in de tank zijn zeer corrosief.

Beschrijving van de uitvinding

Het is een doelstelling van de uitvinding om een selectieve katalytische reductie (SCR) tank te voorzien met een verbeterd elektrisch weerstandsverwarmingselement ondergedompeld in de SCR oplossing. Het is een specifieke doelstelling om een SCR tank te voorzien met een elektrisch weerstandsverwarmingselement dat geschikt is in afmetingen, vorm en vermogen voor specifieke designs van SCR tanks, of voor SCR tanks en hun accessoires (b.v. een pomp en sensoren in de tank). Het is een verdere doelstelling om een elektrisch weerstandsverwarmingselement te ontwikkelen met efficiënt gebruik van het aangelegde vermogen en dat bestand is tegen de werkingsomstandigheden van een SCR systeem. Het is een verdere doelstelling om een elektrisch weerstandsverwarmingselement te ontwikkelen dat gemakkelijk in de SCR module geïnstalleerd kan worden, ook in afgelegen secties bij complexe vorm van de SCR tank (dit betekent inclusief volume verwarming). Het is een andere specifieke doelstelling om het weerstandsverwarmingselement op eenvoudige wijze van een systeem te voorzien dat beschermt tegen oververhitting van het verwarmingselement. Een andere belangrijke doelstelling is een verwarmingsdraad aan te bieden die voldoende duurzaamheid heeft tegen cyclische belasting, want het is mogelijk dat bevroren blokken precursor oplossing aan de verwarmingsdraad hangen bij starten van het voertuig, of in de precursor oplossing zweven en tegen de verwarmingsdraad botsen, waardoor een dynamische mechanische belasting op de verwarmingsdraad ontstaat.

Het is een specifieke doelstelling om een systeem te ontwikkelen met voldoende duurzaamheid, vooral met betrekking tot weerstand tegen corrosie van het verwarmingselement.

De doelstellingen worden bereikt door een tank te voorzien die een oplossing (bijvoorbeeld in water) of dispersie (bijvoorbeeld in water) bevat voor de toepassing van selectieve catalytische reductie bij verbrandingsmotoren. Deze tank bevat een elektrisch weerstandsverwarmingselement ondergedompeld in de tank. Dit elektrisch weerstandsverwarmingselement bevat ten minste één weerstandsverwarmingskoord (verwarmingskoord). Dit verwarmingskoord bevat metaalfilamenten. Deze metaalfilamenten ® hebben een laag in koper of in een koperlegering en hebben een roestvaststalen omhulsel, • ofwel hebben deze metaalfilamenten een stalen laag, met errond een laag in koper of een koperlegering en hierrond een omhulsel in nikkel, zink of tin; • ofwel hebben deze metaalfilamenten een laag in laagkoolstof of hoogkoolstof staal, met er rond een omhulsel in nikkel, zink of tin en het verwarmingskoord heeft een polymere cöatinglaag.

In de productie van het verwarmingskoord worden bijvoorbeeld de metaalfilamenten in één of meerdere stappen samengetwijnd. Het gebruik van een koord betekent dat een buigzaam weerstandsverwarmingselement bekomen wordt.

Het verwarmingskoord combineert een corrosiebestendige buitenste metaallaag van het filament (hetzij roestvast staal, hetzij nikkel, zink of tin) met een polymere coatinglaag van het koord. Deze combinatie is noodzakelijk gebleken, omdat de polymere coatinglaag alleen niet voldoet om corrosieweerstand te bekomen, wegens niet te vermijden diffusie van corrosieve gassen (b.v. ammoniak) door de polymere coatinglaag. Daardoor is een corrosiebestendige buitenste metaallaag van het filament nodig. Een corrosiebestendige buitenste metaallaag van het filament volstaat ook niet om corrosieweestand te bekomen, wegens het optreden van elektrochemische corrosie.

Bij voorkeur is de polymere coatinglaag een fluor bevattende polymere coatinglaag. Alternatief kunnen ook bijvoorbeeld siliconencoatings gebruikt worden. Bij voorkeur heeft de polymere coatinglaag een dikte tussen 0.15 en 0.6 mm.

