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Die Erfindung betrifft eine Strahlpumpe für ein Brennstoffzellensystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, umfassend wenigstens eine Strahlpumpe.
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Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs, wie beispielsweise Wasserstoff, mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Sie sind Vorrichtungen zum Wandeln chemischer Reaktionsenergie in elektrischen Strom sowie Wärme. Die Reaktion zwischen Wasserstoff und Sauerstoff erfolgt katalytisch an einer sogenannten Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), die eine polymere ionenleitfähige, und gasdichte Elektrolytmembran (PEM) und zwei Gasdiffusionsschichten, die an den beiden Seiten der Membran flächig anliegen, umfasst. Typischerweise wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl von gestapelten Membranen gebildet (im Englischen „stack“ genannt). Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch einer Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume fluidisch voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus einem Anodenraum in einen Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden der Kathode über eine elektrische Leitung zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass unter Aufnahme der Elektronen eine Reduktion von O2 zu O2- erfolgt. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen aus der Anode unter Bildung von Wasser.
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Insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen (Polymerelektrolytbrennstoffzelle bzw. im Englischen „Polymer Electrolyte Fuel Cell“, PEFC) kann der Anodenkreis überstöchiometrisch betrieben werden, sodass im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs bzw. des der Anode zugeführten Fluidgemisches erfolgt. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs rezirkuliert dieses nicht verbrauchte Fluidgemisch als Arbeitsfluid zurück in eine Mischkammer. Vor Wiederzuführung des rezirkulierten Arbeitsfluids an die jeweilige Anode der Brennstoffzelle wird dieses in der Mischkammer wieder mit frischem Betriebsfluid, dass beispielsweise in einem Brennstofftank, insbesondere einem Wasserstofftank, bereitgestellt wird, angereichert, sodass erneut ein Fluidgemisch in dem gewünschten Mischverhältnis erzeugt wird, wobei wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs vorliegt, damit die gewünschte Reaktion in der Brennstoffzelle stattfinden kann. Vor der Mischung wird aus dem rezirkulierten Arbeitsfluid das flüssige Produktwasser, üblicherweise durch einen Wasserabscheider abgeschieden. Im Anodenkreislauf wird eine passive Strahlpumpe eingesetzt, die mittels der potentiellen Energie des Wasserstoffes aus einem Brennstofftank das Anodengas rezirkuliert. Die Effizienz einer Strahlpumpe hängt stark von dessen Geometrie ab und dabei besonders von der Größe einer Treibdüse, durch die das Betriebsfluid bzw. Wasserstoff aus dem Wasserstofftank verdüst wird, und der Größe eines Mischrohres, in der ein Durchmischen des (frischen) Betriebsfluids mit dem rezirkulierten Arbeitsfluid erfolgt.
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Aus der
DE 11 2009 003 549 T5 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, dessen Anodengasversorgung und/oder dessen Kathodengasversorgung nach einem Beispiel über mindestens eine Strahlpumpe erfolgt, wobei die Strahlpumpe so ausgebildet ist, dass mit ihr unter der Bedingung, dass der verfügbare statische Speicherdruck ihrer Treibgase und/oder ihrer Treibfluide konstant bleibt, das pro Zeiteinheit angesaugte Volumen mindestens eines angesaugten Gases und/oder mindestens einer angesaugten Flüssigkeit variierbar ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Strahlpumpe dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Homogenisierung eines Betriebsfluids und eines anodenausgangsseitigen Arbeitsfluids verbessert wird, bevor das so erzeugte Fluidgemisch der Brennstoffzelle zugeführt wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Strahlpumpe für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Strahlpumpe für ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Treibdüse zum Einbringen eines Betriebsfluids in eine Mischkammer, um ein Fluidgemisch durch Mischen des Betriebsfluids mit einem rezirkulierten Arbeitsfluid zu erzeugen, wobei die Strahlpumpe ferner ein Mischrohr sowie am Mischrohr angeordnete Mittel zur Drallerzeugung im Fluidgemisch umfasst. Das Mischrohr ist eingangsseitig zumindest mit der Treibdüse und dem Anodenausgang der Brennstoffzelle sowie ausgangsseitig zumindest mit dem Anodeneingang fluidisch verbunden. Mithin ist die Mischkammer insbesondere dazu eingerichtet, fluidisch mit dem Anodenausgang der Brennstoffzelle verbunden zu sein, von wo das Arbeitsfluid der Mischkammer zugeführt wird. Somit wird ein Anodenkreislauf gebildet, der ausgehend von der Mischkammer ein Fluidgemisch, insbesondere ein wasserstoffhaltiges Gemisch, über das Mischrohr zur Anode der Brennstoffzelle führt, wobei ausgehend von der Anode ein Rückfluss eingerichtet ist, über den das verbleibende Fluidgemisch, das aufgrund der überstöchiometrischen Versorgung in der Anode nicht chemisch reagiert ist, zurück in die Mischkammer gefördert wird.
