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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen und Entfeuchten von Gasen, ein Verfahren zum Kühlen und Entfeuchten von Gasen sowie ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer Vorrichtung zum Kühlen und Entfeuchten von Brennstoffzellenabluft.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Zur Kühlung und Trocknung von warmen und Wasserdampf enthaltenden Gasen werden im Stand der Technik üblicherweise Wärmeübertrager und nachgeschaltete Phasentrenneinrichtungen verwendet, die von dem Gas durchströmt werden. In dem Wärmeübertrager wird Energie in Form von Wärme von dem Gas an ein Fluid übertragen, welches eine niedrigere Temperatur als das Gas aufweist, wobei der Gasstrom und der kalte Fluidstrom typischerweise durch eine nicht permeable Wand voneinander getrennt sind. Durch Abkühlung des Gases unterhalb des Taupunkts von Wasser kondensiert ein Teil des in dem Gas enthaltenen Wasserdampfs aus, so dass ein Zweiphasengemisch aus flüssigem Wasser und feuchtem Gas vorliegt. In der nachgeschalteten Phasentrenneinrichtung wird die flüssige Phase abgeschieden, wobei der Abscheidegrad insbesondere bei auf Zyklon-Technik basierenden Phasentrenneinrichtungen stark von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms abhängt.
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Weiterhin sind Vorrichtungen bekannt, die durch Abkühlung des Gasstroms unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser eine Akkumulation von Eis fördern und durch Aufschmelzen oder Entfernen des Eises die Feuchtigkeit abführen. So zeigt etwa
WO 2011/036027 A1 ein System zum Trocknen von Abgasen eines Brennstoffzellensystems, das zwei alternierend von Abgas beaufschlagte Wärmetauscher aufweist, die durch ein Kühlmittel Wasserdampf aus dem Abgas vereisen und akkumulieren, wobei das akkumulierte Eis abwechselnd wieder aufgeschmolzen und abgeführt wird.
WO 2011/051210 A1 offenbart weiterhin einen Entfeuchter für Abluft einer Brennstoffzelle, bei dem die Abluft über eine kalte Fläche geleitet wird, so dass darin enthaltender Wasserdampf auskondensiert und gefriert, um anschließend durch eine Vorrichtung von der Fläche abgekratzt und abgeführt zu werden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine separate Ausführung von Kühl- und Entfeuchtungseinrichtungen führt zu einem erhöhten Bauraumbedarf und einem erhöhten Gewicht, was insbesondere für einen geplanten Einsatz derartiger Einrichtungen in einem Flugzeug zu vermeiden ist. Des weiteren resultiert aus der Übertragung von Wärme von einem Gasstrom auf ein kühleres, beispielsweise inkompressibles Fluid, dass die übertragbare Wärmeleistung typischerweise durch den mittleren Wärmeübergangskoeffizient auf der Gasseite begrenzt wird. Zwar kann die übertragbare Wärmeleistung durch Vergrößerung von Flächen auf der Gasseite mittels Finnen oder anderer Einrichtungen erhöht werden, was jedoch zu einem zusätzlichen Druckverlust führt. Eine Benetzung einer wärmeübertragenden Fläche mit Kondensat auf der Gasseite kann bei hohen Wasserbeladungen außerdem zu einer Vergrößerung des Wärmeleitwiderstands und des Druckverlusts führen. Des Weiteren reichert sich bei partieller Kondensation eines Gasgemisches der Anteil der entsprechenden Gaskomponenten am Ort der Kondensation ab, was zu einem zusätzlichen Wärmeleitwiderstand führt.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die eine zuverlässige, effiziente und gleichmäßige Kühlung und Entfeuchtung eines Gases durchführt und gleichzeitig einen geringen Bauraumbedarf sowie ein geringes Gewicht aufweist. Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Kühlen und Entfeuchten mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den abhängigen Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
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Es wird eine Vorrichtung zum Kühlen und Entfeuchten von Luft vorgeschlagen. Die Vorrichtung weist einen ersten Hohlkörper mit einem Gaseinlass, einem Gasauslass und einem Kondensatablauf an einer Unterseite des ersten Hohlkörpers auf. Die Vorrichtung weist ferner einen zweiten Hohlkörper mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass sowie eine Antriebseinheit auf. Der erste Hohlkörper umschließt den zweiten Hohlkörper zumindest teilweise. Einer des ersten und des zweiten Hohlkörpers ist relativ zu dem anderen Hohlkörper drehbar gelagert und weist mindestens einen Wirbelkörper auf, der sich in Richtung des anderen Hohlkörpers erstreckt. Die Antriebseinheit ist zum Rotieren des drehbar gelagerten Hohlkörpers mit diesem koppelbar.