De tank kan uit om het even welk geschikt materiaal gemaakt zijn, bij voorkeur materiaal met een hoge chemische bestendigheid tegen de precursor oplossing die bijvoorbeeld ureum bevat. Metalen en plastics, bijvoorbeeld polyolefinen (en vooral hoge dichtheids polyethyleen) en polyamide zijn zeer geschikt. De tank kan via om het even welke methode gemaakt zijn die geschikt is voor het produceren van holle lichamen. Bij gebruik van een tank in een polymere kunststof (plastic) zijn bijvoorbeeld spuitgieten en blaasgieten zeer geschikte productiemethodes.

De tank kan bijvoorbeeld een maximaal volume hebben tussen 1 en 25 liter; bijvoorbeeld tussen 3 en 22 liter; bijvoorbeeld tussen 4 en 15 liter. De uitvinding heeft uitzonderlijk interessante voordelen bij tanks die in het hogere maximale volumebereik liggen (b.v. hoger dan 10 liter). Hoe hoger het volume van de tank, hoe moeilijker het is om het volume vloeistof in de tank te ontdooien en op te warmen. De uitvinding biedt een zeer effectief en efficiënt verwarmingssysteem in het bijzonder voor deze grotere tanks, aangezien de verwarmingskoord op eenvoudige manier een driedimensionaal pad in de tank kan volgen en daarenboven ook gemakkelijk te installeren is.

Bij voorkeur is het totale nodige vermogen dat door het verwarmingskoord geleverd kan worden tussen 90 en 400 W per element, meer bij voorkeur tussen 100 en 220 W per element. De voedingsspanning kan bijvoorbeeld tussen 8 en 15 V liggen.

De tank kan bijvoorbeeld een waterige oplossing bevatten van 32.5% ureum. Een voorbeeld van dergelijke waterige oplossing is gekend onder de commerciële naam AdBlue. Andere voorbeelden zijn waterige ureum/ammoniak formiaat oplossingen (b.v. zoals verkocht onder de merknaam Denoxium). Ureum/ammoniak formiaat oplossingen hebben het voordeel op lagere temperatuur te bevriezen dan 32.5% ureum oplossingen, maar hebben het nadeel dat zij mogelijks mierenzuur kunnen vrijstellen, wat tot zeer corrosieve omstandigheden leidt.

Bij gebruik van het metaalfilament dat de combinatie van een koperen laag (of een laag uit een koperlegering) en een roestvaststalen laag in het metaalfilament is, is er een belangrijk voordeel qua elektrische weerstand die bijzonder voordelig gebleken is voor toepassing in een SCR-tank. Met dergelijke filamenten kunnen verwarmingskoorden gemaakt worden die een geschikte lengte en elektrische weerstand (en dus elektrisch verwarmingsvermogen) hebben voor toepassing in een SCR tank. Dit laat optimaal opwarmen van het volume in de SCR-tank toe. Een metaalfilament met een zelfde diameter en enkel koper (of een koperlegering) zou tot een verwarmingskoord met een te lange lengte leiden voor een zelfde weerstand; deze lengte zou moeilijk in de SCR tank ingebracht kunnen worden; in zones van hoge vermogendensiteit kan dit problemen geven. Enkel koper zou tot lage diameters leiden en onvoldoende vermoeiingsweerstand. Door onvermijdelijke diffusie van ammoniak door de polymere coating (zelfs bij een goed gekozen coating zal een zekere mate van diffusie optreden), zou het koper te snel aangetast worden.

Een metaalfilament uit enkel roestvast staal zou leiden tot een verwarmingskoord met een te korte lengte voor een zelfde elektrische weerstand. Belangrijk is ook dat een te korte lengte een niet-homogene warmteverdeling in het tankvolume zal geven. Bij een weerstandsverwarmingskoord dat metaalfilamenten omvat die een combinatie zijn van een koperen laag (of een laag uit een koperlegering) en een stalen laag wordt de elektrische geleiding hoofdzakelijk bepaald door de koperen laag (of de laag uit een koperlegering).

Bij gebruik van metaalfilamenten met een laag in koper of in een koperlegering en met een roestvaststalen omhulsel, heeft de laag in koper of in een koperlegering bij voorkeur een volumepercentage tussen 20 en 80 van het metaalfilament, bij hogere voorkeur tussen 30 en 50 volumepercent.

