DE102016116804A1

DE102016116804A1 - Membrantrockner und Verfahren zur Trocknung von Druckluft für ein schienengebundenes Fahrzeug

Info

Publication number: DE102016116804A1
Application number: DE102016116804.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas Merkel; Christian Urra; Rainer Stromayr; Gert Assmann
Original assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Current assignee: Knorr Bremse Systeme fuer Schienenfahrzeuge GmbH
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Membrantrockner (1) und auf ein Verfahren zur Trocknung von Druckluft für ein schienengebundenes Fahrzeug. Ein Feuchtigkeitssensor (6), der in einem Luftauslass (4) angeordnet ist, erfasst eine Feuchte einer Auslassdruckluft, ein Stellglied (7) stellt eine Durchsatzrate einer Spülluft im Spülkanal (5) ein; und eine Steuereinrichtung (8) steuert das Stellglied (7) auf der Grundlage der von dem Feuchtigkeitssensor (6) erfassten Feuchte der Auslassdruckluft.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Membrantrockner und auf ein Verfahren zur Trocknung von Druckluft für ein schienengebundenes Fahrzeug oder auch Nutzfahrzeuge.
Bei schienengebundenen Fahrzeugen werden zur Trocknung von Druckluft, die zum Beispiel in einem Bremssystem genutzt wird, Membrantrockner verwendet. Derartige Membrantrockner funktionieren nach dem Prinzip, dass die verwendeten Hohlfasern von Wasserdampf erheblich schneller durchdrungen werden als von Luft. Zum Initiieren dieses Vorgangs ist ein Konzentrationsgefälle zwischen einem Luftstrom im Inneren der Hohlfasern und einem außen verlaufenden Regenerationsluftstrom notwendig. Dazu wird ein Teilvolumenstrom der getrockneten Druckluft abgezweigt, expandiert und dann zum kontinuierlichen Umspülen des durchströmten Hohlfaserpakets genutzt.
Hierbei wird eine im Voraus bestimmte optimale Menge eines nur vom Druck abhängigen Teilvolumenstroms der getrockneten Luft hinter dem Hohlfaserpaket abgezweigt und zum Umspülen des Hohlfaserpakts eingesetzt. Die optimale Menge des Regenerationsluftstroms ist ein maximal notwendiger Teilvolumenstrom, damit bei hoher Wasserlast, d.h. insbesondere bei hohen Lufteingangstemperaturen, eine ausreichende Trocknung gewährleistet wird.
Bei niedrigerer Wasserlast wie zum Beispiel beim Betrieb unterhalb der maximalen Umgebungstemperatur wird jedoch mehr Druckluft verbraucht als für diesen Betriebszustand nötig wäre. Allerdings ist ein derartiger Betrieb mit niedriger Wasserlast im Jahresmittel eher der Regelfall als die Ausnahme. Nach dem Stand der Technik wird beim Stoppen der Luftversorgung (zum Beispiel durch einen Kompressor) ein Magnetventil genutzt, um den Druck im Hohlfaserpaket zu erhalten und die Belastung der Hohlfasern zu reduzieren.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Membrantrockner und ein Verfahren zur Trocknung von Druckluft für ein schienengebundenes Fahrzeug oder Nutzfahrzeug vorzusehen, wodurch der Druckluftverbrauch durch die Regeneration des Trockners reduziert und damit die Größe eines vorgeschalteten Kompressors verkleinert werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch den Membrantrockner zur Reinigung und Trocknung von Druckluft für ein schienengebundenes Fahrzeug oder Nutzfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der Membrantrockner der vorliegenden Erfindung zur Trocknung von Druckluft für ein schienengebundenes Fahrzeug oder Nutzfahrzeug hat ein Faserpaket mit einer Vielzahl an länglichen Hohlfasern, die eine Membran bilden, einen Lufteinlass an einem ersten Längsende des Faserpakets zum Einlassen von Einlassdruckluft, einen Luftauslass an einem zweiten Längsende des Faserpakets zum Auslassen von Auslassdruckluft, die eine geringere Feuchte hat als die Einlassdruckluft, einen Spülkanal zum Umspülen der Hohlfasern des Faserpakets mit einem Teil der aus dem Luftauslass ausgelassenen Auslassdruckluft als Spülluft, einen Feuchtigkeitssensor, der im Luftauslass