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Die Erfindung betrifft einen Wasserabscheider
für Klimaanlagen,
insbesondere einen Wasserabscheider für Flugzeugklimaanlagen.
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Bei der Kondifionierung von Luft
in einer Klimaanlage entsteht freies Wasser, das möglichst quantitativ
aus dem Luftstrom entfernt werden muß. Dabei werden Wasserabscheider
unterschiedlichster Bauart eingesetzt. Bei einer großen Anzahl
von ausgeführten
Flugzeugklimaanlagen kommen sogenannte Drallwasserabscheider zum
Einsatz. Diese Abscheider haben eine längliche, röhrenartige Bauform. Stromabwärts der
Eintrittsöffnung
wird mittels eines Wirbelgenerators die feuchte beladene Luft in eine
Drallbewegung versetzt und die Tröpfchen werden durch die Zentrifugalbeschleunigung
an die Innenwand des Wasserabscheiders transportiert. Weiter stromabwärts werden
diese Wassertröpfchen über einen
in die Abscheidekammer hineinreichenden ringförmigen Spalt abgeschieden.
Zwar kann mit derartigen Wasserabscheidern ein hoher Trenngrad bei
großen
Wassertröpfchen
erreicht werden. Der Trenngrad bei sehr kleinen spray- bzw. nebelartigen Tröpfchen ist
jedoch deutlich schlechter. Darüber
hinaus bietet der Drallwasserabscheider bezüglich der Installation und
Integration im Kühlaggregat
Nachteile aufgrund der benö tigten
Baulänge,
die dadurch bedingt ist, daß zwischen
dem Wirbelgenerator und dem Ringspalt, der in die Abscheidekammer
hineinreicht, mindestens eine dem Betrag des Außendurchmessers entsprechende
Länge bereit
zu stellen ist, um hohe Trenngrade zu erreichen. Durch die hohen
Strömungsgeschwindigkeiten
von 15 bis 20 m/s im Wasserabscheider kann es darüber hinaus
zum Mitreißen
von bereits an der Innenwandung des Wasserabscheidergehäuses angelagerten
Tröpfchen
kommen. Spray- und nebelartige Tröpfchen können aufgrund der kurzen Wegstrecke
zwischen Wirbelgenerator und Abscheidekammereintritt (Ringspalt)
und der daraus resultierenden kurzen Wirkzeit der Zentrifugalkraft
nicht abgeschieden werden. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten
Wasserabscheiders liegt in der Sensitivität des Trenngrades bezüglich der
realen Einbaulage des Abscheiders für die verschiedenen Flugphasen
wie beispielsweise den Steig- oder Sinkflug.
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In der WO 02/09846 A2 ist der zuvor
genannte Wasserabscheider dadurch verbessert, daß seine Baulänge durch
eine zweistufige Abscheidung verkürzt werden kann. Hier sind
zwei Abscheidekammern hintereinander positioniert, so daß die Gefahr des
Mitreißens
bereits an der Innenwandung angelagerter Tröpfchen verringert wird. Diese
werden nämlich
unmittelbar nach der Anlagerung an der Wand in der ersten Stufe
bereits abgeschieden. Allerdings liegen bei dieser Lösung die
Eintritts- bzw. Austrittsöffnung
gerätebedingt
weit auseinander, so daß die
Anforderungen an eine zunehmend flexiblere Konfiguration der Komponenten
des Flugzeugkühlaggregates
nicht erfüllt
werden können.
Eine wesentliche Verbesserung des Trenngrades für nebelförmige Tröpfchen kann mit diesem Abscheiden
ebenfalls nicht erreicht werden. Außerdem zeigt die Ausführung keine wesentliche
Verbesserung des erreichbaren Trenngrades im Vergleich mit der bereits
zuvor beschriebenen Ausführungsvariante.
Bei Verwendung dieses bekannten Wasserabscheiders muß ein vergleichsweise
hoher Druckverlust in Kauf genommen werden.
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Das in bekannten Wasserabscheidern
angewandte Drallabscheiderprinzip bietet den Nachteil, daß die zu
erreichenden Trenngrade bei höheren Drücken in
der Abscheidekammer negativ beeinflußt werden können. Einen Drallabscheider
mit Maßnahmen
zur Reduzierung des Abscheidekammerdruckes zeigt die
DE 370 33 58 C2 Bei dieser
Ausführung
ist – wie
bei den herkömmlichen
Drallabscheidern – die Abscheidekammer
mittels eines Einlaßabschnittes mit
dem Hauptluftstrom verbunden. Darüber hinaus wird die durch die
Abscheidekammer strömende, feuchtigkeitsfreie
Luft über
einen Auslaßabschnitt (Ejektor)
dem Hauptluftstrom stromabwärts
der Abscheidekammer wieder zugeführt.
Dies führt
zur Verringerung des Abscheiderkammerdruckes und des Leckageluftanteils.