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Eine Kernkomponente der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist demnach eine Wärmeübertrageranordnung bestehend aus zwei Hohlkörpern, die ineinander angeordnet sind. Die Hohlkörper sind dazu eingerichtet, von einem Fluid durchströmt zu werden. Es ist hierbei unerheblich, welche konkrete Form die Hohlkörper jeweils besitzen, solange die Funktion des Durchleitens des Fluids gewährleistet bleibt. Um einen Wärmeübergang von einem durch den zweiten Hohlkörper durchgeleiteten Fluid zu einem durch den ersten Hohlkörper durchgeleiteten Fluid zu gewährleisten, sollte ein ausreichend dimensionierter Zwischenraum zwischen den Hohlkörpern bestehen. Die für einen Wärmeübergang verantwortliche Grenzfläche wird durch die Hülle des zweiten Hohlkörpers definiert. Besonders bevorzugt sind die Hohlkörper als röhrenartige Bauteile realisiert, wobei zumindest der drehbar gelagerte Hohlkörper eine rotationssymmetrische Form aufweisen sollte, die einen unrunden Lauf und damit Vibrationen vermeidet.
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Der Kondensatablauf ist bevorzugt eine Öffnung, die sich an der Unterseite der Wärmetauscheranordnung befindet und das Ablaufen von Kondensat erlaubt. Bedingt durch die Schwerkraft ist das Kondensat bestrebt, insbesondere nach Benetzung einer Innenfläche des ersten Hohlkörpers schwerkraftgetrieben zur Unterseite der Wärmetauscheranordnung zu fließen. Durch eine Verbindung des Kondensatablaufs mit einer Leitung oder einem Reservoir kann eine Verwendung des Kondensats außerhalb der Vorrichtung stattfinden.
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Der zweite Hohlkörper besitzt einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass, durch die ein Kühlmittel den zweiten Hohlkörper durchströmen kann. Aufgrund der zumindest teilweisen Umschließung des zweiten Hohlkörpers durch den ersten Hohlkörper kann ein Gas, das durch den Gaseinlass und den Gasauslass den ersten Hohlkörper durchströmt, durch Kontakt mit der Außenfläche des zweiten Hohlkörpers gekühlt werden. Folglich kann in dem Gas enthaltener Wasserdampf aufgrund der Kühlung auskondensieren, um dann aus dem ersten Hohlkörper über den Kondensatablauf an der Unterseite schwerkraftgetrieben abgeführt zu werden.
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Zur Steigerung der Effizienz des Kondensationsvorgangs weist der drehbar gelagerte Hohlkörper Wirbelkörper auf, die sich bevorzugt starr an der den Gasstrom berührenden Fläche des Hohlkörpers befinden und bei Rotation in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Hohlkörper und dem zweiten Hohlkörper durch das durchströmende Gas bewegt werden. Hiermit wird der Gasstrom in Drehung versetzt, so dass auskondensiertes Wasser durch die Zentrifugalwirkung an die Innenseite des ersten Hohlkörpers getrieben wird, um dort zu dem Kondensatablauf an der Unterseite der Wärmetauscheranordnung zu laufen.
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Es ist selbstverständlich sicherzustellen, dass der Kühlmitteleinlass, der Kühlmittelauslass, der Gaseinlass, der Gasauslass und der Kondensatablauf durch eine Rotation eines der Hohlkörper nicht beeinträchtigt werden und eine störungsfreie Zu- und Abfuhr sämtlicher Fluide über sämtliche Betriebszustände der Vorrichtung ermöglicht ist. Beispielsweise können der Gaseinlass, der Gasauslass, der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass jeweils über eine Fluidkupplung bzw. eine Rotationsdichtung mit Lamellen, einer Labyrinthanordnung oder ähnlichen Einrichtungen verfügen, die eine verlustfreie Leitung des betreffenden Fluides von einem feststehenden Teil in einen rotierenden Hohlkörper erlauben.