angeordnet ist und eine Feuchte der Auslassdruckluft erfasst, ein Stellglied, das eine Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal einstellt, und eine Steuereinrichtung, die das Stellglied auf der Grundlage der von dem Feuchtigkeitssensor erfassten Feuchte der Auslassdruckluft steuert. Auf diese Art kann das Konzentrationsgefälle zwischen Innenstrom und Spülluftstrom abhängig vom aktuellen Bedarf angepasst werden und muss nicht mehr auf den hohen Optimalwert ausgelegt sein, der sich entsprechend der Ausgestaltung nach dem Stand der Technik ergibt. Infolgedessen kann die Größe des vorgeschalteten Kompressors verkleinert werden, da im Startbetrieb die nutzbare Lieferleistung höher ist und so trotz kleinem Kompressor die Mindestauffüllzeit erreicht werden kann und auch im Folgebetrieb weniger Luft verbraucht wird. Das System bestehend aus Kompressor und Membrantrockner kann dadurch insgesamt effizienter und damit wirtschaftlicher gemacht werden. Eine Einsparung besteht zudem in der Reduzierung der kontinuierlich verbrauchten Spülluft.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Membrantrockners zur Trocknung von Druckluft für ein schienengebundenes Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Membrantrockner 1 hat ein Faserpaket 2 mit einer Vielzahl an länglichen Hohlfasern, die eine Membran bilden, einen Lufteinlass 3 an einem ersten Längsende des Faserpakets 2 zum Einlassen von Einlassdruckluft, einen Luftauslass 4 an einem zweiten Längsende des Faserpakets 2 zum Auslassen von Auslassdruckluft, die eine geringere Feuchte hat als die Einlassdruckluft, und einen Spülkanal 5 zum Umspülen der Hohlfasern des Faserpakets 2 mit einem Teil der aus dem Luftauslass 4 ausgelassenen Auslassdruckluft als Spülluft.
Gemäß der vorliegenden Erfindung hat der Membrantrockner 1 darüber hinaus einen Feuchtigkeitssensor, 6 der im Luftauslass 4 angeordnet ist und eine Feuchte der Auslassdruckluft erfasst, ein Stellglied 7, das eine Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal 5 einstellt; und eine Steuereinrichtung 8, die das Stellglied 7 auf der Grundlage der von dem Feuchtigkeitssensor 6 erfassten Feuchte der Auslassdruckluft steuert. Vorzugsweise kann das Stellglied 7 vollständig geschlossen werden, um als ein Absperrglied zum Beispiel bei einem Kompressorstopp zu dienen. Vorzugsweise ist das Stellglied 7 eine einstellbare Düse 7A oder ein Stellventil 7B.
Der Betrieb des Membrantrockners 1 ist folgendermaßen. Ein vorgeschalteter Kompressor (nicht gezeigt) bläst relativ feuchte Einlassdruckluft durch das Faserpaket 2. Durch das Stellglied 7 wird ein durch die Steuereinrichtung 8 bestimmter Teil einer getrockneten Auslassdruckluft als Spülluft zum Umspülen des durchströmten Faserpakets 2 genutzt und dabei expandiert. Durch das Konzentrationsgefälle zwischen der Einlassdruckluft und der Spülluft tritt die Feuchtigkeit der Einlassdruckluft durch die Hohlfasern hindurch und wird durch die Spülluft abtransportiert. Erfindungsgemäß wird das Stellglied 7 dabei auf der Grundlage der erfassten Feuchte der Auslassdruckluft gesteuert. Dies kann entweder durch eine offene Steuerkette oder durch einen geschlossenen Regelkreis geschehen. Als Sollgröße kann zum Beispiel ein Sollwert der Feuchte der Auslassdruckluft dienen. Auf diese Art kann das Konzentrationsgefälle zwischen Innenstrom und Spülluftstrom abhängig vom aktuellen Bedarf angepasst werden und muss nicht mehr auf den hohen Optimalwert des Stands der Technik ausgelegt sein. Infolgedessen kann die Größe des vorgeschalteten Kompressors verkleinert werden, da im Startbetrieb die nutzbare Lieferleistung höher ist und so trotz kleinem Kompressor die Mindestauffüllzeit erreicht werden kann. Das System bestehend aus Kompressor und Membrantrockner kann dadurch insgesamt effizienter und damit wirtschaftlicher gemacht werden. Eine Einsparung besteht zudem in der Reduzierung der kontinuierlich verbrauchten Spülluft.
Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung 8 eine Speichereinrichtung auf, in der ein Algorithmus gespeichert ist, der Sollwerte der Feuchte der Auslassdruckluft mit einem vom Stellglied 7 einzustellenden Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft verknüpft. Die Steuereinrichtung 8 kann das Stellglied 7 dann so steuern, dass sich eine tatsächliche Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal 5 dem Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft bei dem Sollwert der Feuchte der Auslassdruckluft annähert. Vorzugsweise wird der Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft größer, wenn ein Sollwert der Feuchte der Auslassdruckluft kleiner wird ist als die erfasste Feuchte der Auslassdruckluft. Die Ansteuerung erfolgt dabei über die Steuereinrichtung 8, welche als Eingangsinformation die erfasste Feuchte der getrockneten Auslassdruckluft verwendet und diese mittels eines geeigneten Algorithmus mit den Sollwerten abgleicht. Bedarfsabhängig wird dann die notwendige Regeneration über das Stellglied 7 reguliert. Der Sollwert der Feuchte wird dabei in der Steuereinrichtung 8 hinterlegt. Bei Überschreitung eines Grenzwertes wird die Spülluft über die Ansteuerung des angeschlossenen Stellglieds 7 entsprechend dem Bedarf erhöht oder abgesenkt.
Vorzugsweise ist die Düse 7A oder das Stellventil 7B seitens der Hardware so ausgelegt, dass die Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal 5 eine vorgegebene minimale Durchsatzrate nicht unterschreiten kann (wobei hier ein ausreichend hoher Einlassdruck vorausgesetzt wird) und eine vorgegebene maximale Durchsatzrate nicht überschreiten kann. Dadurch kann eine Minimal- und Maximalwertfunktion mittels der Hardware ergänzt werden. Diese Grenzwerte erlauben es, Fehler in der Software oder Sensorfehler abzufangen und zu niedrige oder zu hohe Spülluftverbräuche zu verhindern. So kann ein zu weit geöffnetes Stellglied 7 einen unzulässig hohen Verbrauch an Spülluft erzeugen und im schlimmsten Fall verhindern, dass der Zug mit der notwendigen Menge an Druckluft versorgt wird. Ein zu niedriger Luftstrom ist andererseits auch ungünstig, da dann praktisch keine Regeneration mehr stattfindet. Je nach Umsetzung des Erfindungsgedankens kann dies aber auch gewünscht sein.
Vorzugsweise hat der Membrantrockner 1 des Weiteren einen Temperatursensor 9, der im Lufteinlass 3 angeordnet ist und eine Temperatur der Einlassdruckluft erfasst. Weiter bevorzugt sind in dem Algorithmus die Sollwerte der Feuchte der Auslassdruckluft mit dem vom Stellglied 7 einzustellenden Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft in Abhängigkeit der Temperatur der Einlassdruckluft verknüpft. Die Steuerung bzw. Regelung kann die Sollwerteinstellung dann in Abhängigkeit der gemessenen Feuchte und zusätzlich der gemessenen Temperatur durchführen. Weiter bevorzugt wird der Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft größer, wenn sich die Temperatur der Einlassdruckluft vergrößert. Die Steuereinrichtung 8 kann dadurch das Stellglied 7 zusätzlich auf der Grundlage der von dem Temperatursensor 9 erfassten Temperatur der Einlassdruckluft steuern, so dass eine weiter optimierte Spülluftmenge eingestellt werden kann.
Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung das Stellglied derart, dass eine vorgegebene minimale Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal 5 nicht unterschritten wird und dass eine vorgegebene maximale Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal 5 nicht überschritten wird. Dadurch kann die Steuerung mit einer Minimal- und Maximalwertfunktion mittels der Software ergänzt werden. Diese Grenzwerte erlauben es, Fehler in der Software oder Sensorfehler abzufangen und zu niedrige oder zu hohe Spülluftverbräuche zu verhindern. So kann ein zu weit geöffnetes Stellglied 7 einen unzulässig hohen Verbrauch an Spülluft erzeugen und im schlimmsten Fall verhindern, dass der Zug mit der notwendigen Menge an Druckluft versorgt wird. Ein zu niedriger Luftstrom ist andererseits auch schlecht, da dann praktisch keine Regeneration mehr stattfindet. Je nach Umsetzung des Erfindungsgedankens kann dies aber auch gewünscht sein.
Vorzugsweise steuert die Steuereinrichtung 8 das Stellglied 7 zum Unterbrechen der Spülluftströmung im Spülkanal 5, wenn eine Durchsatzrate der eingelassenen Einlassdruckluft einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet. Damit kann eine Absperrfunktion des Regenerationsvolumenstroms bei Kompressorstopp integriert werden.
Vorzugsweise hat der Spülkanal 5 einen Ausgang (nicht gezeigt), durch den die Spülluft zur Außenseite des Membrantrockners 1 ausgelassen wird. Vorzugsweise hat der Membrantrockner 1 des Weiteren ein Ventil 10 am Lufteinlass zum Einstellen einer Durchsatzrate der Einlassdruckluft und zum Sperren der Einlassdruckluft. Damit kann eine Rückströmung der Einlassdruckluft zum Kompressor verhindert werden. Vorzugsweise hat der Membrantrockner 1 des Weiteren einen oder mehrere Filter und Flüssigwasserabscheider (nicht gezeigt) vor dem Lufteinlass 3, um die Druckluft zu reinigen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht durch das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern sie umfasst Änderungen und Abwandlungen im Umfang der beigefügten Ansprüche.
Bezugszeichenliste

1: Membrantrockner
2: Faserpaket
3: Lufteinlass
4: Luftauslass
5: Spülkanal
6: Feuchtigkeitssensor
7: Stellglied
7A: Düse
7B: Stellventil
8: Steuereinrichtung
9: Temperatursensor
10: Ventil

Claims

Membrantrockner (1) zur Trocknung von Druckluft für ein schienengebundenes Fahrzeug oder ein Nutzfahrzeug, mit: einem Faserpaket (2) mit einer Vielzahl an länglichen Hohlfasern, die eine Membran bilden; einem Lufteinlass (3) an einem ersten Längsende des Faserpakets (2) zum Einlassen von Einlassdruckluft; einem Luftauslass (4) an einem zweiten Längsende des Faserpakets (2) zum Auslassen von Auslassdruckluft, die eine geringere Feuchte hat als die Einlassdruckluft; und einem Spülkanal (5) zum Umspülen der Hohlfasern des Faserpakets (2) mit einem Teil der aus dem Luftauslass ausgelassenen Auslassdruckluft als Spülluft, gekennzeichnet durch einen Feuchtigkeitssensor (6), der im Luftauslass (4) angeordnet ist und eine Feuchte der Auslassdruckluft erfasst; ein Stellglied (7), das eine Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal (5) einstellt; und eine Steuereinrichtung (8), die das Stellglied (7) auf der Grundlage der von dem Feuchtigkeitssensor (6) erfassten Feuchte der Auslassdruckluft steuert.
Membrantrockner (1) gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinrichtung (8) eine Speichereinrichtung aufweist, in der ein Algorithmus gespeichert ist, der Sollwerte der Feuchte der Auslassdruckluft mit einem vom Stellglied (7) einzustellenden Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft verknüpft; und die Steuereinrichtung (8) das Stellglied (7) so steuert, dass sich eine tatsächliche Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal (5) dem Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft bei dem Sollwert der Feuchte der Auslassdruckluft annähert.