Bij gebruik van metaalfilamenten met een stalen laag, met er rond een laag in koper of een koperlegering en hierrond een omhulsel in nikkel, zink of tin; wordt bij voorkeur CCS40 of CCS30 gebruikt met er rond een omhulsel in nikkel, zink of tin. CCS40 (Copper Cladded Steel 40) is een staalfilament met er rond een koperlaag, zodat het filament een elektrische weerstand heeft gelijk aan 40% van de elektrische weerstand van een koper filament met zelfde diameter. CCS30 (Copper Cladded Steel 30) is een staalfilament met er rond een koperlaag, zodat het filament een elektrische weerstand heeft gelijk aan 30% van de elektrische weerstand van een koper filament met zelfde diameter. CCS40 en CCS30 zijn meest geschikt voor de uitvinding (beter dan b.v. CCS20, CCS50 or CCS60) gezien de duurzaamheid en geleidbaarheid en de balans van de dikte van de laag in staal en van dikte van de filamenten, voornamelijk met betrekking van het vermogen ontwikkeld per oppervlakte van het verwarmingskoord.

Een laagkoolstof staal is een staalsoort met voor alle aanwezige elementen een gewichtspercentage kleiner dan 0.5 (uiteraard met uitzondering van ijzer en mogelijks met uitzondering voor silicium en mangaan); bijvoorbeeld lager dan 0.2 gewichtspercent; en een gewichtspercentage koolstof lager dan 0.3. Voor de uitvinding wordt bij voorkeur een iaagkoolstofstaal gebruikt met een gewichtspercentage koolstof bij voorkeur lager dan 0.2 gewichtspercent, met meer voorkeur lager dan 0.06 gewichtspercent.

Een hoogkoolstofstaal is een staalsoort met een gewichtspercentage koolstof tussen 0.3 en 1.7. Voor de uitvinding wordt bij voorkeur hoogkoolstofstaal met een gewichtspercentage koolstof tussen 0.4 en 0.95% gebruikt, met meer voorkeur met een gewichtspercentage koolstof tussen 0.55 en 0.85%. Het hoogkoolstof staal kan legeringselementen bevatten.

Waar volgens de uitvinding de metaalfilamenten een omhulsel hebben in nikkel, zink of tin, bedraagt dit omhulsel bij voorkeur tussen 0.5 en 10 gewichtsprocent van het metaalfilament, met meer voorkeur tussen 2 en 6 gewichtsprocent, met meeste voorkeur tussen 3 en 5 gewichtsprocent.

Bij gebruik van een zink omhulsel heeft het metaalfilament met meer voorkeur tussen 0.5 en 5 gewichtsprocent zink als omhulsel, met meeste voorkeur tussen 0.5 en 2.5 gewichtsprocent zink als omhulsel. Bij gebruik van een nikkel omhulsel heeft het metaalfilament met meer voorkeur tussen 2 en 6 gewichtsprocent nikkel als omhulsel, met meeste voorkeur tussen 3 en 5 gewichtsprocent nikkel als omhulsel.

Volgens deze uitvinding bevat de tank een elektrisch weerstandsverwarmingskoord dat bestand is tegen de corrosieve omstandigheden in de SCR-tank. Deze corrosieve omstandigheiden zijn complex. Enerzijds is er het corrosieve medium (vrijstelling van ammoniak). Anderzijds zijn de omstandigheden aanwezig die tot elektrochemische corrosie aanleiding kunnen geven.

Het verwarmingskoord heeft een polymere coatinglaag. Een functie van deze polymere coatinglaag is om elektrochemische corrosieweerstand te verlenen aan het verwarmingskoord. De coatinglaag op het verwarmingskoord voorkomt tevens kortsluitingen wanneer twee punten van het verwarmingskoord, of twee verwarmingskoorden met elkaar in contact zouden komen in de SCR-tank. In een specifieke uitvoering van de uitvinding heeft het verwarmingskoord een polymere coatinglaag die fluor bevat. Fluor bevattende coatings rond het verwarmingskoord hebben de nodige chemische (corrosie) weerstand en temperatuursbestendigheid voor gebruik in SCR-tanks, waar temperaturen kunnen oplopen tot bijvoorbeeld 150°C. Voorbeelden van fluor bevattende coatings die gebruikt kunnen worden in de uitvinding zijn PFA (perfluoroalcoxy), ETFE (ethyleen tetrafluorethyleen copolymeer), MFA en PPS (polyfenyleensulfide). Bij gebruik van PFA, wordt bij voorkeur een graad PFA gebruikt die bestand is tot 250° gebruikstemperatuur.