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Hierdurch ergeben sich eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber bekannten Vorrichtungen aus dem Stand der Technik. Zum Einen kann der Abscheidegrad unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms sein, der stattdessen im Wesentlichen von der Drehgeschwindigkeit des drehbar gelagerten Hohlkörpers abhängig ist. Die Vorrichtung kann demnach für sehr verschiedene Betriebszustände einer Einrichtung, die ein feuchtes Gas abgibt, einen hohen Abscheidegrad realisieren. Durch die Rotation des betreffenden Hohlkörpers erhöht sich zudem die Relativgeschwindigkeit zwischen der Luft und der kühlungsaktiven Wandfläche, was zu einer Erhöhung des mittleren gasseitigen Wärmeübergangskoeffizienten führt, was durch eine Erhöhung der Vortizität des Gasstroms noch weiter verbessert wird. Das Wirken der Zentrifugalkraft auf das Kondensat führt zu einem beschleunigten Abtransport, so dass eine Ansammlung von Kondensat auf sämtlichen wärmeübertragenden Wänden bzw. eine Filmbildung weitgehend vermieden wird. Durch die rotierenden Wirbelkörper findet ferner eine verstärkte Durchmischung innerhalb der Gasstroms statt, was zur Verringerung von Partialdruckdifferenzen und damit zur Erhöhung der Kondensationsleistung führt. Da weiterhin die erfindungsgemäße Vorrichtung einen sehr kompakten Aufbau aufweist, ergibt sich ein deutlich geringerer Bauraumbedarf und ein geringeres Gewicht im Vergleich zu separat und nacheinander geschalteten Einrichtungen. Dadurch eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders gut für den Einsatz in Fahrzeugen und insbesondere in Flugzeugen.
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Zur störungsfreien Rotation erstreckt sich der mindestens eine Wirbelkörper von dem drehbar gelagerten Hohlkörper derart zu dem anderen Hohlkörper, dass dieser von dem mindestens einen Wirbelkörper nicht berührt wird. Das Aufprägen einer rotatorischen Komponente auf die Gasströmung kann auch durch Wirbelkörper erfolgen, die sich nicht durch den gesamten Zwischenraum zwischen den beiden Hohlkörpern erstrecken.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der zweite Hohlkörper relativ zu dem ersten Hohlkörper drehbar gelagert, um etwas höhere Drehzahlen erlauben zu können und die Lagerung des ersten Hohlkörpers aufgrund des geringeren Durchmessers im Vergleich zu dem zweiten Hohlkörper einfacher und kostengünstiger realisiert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Antriebseinheit eine Axialturbine auf, die mit dem drehbar gelagerten Hohlkörper koppelbar ist und in den Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlkörper ragt. Durch eine innerhalb des Zwischenraums zwischen dem ersten Hohlkörper und dem zweiten Hohlkörper vorhandene Gasströmung wird die Axialturbine mit der Gasströmung beaufschlagt und folglich zu einer Drehung veranlasst. Durch Kopplung mit dem drehbar gelagerten Hohlkörper wird dieser von der Axialturbine angetrieben. Die Axialturbine könnte etwa direkt an einer äußeren Mantelfläche des zweiten Hohlkörpers oder an einer inneren Mantelfläche des ersten Hohlkörpers angeordnet sein, so dass ein mechanisch sehr einfacher Aufbau resultiert. Alternativ dazu kann durch Anordnung eines Untersetzungsgetriebes zwischen der Axialturbine und dem drehbar gelagerten Hohlkörper ein niedrigeres notwendiges Drehmoment der Axialturbine erreicht werden, die mit einer höheren Rotationsgeschwindigkeit der Turbine einhergeht.
