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Die
Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsabscheider
zum Abscheiden einer Flüssigkeit
aus einem Gas, insbesondere aus dem Abgas einer Brennstoffzelle,
und ein Verfahren zum Abscheiden der Flüssigkeit mit einem solchen
Flüssigkeitsabscheider.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung allgemein überall dort anwendbar ist,
wo Flüssigkeiten aus
einem Gasstrom abgeschieden werden müssen, so eignet sie sich ganz
besonders zur Abscheidung von Flüssigkeiten
aus Gasen in einem Brennstoffzellensystem, beispielsweise eines
Kraftfahrzeugs, insbesondere aus einem oder mehreren Abgasströmen, wie
zum Beispiel aus der Anode und/oder der Kathode der Brennstoffzelle.
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Brennstoffzellen
benötigen
befeuchtete Gase, um ihre optimale Leistungsfähigkeit erreichen zu können. Dies
führt an
bestimmten Stellen im Brennstoffzellensystem dazu, dass möglicherweise
Wasser unerwünscht
aus dem Gas auskondensieren kann. Diese Kondensate müssen gezielt
aus dem Gas, insbesondere dem Abgas, abgeschieden werden.
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Die
eingesetzten Abscheider müssen über einen
großen
Lastbereich mit variierenden Randbedingungen einen hohen Abscheidungsgrad
erreichen. Für
den gewünschten
hohen Abscheidungsgrad sind grundsätzlich relativ starke Umlenkungen des
Gases erforderlich, sowie große
Strömungsflächen, an
welchen das vom Gasstrom mitgeführte Kondensat,
das an diesen entlangströmt,
sich abscheiden kann. Starke Umlenkungen sowie große Strömungsflächen führen jedoch
zu einem hohen Druckverlust des Gases im Abscheider und einem verhältnismäßig großen notwendigen
Bauraum des Abscheiders. Insbesondere bei variierenden Massenströmen von
Gas durch den Abscheider können in
Betriebszuständen
mit einem hohen Massenstrom die Druckverluste aufgrund der üblicherweise
vorgesehenen kleinen Strömungskanäle beziehungsweise der
starken Umlenkungen sowie großen
Strömungsfläche zu unerwünscht hohen
Druckverlusten führen.
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Bekannte
Abscheider weisen entweder einen feststehenden Drallkörper oder
einen drehbaren Drallkörper
auf, welcher dem Gas eine Drallströmung aufprägt, so dass die Flüssigkeitsteile
durch die auf sie wirkende Fliehkraft getrennt von dem übrigen Gas weiter
transportiert werden. Durch Verändern
des Strömungsweges
hinter dem Drallkörper,
beispielsweise mittels verstellbaren Leitschaufeln oder durch verschiebbare
Rohrleitungen, kann zwar zum Teil der Abscheidungsgrad des Abscheiders
variiert werden, jedoch bleibt der Strömungsweg des Gases durch den
Drallkörper
selbst aufgrund der starren Geometrie des Drallkörpers unverändert, was bei einem besonders
hohen Durchsatz von Gas durch den Drallkörper zu den unerwünschten
Druckverlusten führen kann.
Beispielsweise wird auf die folgenden Dokumente verwiesen:
JP
2002-324561 A
DE
101 29 098 A1 DE 10 2004 022 312 A1 EP 0 426 955 A2 -
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsabscheider und ein
Verfahren zum Abscheiden von Flüssigkeit
insbesondere für
ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welche gegenüber den
bekannten Ausführungen
verbessert sind, und welche insbesondere auch bei variierenden Randbedingungen
des Gases, welches die abzuscheidende Flüssigkeit mit sich führt, wie
beispielsweise die Strömungsgeschwindigkeit
des Gases, der Massenstrom des Gases durch den Abscheider beziehungsweise
den Drallkörper
des Abscheiders und/oder der Druck des Gases, stets zu den gewünschten
Abscheidungsraten bei Vermeidung eines unerwünscht hohen Druckabfalls führen.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch einen Flüssigkeitsabscheider
und ein Verfahren zur Abscheidung von Flüssigkeit mit einem solchen
gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
beschreiben vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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Im
Unterschied zum Stand der Technik weist der Drallkörper des
erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders
keine feststehende Geometrie, sondern eine flexible beziehungsweise
variable Geometrie auf, so dass die Umlenkung des flüssigkeitstragenden
Gases, welche dieses durch den Drallkörper erfährt, während des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders
durch Ändern
der Geometrie des Drallkörpers variiert
werden kann.