Durch die labyrinthartige Gestaltung der Stromführung durch die Abscheidekammer wird
die Strömung
verzögert
und mehrfach umgelenkt, was das Ausfällen von Wassertröpfchen begünstigt.
Es handelt sich hierbei um ein kombiniertes Prinzip von Drall- und
Prallabscheider. Nachteilig bei dieser Lösung ist die komplexe Geometrie
der Abscheidekammer. Sowohl die sehr große Baulänge des Abscheiders wie auch
der große
Durchmesser der Abscheidekammer erschweren die Integration in das
Kühlaggregat
einer Flugzeugklimaanlage. Zum anderen ist die Flexibilität der Komponentenkonfiguration
im Kühlaggregat
wesentlich durch diese geometrische Restriktion des Wasserabscheiders
eingeschränkt.
Auch hinsichtlich des Druckverlustes führt dieser Abscheiden zu keiner
wesentlichen Verbesserung im Vergleich zu herkömmlichen Drallabscheidern.
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Aus der
US 5,800,582 A ist eine kompaktere Ausführung eines
Wasserabscheiders für
Flugzeugklimaanlagen bekannt. Die dort vorgeschlagene Ausführung beinhaltet
einen Prallabscheider, bei dem der in einem außerzentrisch angeordneten Einlaßrohr zuströmende, feuchtebeladene
Frischluftstrom gegen eine halbkugelförmige Prallvorrichtung befördert wird.
Durch die Massenträgheitskräfte werden die
Wassertröpfchen
in Richtung der Randbegrenzungskanten dieser Prallvorrichtung transportiert. Dort
werden die Tröpfchen
mit Hilfe einer umlaufenden Fangrinne vom feuchtebeladenen Frischluftstrom
abgetrennt. Der feuchtigkeitsfreie Luftstrom wird über einen
Luftdurchgang in Richtung der Auslaßöffnung transportiert. Allerdings
muß aufgrund
der starken Umlenkung des feuchtebeladenen Frischluftstroms zur
Erreichung hoher Trenngrade ein hoher Druckverlust in Kauf genommen
werden. Ein Mitreißen
von Wassertröpfchen
mit dem Hauptluftstrom kann trotz der starken Strömungsumlenkung
nicht vollständig
vermieden werden.
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Schließlich ist eine gattungsgemäße Ausführung eines
Wasserabscheiders aus der
US 4,678,588 bekannt.
Das dort verwirklichte Prinzip basiert auf einem Zentrifugalabscheider,
der über
eine spiralförmige
Luftstromführung
verfügt.
Die Einlaß- und
Auslaßöffnungen
sind an den der Luftstromführung
gegenüberliegenden
Enden positioniert, wobei die Zu- und Abströmung in tangentialer Richtung
erfolgt. Am Umfang der spiralförmigen
Luftstromführung
sind zwischen der oberen und unteren Wand der Begrenzungsflächen der
Luftstromführung
Scheröffnungen
angeordnet, über
die das Fluid mit der höheren
Dichte abgeschieden wird, wobei auch Leckageluft enthalten ist.
Das System weist eine konstante Strömungsgeschwindigkeit in der
spiralförmigen
Luftstromführung
auf. Allerdings geht bei dieser Ausführung mit dem abgeschiedenen
Wasser ein Teil des Luftmassenstroms als Leckageluft dem Prozeß verloren.
Für die
Anwendung mehrerer Scheröffnungen kann
die abgetrennte Phase, beispielsweise Wassertröpfchen, mit der vorgestellten
Ausführung
nicht kollektiv gesammelt werden, da keine gemeinsame Abscheidekammer
vorgesehen wurde. Für
den Einsatz in Flugzeugklimaanlagen kann die hier geschützte Ausführung deshalb
nicht effektiv eingesetzt werden, da die zu erwartende Leckagemenge über den
tolerierbaren Werten von Flugzeugklimaanlagen liegt und eine zentrale
Sammlung der abgeschiedenen Wassertröpfchen nicht möglich ist.
Darüber
hinaus bietet der vorgeschlagene Abscheiden aufgrund des konstanten
Querschnitts der spiralförmigen
Luftströmungskanäle keine
Möglichkeit
zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es daher, einen gattungsgemäßen Wasserabscheider derart
weiter zu bilden, daß er
unter Erreichen eines hohen Trenngrads auch für feine Wassertröpfchen kompakt
baut und insbesondere für
den Einsatz in Flugzeugklimaanlagen geeignet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen
Wasserabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgehend
von dem gattungsgemäßen Wasserabscheider,
der einen spiralförmigen Luftstromführungskanal
aufweist, der in einem diesem umgebenden Gehäuse eingebettet ist, wobei tangential
an das Gehäuse
Lufteinlaß-
bzw. auslaßöffnungen
angesetzt sind, wird nun erfindungsgemäß um das Gehäuse herum
eine Abscheidekammer zum Sammeln des an der Gehäuseinnenwandung abgeschiedenen
Wassers angeordnet, die in einen Abscheidesumpf mündet, wobei
im Gehäuse
zur Abscheidekammer hin mindestens eine Öffnung vorgesehen ist. Somit
kann das an der Gehäuseinnenwandung
abgeschiedene Wasser durch die entsprechend vorgesehene Öffnung bzw.