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Es ist zudem als besonders vorteilhaft anzusehen, den zweiten Hohlkörper drehbar zu lagern und die Axialturbine innerhalb des zweiten Hohlkörpers anzuordnen. Das durch den Kühlmitteleinlass einströmende Kühlmittel strömt die Axialturbine an und versetzt den zweiten Hohlkörper in Rotation. Der Zwischenraum zwischen dem ersten und dem zweiten Hohlkörper wird durch die Axialturbine nicht belegt, so dass die Gasströmung störungsfrei ist. Des weiteren empfiehlt sich die Anordnung innerhalb des zweiten Hohlkörpers, da der Kühlmittelstrom, je nach Quelle des Kühlmittels, weitgehend konstant sein kann und folglich eine konstanten Rotation des zweiten Hohlkörpers verursacht. Die Verwendung flüssigen Kühlmittels, das eine höhere Dichte aufweist, als der Gasstrom, erlaubt eine Auslegung der Axialturbine mit deutlich kleinerer angeströmter Fläche und damit einer deutlich geringeren Größe.
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In einer alternativen Ausführungsform der Vorrichtung weist die Antriebseinheit einen Elektromotor auf, der mit dem drehbar gelagerten Hohlkörper koppelbar ist. Hierdurch kann eine von dem Gasstrom unabhängige Rotationsgeschwindigkeit erzielt werden. Die damit erreichte Abscheideleistung kann dabei ebenso vollständig unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms erhöht werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Gaseinlass an einer Oberseite des ersten Hohlkörpers und der Gasauslass an der Unterseite des ersten Hohlkörpers angeordnet ist, während der Kühlmitteleinlass an einer Unterseite des zweiten Hohlkörpers und der Kühlmittelauslass an einer Oberseite des zweiten Hohlkörpers angeordnet ist. Das Anordnen des Gaseinlasses an der Oberseite und des Gasauslasses an der Unterseite führt dazu, dass bereits bedingt durch die Richtung der Gasströmung eine Bewegung der sich bildenden Kondensattröpfchen zu dem Kondensatablauf begünstigt wird, wobei die entgegengesetzte Strömungsrichtung des Kühlmittels zur Ausnutzung des Gegenstromprinzips führt, bei dem stets ein ausreichendes Temperaturgefälle zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Gasstrom herrscht.
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Bevorzugt weist der Kondensatablauf einen pegelaktivierbare Öffnungseinrichtung auf, die dann eine Öffnung des Kondensatablaufs durchführt, sobald sich eine vorbestimmte Menge Kondensat an der Unterseite der Vorrichtung angesammelt hat. Die pegelaktivierbare Öffnungseinrichtung kann insbesondere einen Schwimmerkörper aufweisen, der in einer Kondensatansammlung einen Auftrieb erfährt. Der Schwimmerkörper kann direkt mit einem Ventil verbunden sein, welches durch Federkraft in einer geschlossenen Stellung verbleibt und durch den über ein Befestigungsmittel angebundenen Schwimmerkörper gelöst werden kann. Der Schwimmerschalter kann alternativ oder zusätzlich auch mit einem Sensor oder einer Kontakteinrichtung verbunden sein, um ein elektrisch betätigbares Ablaufventil ansteuern zu können, sobald ein bestimmter Pegelstand erreicht wird. Bei der Ausführung der pegelaktivierbaren Öffnungseinrichtung ist eine ausreichende Hysterese zum bevorzugt vollständigen Abführen des Kondensats vorzusehen. Durch Verwendung der pegelaktivierbaren Öffnungseinrichtung findet ein Abführen von Kondensat nur dann statt, wenn eine substantielle Menge von Kondensat vorhanden ist, während in der überwiegenden Zeit der Kondensatablauf geschlossen ist. Dadurch kann vermieden werden, eine stetige Gasströmung aus dem Kondensatablauf heraus zu verursachen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der mindestens eine Wirbelkörper als eine Finne ausgeführt, die sich in radialer Richtung von dem drehbar gelagerten Hohlkörper zu der Mantelfläche des anderen Hohlkörpers hin erstreckt. Es ist überdies besonders vorteilhaft, mehrere Finnen zu verwenden, die in Umfangsrichtung und/oder in Längsrichtung relativ zu dem drehbar gelagerten Hohlkörper voneinander beabstandet sind. Durch einen Abstand in Umfangsrichtung kann eine besonders gute Verwirbelung der Luftströmung erreicht werden, was insbesondere durch Verdrillung einzelner Finnen noch verstärkbar ist. Das mehrfache Integrieren von in Längsrichtung voneinander beabstandeter Finnen führt zu einer Erhöhung der dem Gasstrom zugeführten Rotationsenergie.