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Unter einem Mittel zur Drallerzeugung im Fluidgemisch ist eine geometrische Ausgestaltung des Mischrohres und/oder wenigstens ein separates Bauteil der Strahlpumpe, die bzw. das einen Drall in den miteinander zu vermischenden Fluiden erzeugt, zu verstehen. Mittels des erzeugten Dralls wird eine Homogenisierung zwischen dem aus der Treibdüse kommenden Treibstrahl des Betriebsfluids und dem rezirkulierten Saugstrahl des Arbeitsfluids verbessert. Der Drall führt zur Bildung einer freien Scherschicht zwischen den Fluiden mit anfänglich höherem axialen Geschwindigkeitsunterschied sowie einer längeren Verweilzeit beider Fluidströme aneinander. Die damit einhergehende höhere Produktion turbulenter kinetischer Energie in der Scherschicht zwischen dem Betriebsfluid und dem Arbeitsfluid begünstigt bei turbulenten Strömungsregimes den Austausch von Fluidpaketen über die Scherschicht hinweg. Anders gesagt erfolgt durch Erzeugung eines Dralls innerhalb der Fluidströme ein turbulentes Vermischen des Betriebsfluids mit dem Arbeitsfluid. Insbesondere wird eine Durchmischung der beiden Strahle beschleunigt.
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Vorzugsweise ist an der Mischkammer eine Ansaugöffnung ausgebildet, die zum Einsaugen des Arbeitsfluids von einer Anode eingerichtet ist, wobei das Einsaugen des Arbeitsfluids mittels Erzeugung eines Ansaugunterdrucks durch Einbringen des Betriebsfluids von der Treibdüse in die Mischkammer erfolgt. Über die Ansaugöffnung wird der Rückfluss von der Anode in die Mischkammer realisiert. Durch die Verdüsung des Betriebsfluids entsteht ein Unterdruck in der Mischkammer, welcher eine Ansaugleistung zum Ansaugen des Arbeitsfluids von der Anode in die Mischkammer erzeugt. Als Energiequelle für die zu verrichtende Arbeit am rezirkulierenden Arbeitsfluid nutzt die Strahlpumpe somit den Druck der Betriebsfluidzuführung aus. Die Ansaugleistung der Strahlpumpe wird maßgeblich durch die Effizienz des Impulsaustausches des Treibstrahls des Betriebsfluids auf den Saugstrahl des Arbeitsfluids definiert. Vorteilhaft ist, dass das zugeführte Betriebsfluid und das rezirkulierende Arbeitsfluid bis zum Austritt aus der Strahlpumpe, insbesondere aus dem Mischrohr, durch die Drallerzeugung begünstigt vergleichsweise homogen vermischen. Dieses homogenisierte Fluidgemisch wird sodann dem Stack zugeführt. Unter einer Homogenisierung ist sowohl eine Homogenisierung der Zusammensetzung zwischen dem Betriebsfluid und dem Arbeitsfluid zur Erzeugung des der Anode zugeführten Fluidgemisches sowie eine Homogenisierung des Impulses zu verstehen, also insbesondere eine Geschwindigkeits- und Druckangleichung der Fluidströme. Durch die Drallerzeugung im Fluidgemisch wird zudem die Ansaugleistung der Strahlpumpe verbessert.