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Gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung ist der Drallkörper
wenigstens teilweise oder vollständig
aus einem elastischen Werkstoff ausgebildet, so dass sich der Drallkörper der
jeweiligen Strömungssituation
anpassen kann. Die Elastizität
ist nämlich
derart ausgeführt,
dass sich die Geometrie des Drallkörpers in Abhängigkeit
der Anströmkraft,
welche das durch den Drallkörper
strömende Gas
auf ihn ausübt, ändert. Bei
geringer Anströmkraft,
das heißt
insbesondere bei langsamer Anströmung,
wird sich der Drallkörper
wenig verformen und damit die Strömung in der Regel stark umlenken.
Bei größerer Anströmkraft,
das heißt
insbesondere bei größeren Anströmgeschwindigkeiten,
wird die Verformung des Drallkörpers
größer ausfallen
und damit der mit der Aufprägung
der Drallströmung
auf das Gas durch den Drallkörper
verbundene Druckabfall im Vergleich zu dem Zustand ohne beziehungsweise mit
geringerer Verformung des Drallkörpers
kleiner werden.
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Gemäß einer
zweiten Ausführung
der Erfindung ist die Geometrie des Drallkörpers während des Betriebs gezielt
durch Aufbringen einer entsprechenden Kraft von außerhalb
des Gases dynamisch änderbar.
Beispielsweise kann eine Verstelleinrichtung am Drallkörper angeschlossen
sein, welche die Geometrie des Drallkörpers verändert, indem sie ihn insbesondere
staucht, streckt, verwindet und/oder biegt. Auch diese gezielte
Veränderung
der Geometrie des Drallkörpers
während
des Betriebs des Flüssigkeitsabscheiders ändert die
Umlenkung des Gases, welche dies durch Durchströmung des Drallkörpers erfährt.
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Auch
gemäß der zweiten
Ausführungsform der
Erfindung kann der Drallkörper
bei langsamer Anströmung
durch das Gas aufgrund der eingestellten Geometrie eine stärkere Umlenkung
auf das Gas ausüben,
und bei größeren Anströmgeschwindigkeiten
eine im Vergleich hierzu weniger stark ausgeprägte Umlenkung. Somit kann der
Druckverlust bei großen
Anströmgeschwindigkeiten
beziehungsweise bei einem großen
Durchsatz von Gas durch den Drallkörper im Vergleich zu bekannten
Ausführungsformen
trotz einem unverändert
hohen Abscheidungsgrad bei geringen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise
geringem Durchsatz vermindert werden.
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Eine Änderung
der Geometrie des Drallkörpers
im Sinne der vorliegenden Erfindung kann auch dadurch ausgeführt werden, dass
der Drallkörper
aus einer Vielzahl von Teilkörpern
zusammengesetzt ist, von denen einzelne Teilkörper in Abhängigkeit der Anströmbedingungen
des Gases während
des Betriebs hinzugefügt
oder weggenommen werden können.
Beispielsweise kann der Drallkörper
aus einer Vielzahl von in Strömungsrichtung
des Gases hintereinander angeordneten Abschnitten zusammengesetzt
sein. Zusammengesetzt im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet
dabei nicht nur, dass die einzelnen Teilkörper beziehungsweise Abschnitte
unmittelbar aneinandergefügt
sind, sondern diese können auch
mit Abstand zueinander angeordnet sein.