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Kühlen und Entfeuchten eines Gases, welches im Wesentlichen die folgenden Schritte aufweist. Es wird das zu entfeuchtende und kühlende Gas durch einen Gaseinlass in einem ersten Hohlkörper zu einem Gasauslass geleitet, gleichzeitig wird ein Kühlmittel durch einen Kühlmitteleinlass zu einem Kühlmittelauslass in einem zweiten Hohlkörper geleitet, der zumindest teilweise von dem ersten Hohlkörper umschlossen ist. Einer des ersten und des zweiten Hohlkörpers wird relativ zu dem anderen Hohlkörper rotiert und das durch den ersten Hohlkörper strömende Gas wird mittels mindestens eines Wirbelkörpers an dem drehbar gelagerten Hohlkörper in Rotation versetzt. Das Kühlmittel weist dabei eine niedrigere Temperatur als das durch den ersten Hohlkörper strömende Gas auf. Durch den Temperaturunterschied und begünstigt durch die Rotation des Gases erfolgt eine Kühlung des Gases, so dass ein Teil des darin enthaltenden Wasserdampfs auskondensiert und in Form von Tröpfchen aufgrund der Zentrifugalwirkung an eine Mantelinnenfläche des ersten Hohlkörpers getrieben wird, um von dort schwerkraftgetrieben zu einem Ablauf zu gelangen. Das Verfahren umfasst weiterhin das Abführen des Kondensats. Das Rotieren eines des ersten und des zweiten Hohlkörpers relativ zu dem anderen Hohlkörper kann das Anströmen einer Axialturbine durch die Gasströmung umfassen, wobei die Axialturbine mit dem drehbar gelagerten Hohlkörper gekoppelt ist. Alternativ dazu kann das Rotieren des drehbar gelagerten Hohlkörpers relativ zu dem anderen Hohlkörper das Antreiben des drehbar gelagerten Hohlkörpers mit einem Motor umfassen.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer Brennstoffzelle, die einen Abluftauslass aufweist, der mit dem Gaseinlass der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbindbar ist. Somit kann an Bord des Fahrzeugs unter Ausnutzung eines relativ geringen Bauraumbedarfs und mit einem relativ geringen Gewicht eine Ablufttrocknung und Wassergewinnung aus dem Betrieb der Brennstoffzelle erreicht werden. Dies bietet sich insbesondere dann an, wenn das Fahrzeug ein Flugzeug ist und entfeuchtete, sauerstoffabgereicherte Abluft zum Inertisieren von Treibstofftanks sowie Wasser für ein an Bord befindliches Wassersystem verwendet werden sollen. Die Verwendung entfeuchteter bzw. getrockneter Abluft ist sinnvoll, da bei Eintrag von Feuchtigkeit die Bildung einer Bakterienpopulation innerhalb des Tank begünstigt wird, die insbesondere Sensoren zum Erfassen des Füllzustandes des Tanks beeinflussen könnte. Zudem könnten innerhalb des Kraftstofftanks bzw. des Kraftstoffs selbst Eiskristalle entstehen, die zu Beschädigungen an Triebwerks-Einspritzdüsen und Kraftstofffiltern führen könnten, wenn sich das Flugzeug im Reiseflug oder bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts am Boden befindet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich und in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammensetzung in den einzelnen Ansprüchen oder deren Rückbezügen. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung und Entfeuchtung von Gasen.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung und Entfeuchtung von Gasen.
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3 zeigt ein Flugzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kühlung und Entfeuchtung von Brennstoffzellenabluft.