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Bevorzugt weist das Mischrohr wenigstens einen im Wesentlichen konischen Einlassbereich für das Fluidgemisch und einen damit fluidisch verbundenen und im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereich auf. Der konische Einlassbereich des Mischrohrs weist einen sich in Längsrichtung bzw. in Fließrichtung des Fluidgemisches konisch verjüngenden Querschnitt auf und geht in den im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereich über. Mithin ist der Einlassbereich trichterförmig ausgebildet. Dabei entspricht der kleinste Durchmesser des Einlassbereichs dem Durchmesser des im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereichs, wobei der Einlassbereich und der im Wesentlichen zylindrische Mischrohrbereich im Wesentlichen koaxial angeordnet sind. Der Einlassbereich ist mit der Mischkammer fluidisch verbunden oder bildet die Mischkammer wenigstens teilweise auf. Der Einlassbereich weist vorzugsweise einen wesentlichen Teil der Mischkammer auf und ist daher dazu eingerichtet, ein Durchmischen bzw. Zusammenführen des Betriebsfluids mit dem Arbeitsfluid zu realisieren, oder zumindest zu begünstigen.
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Nach einem Ausführungsbeispiel ist das Mittel zur Drallerzeugung im Fluidgemisch eine spiralförmige Struktur am Einlassbereich. Mit anderen Worten weist der Einlassbereich an dessen Innenumfangsfläche eine in der Querschnittsansicht spiralförmige bzw. wendelförmige bzw. schraubenlinienförmige Vertiefung oder Ausnehmung auf.
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Die spiralförmige Struktur kann sich über die gesamte axiale Länge oder über einen Teil der axialen Länge gewendelt an der Innenmantelfläche des Einlassbereichs des Mischrohres erstrecken. Ferner ist denkbar, je nach Anforderung an die Drallwirkung die spiralförmige Struktur eingängig oder mehrgängig auszubilden. Die Spiralform der Struktur ist an die Trichterform des Einlassbereichs angepasst, d.h. der Durchmesser der Spirale nimmt in Axialrichtung treibdüsenseitig vom Beginn des Mischrohrs zum im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereich hin ab. Die Spirale liegt somit in Form einer Schraubenlinie innerhalb des Einlassbereichs vor, deren Durchmesser vom Eingang des Mischrohres zum im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereichs im Wesentlichen konstant kleiner wird.
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Der im Wesentlichen zylindrische Mischrohrbereich ist als Beruhigungszone für das in der Mischkammer zusammengeführte Fluidgemisch zu verstehen, bei der die genannte Vermischung bzw. Homogenisierung des Fluidgemisches erfolgt. Vorzugsweise weist der Mischrohrbereich über dessen gesamte axiale Länge einen im Wesentlichen konstanten Durchmesser auf. Im Mischrohrbereich können weitere Mittel angeordnet sein, die eine Homogenisierung des Fluidgemisches begünstigen.
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Ferner bevorzugt weist das Mischrohr einen Diffusorbereich auf. Der Diffusorbereich ist in Fließrichtung des Fluidgemisches dem im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereich nachgelagert angeordnet. Der Diffusorbereich ist im Wesentlichen konisch ausgebildet, wobei sich der Durchmesser des Diffusorbereichs ausgehend vom Durchmesser des im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereichs in Fließrichtung des Fluidgemisches vergrößert. Der Durchmesser des Diffusorbereichs vergrößert sich bevorzugt im Wesentlichen konstant. Im Diffusorbereich erfolgt eine Abnahme der Fließgeschwindigkeit des Fluidgemisches bei gleichzeitiger Zunahme des Fluiddrucks.
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Vorzugsweise sind die Bereiche des Mischrohres, nämlich der Einlassbereich, der im Wesentlichen zylindrische Mischrohrbereich sowie der Diffusorbereich, in Fließrichtung des Fluidgemisches axial hintereinander angeordnet. Vorzugsweise bilden diese Bereiche ein einteiliges Mischrohr aus. In diesem Fall besteht das Mischrohr aus einem einzigen Material, beispielsweise einem Kunststoff oder einem Metall, insbesondere Blech. Alternativ kann das Mischrohr auch mehrteilig ausgebildet sein, wobei die genannten Bereiche des Mischrohres miteinander verbunden sind. Somit ist das Mischrohr modular ausbildbar. Vorteilhaft dabei ist, dass das Mischrohr aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein kann, die vorteilhaft für die Durchmischung und Homogenisierung der Fluide und/oder zur Verbesserung der Fließeigenschaften des Fluidgemisches sein können.