Membrantrockner (1) gemäß Anspruch 2, wobei der Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft größer wird, wenn ein Sollwert der Feuchte der Auslassdruckluft kleiner wird als die erfasste Feuchte der Auslassdruckluft.
Membrantrockner (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Stellglied (7) vollständig geschlossen werden kann und als ein Absperrglied dient.
Membrantrockner (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Stellglied (7) eine einstellbare Düse (7A) oder ein Stellventil (7B) ist.
Membrantrockner (1) gemäß Anspruch 5, wobei die Düse (7A) oder das Stellventil (7B) so ausgelegt ist, dass die Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal (5) eine vorgegebene minimale Durchsatzrate nicht unterschreiten kann und eine vorgegebene maximale Durchsatzrate nicht überschreiten kann.
Membrantrockner (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einem Temperatursensor (9), der im Lufteinlass (3) angeordnet ist und eine Temperatur der Einlassdruckluft erfasst; und die Steuereinrichtung (8) das Stellglied (7) zusätzlich auf der Grundlage der von dem Temperatursensor (9) erfassten Temperatur der Einlassdruckluft steuert.
Membrantrockner (1) gemäß Ansprüchen 2 und 7, wobei der Algorithmus die Sollwerte der Feuchte der Auslassdruckluft mit dem vom Stellglied (7) einzustellenden Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft in Abhängigkeit der Temperatur der Einlassdruckluft verknüpft.
Membrantrockner (1) gemäß Anspruch 8, wobei der Sollwert der Durchsatzrate der Spülluft größer wird, wenn sich die Temperatur der Einlassdruckluft vergrößert.
Membrantrockner (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (8) das Stellglied (7) so steuert, dass eine vorgegebene minimale Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal (5) nicht unterschritten wird und dass eine vorgegebene maximale Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal (5) nicht überschritten wird.
Membrantrockner (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinrichtung (8) das Stellglied (7) zum Unterbrechen der Spülluftströmung im Spülkanal (5) steuert, wenn eine Durchsatzrate der eingelassenen Einlassdruckluft einen vorbestimmten Grenzwert unterschreitet.
Membrantrockner (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche wobei der Spülkanal (5) einen Ausgang hat, durch den die Spülluft zur Außenseite des Membrantrockners (1) ausgelassen wird.
Membrantrockner (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einem Ventil (10) am Lufteinlass (3) zum Einstellen einer Durchsatzrate der Einlassdruckluft und zum Sperren der Einlassdruckluft.
Membrantrockner (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, des Weiteren mit einem oder mehreren Filtern und Flüssigwasserabscheider am Lufteinlass (3).
Verfahren zum Trocknen von Druckluft in einem schienengebundene Fahrzeug oder einem Nutzfahrzeug, mit: Anordnen eines Membrantrockners (1) in dem schienengebundene Fahrzeug oder dem Nutzfahrzeug, der ein Faserpaket (2) mit einer Vielzahl an länglichen Hohlfasern, die eine Membran bilden, einen Lufteinlass (3) an einem ersten Längsende des Faserpakets (2) zum Einlassen von Einlassdruckluft, einen Luftauslass (4) an einem zweiten Längsende des Faserpakets (2) zum Auslassen von Auslassdruckluft, die eine geringere Feuchte hat als die Einlassdruckluft; und einen Spülkanal (5) zum Umspülen der Hohlfasern des Faserpakets (2) mit einem Teil der aus dem Luftauslass ausgelassenen Auslassdruckluft als Spülluft aufweist, gekennzeichnet durch Anordnen eines Stellglieds (7), das eine Durchsatzrate der Spülluft im Spülkanal (5) einstellt; Erfassen einer Feuchte der Auslassdruckluft; Steuern des Stellglieds (7) auf der Grundlage der erfassten Feuchte der Auslassdruckluft.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Schritt zum Steuern des Stellglieds (7) das Stellglied (7) zusätzlich auf der Grundlage einer erfassten Temperatur der Einlassdruckluft steuert.