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DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 zum Kühlen und Entfeuchten eines Gases in einem Längsschnitt, die eine Wärmetauscheranordnung mit einem ersten rohrförmigen Hohlkörper 4 mit einem Gaseinlass 6 an einer Oberseite 11, einem Gasauslass 8 und einem Kondensatablauf 10 an einer Unterseite 12 auf. Der Gaseinlass 6 und der Gasauslass 8 sind beispielhaft als ringförmige Öffnungen, die über Verbindungsstege verfügen, oder als ringförmige Anordnungen mehrerer Durchlassbohrungen ausgeführt. Die Wärmetauscheranordnung der Vorrichtung 2 weist ferner einen zweiten rohrförmigen Hohlkörper 14 mit einem Kühlmitteleinlass 16 und einem Kühlmittelauslass 18 auf, wobei der zweite Hohlkörper 14 vollständig von dem ersten Hohlkörper 4 umschlossen ist. Mittels eines unteren Lagers 20 und eines oberen Lagers 22, die exemplarisch als Hohldrehkupplungen ausgeführt sind oder mit einer solchen kombiniert sind, ist der zweite Hohlkörper 14 relativ zu dem ersten Hohlkörper 4 drehbar gelagert. Dadurch kann sich der zweite Hohlkörper 14 um eine Längsachse 24 gegenüber dem ersten Hohlkörper 4 drehen.
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Zum Abdichten des ersten Hohlkörpers 4 und der Lagerung des darin befindlichen zweiten Hohlkörpers 14, des Gaseinlasses 6 und des Gasauslasses 8 sind an der Oberseite 11 und an der Unterseite 12 des ersten Hohlkörpers 4 ein oberer Deckel 7 und ein unterer Deckel 9 angeordnet, die durch geeignete Dichtkörper eine Abdichtung schaffen und durch geeignete Mittel mit dem ersten Hohlkörper 4 verbunden sind. Beispielhaft weist der untere Deckel 9 den Kondensatablauf 10 auf und dient dem ersten Hohlkörper 4 als Bodenfläche, auf der sich das Kondensat sammelt.
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Durch die entgegengesetzte Anordnung des Gaseinlasses 6 und des Kühlmitteleinlasses 20 sowie des Gasauslasses 8 und des Kühlmittelauslasses 22 wird das Gegenstromprinzip realisiert, bei dem ein möglichst großes Temperaturgefälle zwischen dem Kühlmittelstrom und dem Gasstrom im Wesentlichen über die gesamte Erstreckung der Hohlkörper erreicht wird.
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Das gezeigte Ausführungsbeispiel ist zudem rotationssymmetrisch ausgeführt, so dass eine vibrationsfreie Rotation des zweiten Hohlkörpers 14 gegenüber dem ersten Hohlkörper 4 erfolgen kann und gleichzeitig der Abstand zwischen der äußeren Mantelfläche des zweiten Hohlkörpers 14 und der inneren Mantelfläche des ersten Hohlkörpers 4 über die gesamte Höhe der Vorrichtung 2 und über die Drehung des zweiten Hohlkörpers 14 konstant bleibt. Der Wärmeübergang zwischen dem Gasstrom und dem Kühlmittelstrom ist damit in Umfangsrichtung gleichbleibend.
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An einer Außenfläche 26 des zweiten Hohlkörpers 14 sind exemplarisch schräg zu der Längsachse 24 verlaufende Wirbelkörper 28 in drei in Längsrichtung voneinander beabstandeten Kränzen oder Reihen angeordnet, die dazu eingerichtet sind, eine Gasströmung zwischen dem Gaseinlass 6 und dem Gasauslass 8 in Rotation zu versetzen. Hierdurch wird der Wärmeübergang zwischen dem Gasstrom und dem Kühlmittelstrom verbessert, gleichzeitig werden durch die Zentrifugalwirkung Kondensattröpfchen zu einer inneren Mantelfläche 30 des ersten Hohlkörpers 4 geschleudert, um von dort in Richtung des Kondensatablaufs 10 abzufließen. Die Wirbelkörper 28 können als abgekantete Bleche ausgeführt sein, die eine Beschleunigung des Gasstroms in Längsrichtung bevorzugt vermeiden, jedoch eine deutliche Radialkomponente aufprägen. Geeignet sind Querschnittsprofile, die eine Haupterstreckungsrichtung bevorzugt parallel zu der Längsachse 24 der Vorrichtung aufweisen und die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind.