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Alternativ oder ergänzend umfasst das Mittel zur Drallerzeugung im Fluidgemisch wenigstens eine Leitschaufel. Die jeweilige Leitschaufel ist ein Drallerzeuger, die allein oder ergänzend ein Verdrallen des Betriebsfluids und/oder des Arbeitsfluids realisiert. Die jeweilige Leitschaufel erstreckt sich im Wesentlichen in radialer Richtung und kann in sich, das heißt um dessen Längsachse, verdreht ausgebildet sein. Durch die jeweilige Leitschaufel erfolgt eine Drallerzeugung, die eine Änderung der Strömungseigenschaften des jeweiligen Fluidstroms bewirkt und dadurch eine Homogenisierung des Fluidstroms verbessert, insbesondere beschleunigt. Die jeweilige Leitschaufel kann einteilig mit dem Mischrohr verbunden sein. Alternativ kann die jeweilige Leitschaufel als separates Bauteil eine modulare Baugruppe mit dem Mischrohr bilden. Ferner alternativ kann die jeweilige Leitschaufel an der Treibdüse befestigt sein.
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Vorzugsweise sind mehrere Leitschaufeln vorgesehen, die um eine Längsachse des Mischrohres herum angeordnet sind. Als vorteilhaft erweist sich eine propellerförmige Anordnung der Leitschaufeln, bei der die Leitschaufeln gleichmäßig verteilt um eine Längsachse des Mischrohres vollumfänglich angeordnet sind. Anders gesagt sind die Leitschaufeln gleichmäßig verteilt in der Mischkammer angeordnet und dienen dadurch als Drallerzeuger für das Fluidgemisch.
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Nach einem Ausführungsbeispiel sind die Leitschaufeln in der Mischkammer angeordnet. Anders gesagt sind die Leitschaufeln, die zu einem gemeinsamen Drallerzeuger zusammengefasst sind, dem Mischrohr fluidisch vorgeschaltet, wobei das Verdrallen der in der Mischkammer zusammengeführten Fluidströme aus Betriebs- und Arbeitsfluid erfolgt, bevor das Fluidgemisch dem Mischrohr zugeführt wird, wo eine Beruhigung des Fluidstroms erfolgt. Wie zuvor beschrieben kann im Einlassbereich eine zusätzliche Drallerzeugung des Fluidgemisches durch eine entsprechende spiralförmige Struktur an der Innenumfangsfläche des Einlassbereichs erfolgen. Alternativ können ausschließlich Leitschaufeln zur Drallerzeugung im Fluidgemisch genutzt werden. Der Drallerzeuger kann ein separates Bauteil sein, dass am Einlassbereich des Mischrohres befestigt oder integrierbar ist.
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Alternativ oder ergänzend sind die Leitschaufeln zwischen dem Einlassbereich und dem im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereich und/oder zwischen dem Mischrohrbereich und dem Diffusorbereich angeordnet. Mithin kann der Drallerzeuger prinzipiell an jedem beliebigen Punkt innerhalb des Mischrohres angeordnet werden. Dies kann alternativ oder ergänzend zwischen dem Einlassbereich und dem im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereich erfolgen. Außerdem kann das Mittel zur Drallerzeugung zwischen dem Mischrohrbereich und dem Diffusorbereich angeordnet sein. Ferner ist denkbar, eine oder mehrere Leitschaufeln innerhalb des Einlassbereichs und/oder innerhalb des Mischrohrbereichs und/oder innerhalb des Diffusorbereichs zu integrieren.
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Wenigstens eine Strahlpumpe gemäß der zuvor beschriebenen Art ist in einem Brennstoffzellensystem einsetzbar. Das Fluidgemisch, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, besteht zum Teil aus dem Betriebsfluid, das von einem Fluidtank, insbesondere einem Wasserstofftank, bereitgestellt wird, und zum Teil aus dem überschüssigen, nicht verbrauchten Fluidgemisch, das als Arbeitsfluid von der Anode in die Mischkammer zurückgeführt wird. Der Volumenstrom des Betriebsfluids wird derart gesteuert, dass in der Mischkammer anhand des rezirkulierenden Arbeitsfluids ein überstöchiometrisches Fluidgemisch für die erforderliche Reaktion in der Brennstoffzelle erzeugbar ist. Im Übrigen wird für das Brennstoffzellensystem auf die vorherigen Ausführungen zur Strahlpumpe verwiesen.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung von zwei Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen
- 1 eine vereinfachte schematische Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Strahlpumpe gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Strahlpumpe gemäß 1 ohne Mischkammer,
- 3 eine schematische Perspektivansicht eines Einlassbereichs der erfindungsgemäßen Strahlpumpe gemäß 1 und 2,
- 4 eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Strahlpumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 5 eine schematische Längsschnittdarstellung der erfindungsgemäßen Strahlpumpe gemäß 4 ohne Mischkammer, und
- 6 eine schematische Perspektivansicht einer Treibdüse der erfindungsgemäßen Strahlpumpe gemäß 4 mit einem Drallerzeuger.