De dikte van de polymere coatinglaag is bij voorkeur tussen 0.15 - 0.6 mm. Een belangrijke rol van de coating op het verwarmingskoord (naast het leveren van elektrochemische corrosieweerstand, hoge temperatuurbestendigheid en verbeteren van de duurzaamheid) is het sturen van de dikte van het verwarmingskoord om aan het oppervlak van dit koord slechts een bepaalde vermogensontwikkeling te hebben. Dit is bij voorkeur 0.3 - 0.9 W/cm2, bij hogere voorkeur 0.35 - 0.6 W/cm2. Deze begrenzing van warmteontwikkeling is nodig om te vermijden dat de precursoroplossing lokaal te warm wordt en te veel gas zou ontwikkelen (b.v. te veel vrijstelling van ammoniak). Hierdoor zou de druk in tank toenemen en de levensduur van het element dalen door meer diffusie doorheen de coating. Hoe dikker de coating, hoe lager de warmteontwikkeling per eenheid van manteloppervlakte aan hèt oppervlak van het koord zal zijn.

Ook is het mogelijk op de individuele metaalfilamenten een coating aan te brengen. Deze coating kan een polyurethaan coating zijn. Hierdoor worden, na eventuele filamentbreuk, plaatsen vermeden met een lokaal hoge weerstand en dus lokale oververhitting.

Bij voorkeur is de totale lengte van het verwarmingskoord in de tank tussen 0.8 en 20 meter; meer bij voorkeur tussen 3 en 12 meter; en zelfs met nog meer voorkeur tussen 5 en 7.5 m. Bijvoorbeeld worden twee circuits van elk 7.2 m in de tank aangebracht. Een eerste circuit direct onder de pomp (die zich bijvoorbeeld centraal in de tank bevindt) en een tweede circuit in de rest van de tank.

Verwarmingskoorden gebruikt in de SCR tank volgens de uitvinding zijn ook voldoende geschikt tegen vermoeiing. Er wordt een niet onbelangrijke mechanische belasting (die tot vermoeiingsbreuken van de verwarmingskoord zouden kunnen leiden) op het verwarmingskoord uitgeoefend wanneer het voertuig beweegt op het moment dat er nog ijsblokken aan de verwarmingskoord hangen of in de tank rondzweven. De materiaalkeuze en de diameterkeuze van de metaalfilamenten en de aanwezigheid van de polymere coatinglaag rond het verwarmingskoord dragen bij tot de vermoeiingsweerstand van het verwarmingskoord. Het samennemen van voldoende fijne filamenten draagt bij tot een verhoging van de vermoeiingsweerstand. Te grote filamentdiameter zal de vermoeiingsweerstand drastisch verlagen.

De diameter van de metaalfilamenten is bij voorkeur 50 - 250 micrometer, met meer voorkeur 55-150 micrometer. Filamenten van dergelijke fijne diameter hebben het voordeel beter bestand te zijn tegen cyclische belastingen in buiging.

Bij voorkeur bedraagt de equivalente diameter van het verwarmingskoord voor opbrengen van een polymere coating 0.2 - 1.2 mm, bijvoorbeeld 0.65 mm. Met equivalente diameter wordt de schijnbare diameter bedoeld van een perfect ronde koord met zelfde oppervlakte van de doorsnede als het betreffende koord (dat niet noodzakelijk perfect rond is). De diameter van het verwarmingskoord met polymere coating bedraagt 0.5 - 2 mm, bijvoorbeeld 1.45 mm.

Bij voorkeur heeft het verwarmingskoord een elektrische weerstand tussen 0.05 en 2.5 Ohm/meter (bij 20°C); zelfs met meer voorkeur tussen 0.1 en 2 Ohm/meter (bij 20°C); met nog meer voorkeur tussen 0.1 en 0.5 Ohm/meter (bij 20°C)..