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Bei
einem geringen Durchsatz beziehungsweise bei kleinen Anströmgeschwindigkeiten
kann somit eine größere Anzahl
von Teilkörpern
oder Abschnitten im Strömungsweg
des Gases positioniert werden als bei hohen Geschwindigkeiten. Mit
abnehmender Anzahl von Teilkörpern
beziehungsweise Abschnitten sinkt der Druckverlust des Gases im
Drallkörper.
Somit kann auch bei einem großen
Durchsatz beziehungsweise bei großen Anströmgeschwindigkeiten der herkömmlich hohe
Druckverlust vermieden werden.
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Gemäß einer
besonderen Ausführung
der Erfindung weist der Drallkörper
einen im wesentlichen zylindrischen Umfang oder einen exakt zylindrischen
Umfang auf. Beispielsweise ist der Drallkörper rotationssymmetrisch aufgebaut.
Insbesondere bei einer derartigen Ausgestaltung kann der Drallkörper drehbar,
zum Beispiel auf einer drehbaren Welle oder auch umlaufend jedoch
auf einer feststehenden Achse, angeordnet sein. Während des
Betriebs der Abscheidungsvorrichtung kann der Drallkörper rotiert werden,
entweder aufgrund von antreibenden Kräften, welche die Anströmung des
Gases auf den Drallkörper
ausübt,
und/oder durch einen gezwungenen Antrieb mittels einer vorgesehenen
Antriebsvorrichtung, wie beispielsweise einem Elektromotor.
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In
Abhängigkeit
von vorherrschenden Strömungsparametern
des Gases kann die Drehzahl des Drallkörpers während des Betriebs verändert werden,
beispielsweise in Abhängigkeit
der Anströmgeschwindigkeit
des Gases beziehungsweise der Durchsatzmenge von Gas durch den Drallkörper. Das Ändern der
Drehgeschwindigkeit des Drallkörpers
kann durch Abbremsen und/oder durch Variieren der Antriebsdrehzahl
des Antriebs erreicht werden.
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Insbesondere
wenn keine Antriebsvorrichtung für
den Drallkörper
vorgesehen ist, und der Drallkörper
allein aufgrund der Strömungskräfte des Gases
in eine Drehbewegung versetzt wird, kann eine Bremsvorrichtung zum
vollständigen
und/oder teilweisen Abbremsen des Drallkörpers vorgesehen sein, die
beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung in Abhängigkeit
von Strömungsparametern
des Gases stärker
oder weniger stark betätigt
wird, so dass der Drallkörper
mehr oder minder abgebremst wird. Auch hierdurch kann wiederum,
genauso wie durch das Einstellen einer variierenden Antriebsdrehzahl
eines vorgesehenen Antriebs für
den Drallkörper,
die Umlenkung, welche der Drallkörper
auf das Gas und auf die in ihm enthaltene Flüssigkeit ausübt, während des
Betriebs der Abscheidungsvorrichtung dynamisch geändert werden,
vorteilhaft derart, dass bei kleinen Anströmgeschwindigkeiten beziehungsweise
bei einem kleinen Durchsatz die Umlenkung stärker ausfällt als bei großen Anströmgeschwindigkeiten
beziehungsweise bei einem großen
Durchsatz.
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Die
Veränderung
der Geometrie des Drallkörpers
während
des Betriebs des erfindungsgemäßen Flüssigkeitsabscheiders
ermöglicht
einerseits einen hohen Abscheidungsgrad bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten
des Gases und andererseits einen verhältnismäßig geringen Druckabfall bei immer
noch gutem Abscheidungsgrad bei hohen Anströmgeschwindigkeiten. Der erfindungsgemäße Flüssigkeitsabscheider
weist somit über
dem gesamten Lastbereich einen hohen Abscheidungswirkungsgrad und
geringe Druckverluste auf.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen nochmals kurz
erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäß ausgeführten Drallkörpers mit
elastisch nachgiebigen Prallplatten;
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2 eine
zweite Ausführungsform
der Erfindung mit einem gezielt durch eine Verstelleinrichtung verformbaren
stationären
Drallkörper;
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3 eine
dritte Ausführungsform
der Erfindung mit einem Drallkörper,
welcher wiederum elastisch nachgiebige Prallplatten aufweist.