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Alternativ oder zusätzlich dazu sind auch Anordnungen von in Umfangsrichtung voneinander beabstandeter, stäbchenförmiger Wirbelkörper 28 denkbar, die einen symmetrischen Querschnitt besitzen.
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In 1 ist der zweite Hohlkörper 14 exemplarisch mit einer Axialturbine 32 ausgestattet, die beim Durchströmen des ersten Hohlkörpers mit einem Gas in Drehung versetzt wird, um den zweiten Hohlkörper 14 in Drehung zu versetzen. Die Erhöhung der Kondensationsleistung durch den Zentrifugaleffekt ist dementsprechend abhängig von der Geschwindigkeit der Gasströmung innerhalb des ersten Hohlkörpers 4 und bietet sich insbesondere dann an, wenn mit einer ausreichend hohen Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms zu rechnen ist, die insbesondere über einen vorbestimmten Zeitraum konstant oder im Wesentlichen konstant bleibt.
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Um einen Austritt des Gases aus dem Kondensatablauf 10 zu vermeiden, ist dieser mit einer pegelaktivierbaren Öffnungseinrichtung 34 ausgerüstet, die einen Schwimmkörper 36 aufweist, der mit einem Ventil 38 gekoppelt ist. Die Kopplung ist exemplarisch mechanisch, so dass der Kondensatablauf 10 erst bei Erreichen eines vorbestimmten Kondensatpegels an der Unterseite 12 erfolgt.
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In einer in 2 gezeigten Vorrichtung 40 zum Kühlen und Entfeuchten von Gasen ist ebenfalls der zweite Hohlkörper 14 drehbar relativ zum ersten Hohlkörper 4 gelagert und weist Wirbelkörper 28 auf. Allerdings ist die Axialturbine 32 durch einen Motor 42 ersetzt, der einen Antrieb des zweiten Hohlkörpers 14 relativ zu dem ersten Hohlkörper 4 auch unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Gases erlaubt. Damit kann die Kondensationsleistung auch bei unregelmäßigen Strömungsgeschwindigkeiten deutlich verbessert werden.
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3 zeigt schließlich ein Flugzeug 44 mit einem Brennstoffzellensystem 46, welches mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 2 bzw. 40 ausstattbar ist. Das Brennstoffzellensystem 46 weist einen Abluftausgang 48 auf, der mit dem Gaseinlass 6 verbindbar ist. Hiermit kann die beim Betrieb des Brennstoffzellensystems 46 entstehende, relativ feuchte sauerstoffabgereicherte Abluft gekühlt und entfeuchtet werden, um etwa zur Inertisierung von Treibstofftanks 50 verwendbar zu sein. Gleichzeitig kann das bei der Entfeuchtung anfallende Kondensat einem Wassersystem 52 zugeführt werden.
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Durch die erfindungsgemäß einstufige Ausführung wird ein geringes Gewicht und ein geringer Bauraumbedarf realisiert. Gleichzeitig kann auch eine effektive Entfeuchtung moderner Brennstoffzellensysteme erfolgen, bei denen die zur Kathodenluftversorgung benötigte Kompressorleistung reduzierbar ist und folglich ein relativ niedriger Gasmassenstrom erfüllbar ist, der für einen Betrieb eines üblichen Zyklonabscheiders kaum ausreichen würde. Ferner ist der Einsatz in einem Flugzeug durch die Senkung des für den Betrieb notwendigen Energiebedarfs vorteilhaft, denn die Erzeugung einer einfachen Rotation ohne Kompressionsarbeit ist deutlich günstiger als eine alternative Erhöhung des Massenstroms mittels eines zusätzlichen Kompressors.
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Ergänzend sei darauf hinzuweisen, dass „aufweisend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „ein“ oder „einer“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkungen anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2011/036027 A1 [0003]
- WO 2011/051210 A1 [0003]