De metaalfilamenten die volgens de uitvinding gebruikt worden, zorgen er voor dat het verwarmingskoord een PTC-effect (Positieve Temperatuurs Coëfficiënt) heeft. Dit is een belangrijk voordeel in SCR-systemen omdat een positieve temperatuurseffect betekent dat de elektrische weerstand van het verwarmingskoord toeneemt bij stijgende temperatuur in de tank. Dit heeft tot gevolg dat als de temperatuur in de tank hoger is, er minder warmte ontwikkeld wordt. Dit is een gewenst effect. Enerzijds is meest warmteontwikkeling nodig bij lage temperatuur in de tank (vooral bij bevroren toestand van de inhoud van de tank). Bij hoge temperatuur kan een gevaar bestaan van oververhitting in de tank, vandaar dat een verwarmingskoord met een positieve temperatuurscoëfficiënt interessant is als beveiligingselement in de tank tegen oververhitting.

Het PTC-effect kan uitgedrukt worden via de formule R(T)=R0*(1+alpha*(T-T0)), waarbij R(T) de elektrische weerstand is van het verwarmingskoord in Ohm/m in functie van de temperatuur T (in °C). R0 (in Ohm/m) is de elektrisch weerstand (in Ohm/m) van het verwarmingskoord bij een referentietemperatuur T0 (in °C). T0 wordt meestal bij 0°C genomen. Een belangrijke positieve waarde van de coëfficiënt alpha (/°C) wijst op een belangrijk PTC effect. Dit is het geval bij verwarmingskoorden voor de tank zoals in de uitvinding waarbij de waarden van alpha rond 0.004 /°C liggen. Metaalfilamenten uit roestvast staal hebben dit PTC-effect veel minder tot helemaal niet in vergelijking met de uitvinding, aangezien de coëfficiënt alpha bij verwarmingskoorden uit roestvast staal in de orde van grootte 10 keer kleiner is dan deze van verwarmingskoorden gebruikt in de uitvinding.

Bij voorkeur heeft het weerstandsverwarmingskoord een buigingsradius die kleiner is dan 1.5 maal de diameter van het weerstandsverwarmingskoord.

De buigingsradius wordt bepaald door met de hand het weerstandsverwarmingskoord zo kort als mogelijk om te buigen. De buigingsradius kan dan gemeten worden op verschillende manieren. Eén manier is het gebruik van dikteplaatjes, namelijk uitzoeken welk het dikste plaatje is dat in het omgebogen koord gestopt kan worden.

Het is een voordeel wanneer het verwarmingskoord buigzaam is. Dit laat toe dat het verwarmingskoord gemakkelijk in de SCR tank geïnstalleerd kan worden, zelfs in nauwe ruimtes of in afgelegen, moeilijk bereikbare zones in de tank. Gebruik van een buigzaam verwarmingskoord laat toe dat deze een complex pad of hoge dichtheid (zoals onder de pompmodule waar veel vermogen nodig is) in de SCR tank kan volgen, om verschillende delen van de tank efficiënt te kunnen opwarmen.

In een specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding zijn meerdere (al dan niet gelijke) verwarmingskoorden - met verschillende (of gelijke) elektrische weerstanden (in Ohm/meter) - met elkaar verbonden, waarbij elk verwarmingskoord op geschikte wijze een specifieke zone of specifieke zones verwarmt. Verwarmingskoorden met verschillende weerstandswaarden (in Ohm/meter) kunnen voor verschillende secties gebruikt worden, afhankelijk van de plaatselijke noodzaak aan warmteontwikkeling in de tank.

Bij voorkeur wordt het weerstandsverwarmingskoord op ten minste één positie langs zijn lengte inwendig aan een wand of onderdeel van de tank bevestigd. Bijvoorbeeld kan de bevestiging aan ankerpunten aan de binnenwand van de tank gebeuren, of via daarvoor voorziene schotten in de tank. De bevestiging kan via inklemmen gebeuren, of via het doorhalen van het weerstandsverwarmingskoord door een gleuf of opening. Een dergelijke bevestiging van het weerstandsverwarmingskoord inwendig aan een wand van de tank of aan een onderdeel van de tank vermijdt ongewenste verschuivingen of verplaatsingen van het verwarmingskoord in de tank. Het verwarmingskoord blijft zijn positie behouden, waardoor de warmte gegenereerd wordt daar waar dit via het design van het systeem bepaald is.