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Gemäß 1 und 4 ist jeweils eine Strahlpumpe 1 für ein - hier nicht gezeigtes - Brennstoffzellensystem exemplarisch dargestellt. Die Strahlpumpe 1 umfasst eine Treibdüse 2 und ein Mischrohr 4, wobei die Treibdüse 2 zum Einbringen eines - hier nicht gezeigten - Betriebsfluids als Brennstoff in eine Mischkammer 3 ausgebildet ist. Die Mischkammer 3 ist hier lediglich exemplarisch dargestellt und nicht auf die gezeigte Ausbildung beschränkt. Vielmehr ist die Mischkammer 3 an die Strömungsanforderungen eines darin erzeugten Fluidgemisches angepasst. Die Mischkammer 3 weist eine Ansaugöffnung 6 auf, mit der die Mischkammer 3 fluidisch mit - nicht dargestellten - Anode eines Brennstoffzellenstapels verbindet, wobei durch die Ansaugöffnung 6 ein - hier ebenfalls nicht gezeigtes - Arbeitsfluid in die Mischkammer 3 eintreten kann. Die Treibdüse 2 ist derart ausgebildet, dass sie durch Einbringen des Betriebsfluids in die Mischkammer 3 einen Unterdruck bzw. einen Ansaugdruck in der Mischkammer 3 erzeugt, sodass das Arbeitsfluid durch die Ansaugöffnung 6 in die Mischkammer 3 und von dort gemeinsam mit dem Betriebsfluid als Fluidgemisch in das Mischrohr 4 gefördert wird. Sowohl das Betriebsfluid als auch das Arbeitsfluid und das Fluidgemisch sind vorwiegend Wasserstoff.
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Über das Mischrohr 4 wird das Fluidgemisch zur Anode gefördert, wo der Wasserstoff mit zu einer - hier nicht gezeigten - Kathode geförderten Sauerstoff reagiert. Das Fluidgemisch dient somit als Brennstoff für die Brennstoffzelle. Die Versorgung der Anode mit dem Fluidgemisch erfolgt überstöchiometrisch, wobei in dem Brennstoffzellenstapel, der die Anode und die davon fluidisch über eine Membran getrennte Kathode umfasst, keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs bzw. des Fluidgemisches erfolgt. Der verbleibende Rest dieses Fluidgemisches wird als Arbeitsfluid bezeichnet, der über die Ansaugöffnung 6 zurück in die Mischkammer 3 rezirkuliert, um dort durch erneute Vermischung mit dem über die Treibdüse 2 zugefügten Betriebsfluid eine erneute überstöchiometrische Versorgung der Anode zu realisieren. Dies erhöht den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems maßgeblich.
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In der Mischkammer 3 werden das Betriebsfluid aus der Treibdüse 2 und das Arbeitsfluid gemischt und dem Mischrohr 4 zugeführt. Um einen Drall in diesem Fluidgemisch zu erzeugen, ist am Mischrohr 4 ein Mittel 5 zur Drallerzeugung im Fluidgemisch angeordnet. Dieses Mittel 5 realisiert eine verbesserte, insbesondere schnellere, Durchmischung und Homogenisierung des Fluidgemisches.
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In dem ersten Ausführungsbeispiel, wie in 2 näher dargestellt, weist das Mischrohr 4 einen konischen Einlassbereich 8, einen davon damit in Fließrichtung nachgelagerten zylindrischen Mischrohrbereich 9 sowie einen in Fließrichtung abwärts vom Mischrohrbereich 9 angeordneten Diffusorbereich 10 auf. Vorliegend ist das Mischrohr 4 mit den unterschiedlichen Bereichen 8, 9, 10 einteilig aus einem Kunststoff ausgebildet, wobei die Bereiche koaxial zueinander auf einer Längsachse 7 angeordnet sind, um eine gleichmäßige Strömung des Fluidgemisches zu gewährleisten. Eine modulare Bauweise des Mischrohres 4 ist ebenfalls denkbar, wobei dann der Einlassbereich 8, der Mischrohrbereich 9 und/oder der Diffusorbereich 10 als separate Bauteile ausführbar und zur gewünschten Funktionsweise abdichtend miteinander verbindbar sind.