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In
der 1 ist schematisch ein Flüssigkeitsabscheider in Form
eines Zyklonabscheiders dargestellt. Der Drallkörper 1 wird mittels
eines Antriebs (nicht gezeigt) über
seiner, insbesondere senkrecht angeordneten, Achse 3 gedreht.
Das von unten eintretende Gas mit der abzuscheidenden Flüssigkeit prallt
auf die Prallplatten 1.1, an welchen die im Gas enthaltenen
Flüssigkeitsteile
aufgrund der auf sie wirkenden Fliehkraft radial nach außen transportiert werden.
Das Gas hingegen strömt
radial nach innen oben aus dem Drallkörper 1 heraus.
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Bei
einer größeren Anströmgeschwindigkeit des
Gases werden die Prallplatten 1.1, welche vollständig oder
zumindest an ihrem radial inneren Ende aus einem elastischen Werkstoff
ausgebildet sind oder elastisch aufgehängt sind, von dem Gas in Strömungsrichtung
verformt oder elastisch verschoben, siehe die entsprechenden Pfeile
in der 1, so dass sie eine weniger starke Umlenkung des
Gases und einen im Vergleich zu einer Ausführung ohne verformbare Prallplatten
weniger starken Druckabfall des Gases erzeugen. Unter elastischer
Verformung im Sinne der vorliegenden Erfindung soll somit nicht nur
die unmittelbare elastische Verformung der Flächen des Drallkörpers, an
welchen das Gas entlang strömt,
verstanden werden, sondern auch ein elastisches Nachgeben beziehungsweise
Verschieben dieser Flächen,
indem diese elastisch aufgehängt sind.
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Selbstverständlich sind
andere Ausführungsformen
mit einem elastisch verformbaren Drallkörper möglich, beispielsweise mit gekrümmten Gasleitkanälen, wobei
die Krümmung
mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit
des Gases beziehungsweise mit zunehmendem Durchsatz durch den Flüssigkeitsabscheider
durch eine elastische Verformung des Drallkörpers vermindert wird.
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In
der 2 ist ein Drallkörper dargestellt, welcher nicht
um eine Achse gedreht wird. Auch dieser Drallkörper 1 bewirkt eine
Umlenkung des einströmenden,
flüssigkeitsführenden
Gases. Beispielsweise strömt
in der gezeigten Darstellung mit Bezug auf die Papierebene das Gas
senkrecht von oben in die Papierebene hinein und wird in den Drallkörper 1 in
Richtung parallel zu der Papierebene umgelenkt (nicht dargestellt).
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An
dem Drallkörper 1 ist
eine Verstelleinrichtung 2 angeschlossen, welche eine zusammenstauchende
Wirkung auf den Drallkörper 1 ausüben kann. Links
in der 2 ist der Drallkörper 1 in seinem nicht
gestauchten Zustand gezeigt, wohingegen er rechts in der 2 in
seinem durch die Verstelleinrichtung 2 bewirkten, gestauchten
Zustand gezeigt ist. Wie man sieht, weisen die Strömungskanäle für das Gas
in dem nicht gestauchten Drallkörper 1 einen
im wesentlichen ovalen Querschnitt auf, wohingegen sie im gestauchten
Zustand des Drallkörpers 1 einen
kreisförmigen
oder im wesentlichen kreisförmigen
Querschnitt aufweisen. Der kreisförmige Querschnitt ermöglicht einen
geringeren Druckverlust des durch den Drallkörper 1 strömenden Gases. Zugleich
oder alternativ kann die Stauchung eine weniger starke Krümmung der
einzelnen Strömungskanäle für das Gas
im Drallkörper 1 im
Verhältnis
zum weniger gestauchten oder nicht gestauchten Zustand bewirken.