In de tank kunnen één of meerdere verwarmingskoorden volgens de uitvinding aanwezig zijn, in seriële of parallelle schikking of in een combinatie van seriële of parallelle schikkingen. Als meer dan één verwarmingskoord aanwezig is, kunnen deze gelijk of verschillend zijn. Deze configuraties laten toe bij het ontwerp van het systeem de ontwikkeling van warmte in de verschillende delen van de tank vast te leggen.

Volgens het tweede aspect van de uitvinding, wordt het gebruik beschreven van ten minste één verwarmingskoord in een elektrisch weerstandsverwarmingselement voor het opwarmen of ontdooien van een oplossing (b.v. in water) of dispersie (b.v. in water) voor de toepassing van selectieve catalytische reductie bij verbrandingsmotoren. Dit verwarmingskoord is ondergedompeld in de oplossing of dispersie die het moet opwarmen of ontdooien. Dit verwarmingskoord bevat metaalfilamenten; • deze metaalfilamenten hebben een laag in koper of in een koperlegering en hebben een roestvaststalen omhulsel, • ofwel hebben deze metaalfilamenten een stalen laag, met errond een laag in koper of een koperlegering en hierrond een omhulsel in nikkel, zink of tin; • ofwel hebben deze metaalfilamenten een laag in laagkoolstof of hoogkoolstof staal, met er rond een omhulsel in nikkel, zink of tin; en het verwarmingskoord heeft een polymere coatinglaag.

Voorbeelden van uitvoeringsvormen

Een eerste voorbeeld is een verwarmingskoord gemaakt uit metalen filamenten die een koperen kern hebben en een mantel uit roestvast staal. Het volumeaandeel koper in deze metalen filamenten is 34%. De metalen filamenten worden getrokken tot een diameter van 0.058 mm; deze filamenten hebben een elektrische weerstand van 18.3 Ohm/meter lengte (bij 20°C). Zeven filamenten worden samen getwijnd om een streng te vormen. Dan worden twaalf van dergelijke strengen samengetwijnd om een verwarmingskoord te vormen. Dit resulteert in een verwarmingskoord met een elektrische weerstand van 0.22 Ohm/meter lengte (bij 20°C). Dit koord wordt vervolgens gecoat met een PFA (perfluoroalcoxy)-coating om de effecten van corrosie in de SCR tank zo veel als mogelijk tegen te gaan. Bijvoorbeeld worden twee circuits met elk een lengte van 7 meter verwarmingskoord in parallel in een SCR tank gestopt. Een eerste circuit bevindt zich nabij de pomp (die zich bijvoorbeeld centraal in de tank bevindt) en een tweede circuit bevindt zich in de rest van de tank. De weerstand van beide verwarmingskoorden in de tank bedraagt 1.5 Ohm (bij 20°G), bij een voedingsspanning van 13.5 V. De voedingsspanning kan variëren afhankelijk van constructeur en model van voertuig.

In een tweede voorbeeld wordt een draad gemaakt bestaande uit metalen filamenten die een koperen kern hebben een een mantel uit roestvast staal. Elk filament heeft een volume percentage aan koper van 34% (in de kern) en een mantel uit roestvast staal. De metalen filamenten worden getrokken tot een diameter van 0.212 mm. Als zodanig, hebben de filamenten een elektrische weerstand van 1.4 Ohm/meter (bij 20°C). Zes van deze filamenten worden rond een zevende, centraal gelegen gelijkaardig filament getwijnd. Op deze manier wordt een verwarmingskoord gemaakt met een elektrische weerstand van 0.20 Ohm/meter(bij 20°C). Dit koord wordt vervolgens gecoat met een PFA (perfluoroalcoxy)-coating om de effecten van corrosie in de SCR tank zo veel als mogelijk tegen te gaan. Bijvoorbeeld wordt een lengte van 7 meter verwarmingskoord in een SCR tank ingebracht, wat betekent dat de weerstand van de lengte verwarmingskoord in de tank 1.4 Ohm is (bij 20°C).