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Es hat sich gezeigt, dass ein als spiralförmige Struktur 11 an einer Innenumfangsfläche des Einlassbereichs 8 ausgebildetes Mittel 5 zur Drallerzeugung eine vorteilhafte Drallwirkung im Fluidgemisch realisiert, mit der eine Durchmischung und Homogenisierung des Fluidgemisches erreicht wird. Die Struktur 11 erstreckt sich wendel- bzw. gewindeförmig im Einlassbereich 8 vom Eingang des Mischrohrs 4 bis zum zylindrischen Mischrohrbereich 9, wobei der Durchmesser der Struktur 11 vom Eingang des Mischrohrs 4 bis zum zylindrischen Mischrohrbereich 9 aufgrund der konischen Struktur des Einlassbereichs 8 im Wesentlichen konstant abnimmt. Die spiralförmige Struktur 11 ist in 3 deutlich zu sehen, wobei die spiralförmige Struktur 11 im Querschnitt vorliegend als teilkreisförmige Ausnehmung ausgebildet ist. Auch eine eckige Form der Ausnehmung ist prinzipiell denkbar. Die Form der spiralförmigen Struktur 11 ist abhängig von der erforderlichen Drallwirkung, die mittels dieses Mittels 5 realisiert werden soll. Vorliegend ist die Struktur 11 eingängig ausgeführt. Eine mehrgängige Ausbildung ist ebenfalls denkbar. Der Steigungswinkel der spiralförmigen Struktur 11 kann ebenfalls an die geforderte Drallwirkung angepasst werden.
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Die Strahlpumpe 1 gemäß der zweiten Ausführungsform nach den 4 bis 6 ist im Wesentlichen identisch zur ersten Ausführungsform ausgebildet. Der wesentliche Unterschied besteht in der Ausbildung des Mittels 5 zur Drallerzeugung im Fluidgemisch. Dies ist vorliegend als separater Drallerzeuger 13 ausgebildet, umfassend mehrere Leitschaufeln 12, die um eine Längsachse 7 des Mischrohres 4 herum, gleichmäßig verteilt radial innerhalb eines Rings 14 angeordnet sind. Der Drallerzeuger 13 ist dem Mischrohr 4 fluidisch vorgeschaltet und kommt über den Ring 14 am Einlassbereich 8 des Mischrohres 4 zur Anlage. Der Drallerzeuger 13 ist gemäß 6 an der Treibdüse 2 befestigt, wobei die Leitschaufeln an einer Außenumfangsfläche 15 der Treibdüse angeformt sind. Alternativ kann der Drallerzeuger 13 auf direkt am Mischrohr 4 befestigt sein. Mithin sind die Leitschaufeln 12 in der Mischkammer 3 angeordnet und realisieren ein Verdrallen der Fluidströme, insbesondere des Arbeitsfluids. Die Leitschaufeln 12 sind um ihre jeweilige Längsachse, die sich bezogen auf die Längsachse 7 des Mischrohres 4 nach radial außen erstrecken, verdreht ausgebildet, um die Drallwirkung im Fluidgemisch zusätzlich zu beeinflussen. Die Leitschaufeln 12 sind identisch ausgebildet, um eine gleichmäßige Drallwirkung zu realisieren. Prinzipiell können die Leitschaufeln 12 jedoch an beliebige Gegebenheiten angepasst und entsprechend ausgeformt werden. Alternativ oder ergänzend können eine oder mehrere weitere Leitschaufeln 12 zwischen dem Einlassbereich 8 und dem im Wesentlichen zylindrischen Mischrohrbereich 9 und/oder zwischen dem Mischrohrbereich 9 und dem Diffusorbereich 10 angeordnet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strahlpumpe
- 2
- Treibdüse
- 3
- Mischkammer
- 4
- Mischrohr
- 5
- Mittel zur Drallerzeugung in einem Fluidgemisch
- 6
- Ansaugöffnung
- 7
- Längsachse des Mischrohres
- 8
- Einlassbereich
- 9
- Mischrohrbereich
- 10
- Diffusorbereich
- 11
- Spiralförmige Struktur
- 12
- Leitschaufel
- 13
- Drallerzeuger
- 14
- Ring
- 15
- Außenumfangsfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 112009003549 T5 [0004]