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Die 3 zeigt
eine mögliche
weitere Ausführungsform
eines Drallkörpers 1,
welcher eine Vielzahl von in einer gemeinsamen Ebene angeordneten Prallplatten 1.1 aufweist.
Vorliegend sind drei Prallplatten in einer gemeinsamen Ebene angeordnet,
es könnte
jedoch auch eine andere Anzahl vorgesehen sein. Bei einer niedrigen
Strömungsgeschwindigkeit des
Gases, welches die abzuscheidende Flüssigkeit führt, liegen die Prallplatten 1.1 vollständig innerhalb der
gemeinsamen Ebene. Dieser Zustand ist ganz links in der 3 gezeigt.
Die niedrige Strömungsgeschwindigkeit
ist durch kurze Pfeile angedeutet. Die Prallplatten 1.1 befinden
sich in ihrer Ausgangsposition vollständig innerhalb der Ebene, die
senkrecht zur Anströmrichtung
des Gases verläuft,
weil die Strömungskraft
des Gases nicht ausreicht, die Prallplatten 1.1 zu verformen.
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In
der mittleren Darstellung der 3 ist die Strömungsgeschwindigkeit
beziehungsweise der Massestrom des Gases mit der abzuscheidenden Flüssigkeit
gegenüber
dem ganz links gezeigten Zustand erhöht. Die Strömung des Gases vermag nun die
Prallplatten 1.1 in Richtung der Strömung zu verformen. Hierdurch
wird der freie Strömungsquerschnitt
in dem Drallkörper 1 erhöht. Der
freie Strömungsquerschnitt
ist jener Bereich der Ebene, die senkrecht zur Strömungsrichtung
verläuft
und in welcher die Prallplatten 1.1 in ihrer Ausgangsposition verlaufen,
welcher in Umfangsrichtung des Drallkörpers 1 gesehen jeweils
von zwei benachbart zueinander angeordneten Prallplatten 1.1 beidseitig
und in der gezeigten Ausführungsform
am äußeren Umfang von
einem kreisrunden Steg des Drallkörpers 1 umschlossen
wird. Bei der gezeigten Ausführungsform der
Prallplatten 1.1 setzt sich der Strömungsquerschnitt bei drei vorgesehenen
Prallplatten 1.1 aus drei Kreissektoren zusammen.
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Ganz
rechts in der 3 ist jener Zustand gezeigt,
bei welchem die Gasströmung
eine noch stärkere
verformende Kraft auf die Prallplatten 1.1 im Vergleich
zu der mittleren Darstellung in der 3 ausübt, so dass
die Prallplatten 1.1 einen noch größeren Strömungsquerschnitt freigeben.
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Aufgrund
dessen, dass die Verformung der Prallplatten 1.1 eine elastische
ist, werden die Prallplatten 1.1 bei nachlassenden auf
sie wirkenden Strömungskräften wieder
in Richtung ihrer Ausgangsposition oder vollständig in ihre Ausgangsposition
zurückkehren,
so dass der freie Strömungsquerschnitt
wiederum abnimmt.
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Gemäß einer
Ausführungsform,
die vorliegend nicht weiter dargestellt ist, können auch Teilkörper des
Drallkörpers 1 bei
größeren Anströmungsgeschwindigkeiten
des Gases beziehungsweise bei einem größeren Durchsatz von Gas durch
den Drallkörper 1 aus
dem Strömungsweg
des Gases herausgenommen werden. Beispielsweise könnten bei
der in der 1 gezeigten Ausführung eine
oder mehrere Prallplatten aus dem Strömungsweg herausgeschwenkt,
-verschoben oder -gedreht werden. Bei kleineren Anströmungsgeschwindigkeiten
des Gases beziehungsweise bei einem kleineren Durchsatz hingegen
werden wieder Prallplatten in den Strömungsweg hinzugefügt.