In een ander voorbeeld wordt in de tank een weerstandsverwarmingskoord gebruikt bestaande uit metaalfilamenten met een stalen laag, met errond een laag in koper en hierrond een omhulsel in nikkel, zink of tin. Er wordt bijvoorbeeld gebruik gemaakt van CCS30 met nog een laag nikkel er rond (bijvoorbeeld 4 gewichtsprocent nikkel ten opzichte van het totale gewicht van het metaalfilament). Negentien dergelijke filamenten met elk een diameter van 0.135 millimeter worden samen getwijnd tot een koord met equivalente diameter 0.76 millimeter. Vervolgens wordt op dit koord een PFA coating met dikte 0.35 mm gelegd. Het koord in de tank heeft een lengte van 7.2 meter en een weerstand van 0.219 Ohm/meter lengte (bij 20°C).

Claims (11)

1. Een tank die een oplossing of dispersie bevat voor de toepassing van selectieve catalytische reductie bij verbrandingsmotoren, de tank bevat een elektrisch weerstandsverwarmingselement ondergedompeld in de tank, dit elektrisch weerstandsverwarmingselement bevat ten minste één verwarmingskoord; dit verwarmingskoord bevat metaalfilamenten; • deze metaalfilamenten hebben een laag in koper of in een koperlegering en hebben een roestvaststalen omhulsel, • ofwel hebben deze metaalfilamenten een stalen laag, met errond een laag in koper of een koperlegering en hierrond een omhulsel in nikkel, zink of tin; • ofwel hebben deze metaalfilamenten een laag in laagkoolstof of hoogkoolstof staal, met er rond een omhulsel in nikkel, zink of tin en het verwarmingskoord heeft een polymere coatinglaag.

2. Een tank zoals in conclusie 1, waarbij de polymere coatinglaag een fluor bevattende polymere coatinglaag is.

3. Een tank zoals in om het even welke van de voorgaande conclusies, waarbij de polymere coatinglaag een perfluoroalcoxy coatinglaag is.

4. Een tank zoals in in om het even welke van de voorgaande conclusies, waarbij de polymere coatinglaag een dikte heeft tussen 0.15 en 0.6 mm.

5. Een tank als in om het even welke van de voorgaande conclusies, waarbij het weerstandsverwarmingskoord bij 20°C een elektrische weerstand heeft tussen 0.05 en 2.5 Ohm per meter lengte van het weerstandsverwarmingskoord.

6. Een tank als in om het even welke voorgaande conclusie, waarbij het weerstandsverwarmingskoord een buigingsradius heeft kleiner dan 1.5 maal de diameter van het weerstandsverwarmingskoord.

7. Een tank als in om het even welke van de vorige conclusies, waarbij het weerstandsverwarmingskoord op ten minste één positie langs zijn lengte inwendig aan een wand of onderdeel van de tank bevestigd is.

8. Een tank zoals in om het even welke van de vorige conclusies, waarbij de tank meer dan één verwarmingskoord bevat en waarbij de verwarmingskoorden in een serieel elektrisch circuit georganiseerd zijn.

9. Een tank zoals in om het even welke van de vorige conclusies, waarbij de tank meer dan één verwarmingskoord bevat en waarbij de verwarmingskoorden in een parallel elektrisch circuit georganiseerd zijn.

10. Een tank zoals in om het even welke van de vorige conclusies, waarbij de tank meer dan één verwarmingskoord bevat en waarbij de verwarmingskoorden in een combinatie van parallelle en seriële circuits georganiseerd zijn.

11. Gebruik van ten minste één verwarmingskoord in een elektrisch weerstandsverwarmingselement voor het opwarmen of ontdooien van een oplossing of dispersie voor de toepassing van selectieve catalytische reductie bij verbrandingsmotoren, waarbij het ten minste één verwarmingskoord ondergedompeld is_ in de oplossing of dispersie die het moet opwarmen of ontdooien; dit verwarmingskoord bevat metaalfilamenten; • deze metaalfilamenten hebben een laag in koper of in een koperlegering en hebben een roestvaststalen omhulsel, • ofwel hebben deze metaalfilamenten een stalen laag, met errond een laag in koper of een koperlegering en hierrond een omhulsel in nikkel, zink of tin; • ofwel hebben deze metaalfilamenten een laag in laagkoolstof of hoogkoolstof staal, met er rond een omhulsel in nikkel, zink of tin; en het verwarmingskoord heeft een polymere coatinglaag.