die näheren
vorgesehenen Öffnungen
in die das Gehäuse
umgebende Abscheidekammer fließen
und sich im Abscheidesumpf, der an die Abscheidekammer in Richtung der
Schwerkraft anschließt
abdrainieren. Durch diese Bauform ist es sichergestellt, daß die an
der Gehäuseinnenwandung
abgeschiedenen und in die Abscheidekammer abgeflossenen Wasseranteile
nicht mehr von der den Luftstromführungskanal durchströmenden Luft
mitgerissen werden können.
In besonders vorteilhafter Art und Weise baut dieser Wasserabscheider
sehr kompakt, so daß er
in Flugzeugklimaanlagen ideal integriert werden kann. Bevorzugte Ausgestaltungen
des erfindungsgemäßen Wasserabscheiders
ergeben sich aus den sich an den Hauptanspruch anschließenden Unteransprüchen. Demnach
weisen die Luftstromführungskanäle gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einen sich über ihre
Länge verändernden
Querschnitt auf. Dabei können
die Stromführungskanäle divergent,
konvergent oder hintereinander abwechselnd divergent-konvergent
oder konvergent-divergent ausgebildet sein. Hierdurch ist eine hohe
Flexibilität bezüglich der
Auslegung auf bestimmte Betriebsbedingungen möglich.
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Vorteilhaft können die die spiralförmigen Luftstromführungskanäle bildenden
Wendel unterbrochen sein und so mehrere Umlenkstufen bilden. Dabei
kann ein Koagulator einer Umlenkstufe vorgeschaltet werden, der
zum Wachstum vorhandener nebel- bzw. sprayförmigen Tröpfchen beiträgt und deren
Trennungsgrad deutlich verbessert.
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Vorteilhaft kann das Ende mindestens
einer stromaufwärts
liegenden Umlenkstufe den Anfang der stromabwärts nachfolgend angeordneten
Umlenkstufe überlappen.
Hierdurch wird ein Teil der Primärluftströmung beim
Eintritt in die stromabwärts
liegende Umlenkstufe wieder in die stromaufwärts liegende Umlenkstufe geleitet,
so daß sich
eine Rezirkulationsströmung
zwischen zwei aufeinander folgenden Stufen ausbildet. Dadurch verlängert sich
für einen
Teil der Primärströmung die
Verweilzeit im Zentrifugalabscheider. Dies hat einen positiven Einfluß auf die
zu erzielenden Trenngrade und begünstigt eine kompaktere Ausführung des
Zentrifugalabscheiders.
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Die die Luftstromführungskanäle bildenden Wendel
können
um ein zentrales Rohr herum angeordnet sein. Hier mündet eine
Eintrittsöffnung
des Rohres oberhalb des Abscheidesumpfes und zusätzlich sind in der Rohrwandung
mindestens eine Öffnung,
vorteilhafter sind es mehrere Öffnungen,
angeordnet. Über
diese Eintrittsöffnung
kann die trockene Sekundärströmung, die
durch eine oder mehrere Öffnungen
am inneren Umfang des Luftstromführungsapparates
dem Primärstrom
wieder zugeführt
wird, aus dem Abscheidesumpf wieder herausgeleitet werden, so daß sich der
Druck im Abscheidesumpf reduziert. Hierdurch wird die Tröpfchenbewegung
von der Abscheidekammer in Richtung Abscheidesumpf begünstigt sowie
der Leckageluftanteil des Abscheiders minimiert.
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An der Eintrittsöffnung des Rohres befinden sich
vorteilhaft Vorrichtungen, die ein Mitreißen von bereits abgeschiedenen
Tröpfchen
verhindern, beispielsweise Labyrinth-Trägheitsabscheider oder Prallabscheider.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
ergeben sich aus der sich anhand der Zeichnung beispielhaft dargestellten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Es zeigen:
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1:
eine perspektivische Gesamtansicht einer Ausführungsvariante der vorliegenden
Erfindung von außen;
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2:
den Abscheiden gemäß 1 in teilweise aufgeschnittener
Darstellung,
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3:
eine Detaildarstellung gemäß 2 zur Verdeutlichung der
Luftströmung,
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4:
eine ähnliche
Darstellung gemäß 2, jedoch eine andere Ausführungsvariante
betreffend und
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5:
wiederum eine weitere Ausgestaltung in einer Darstellungsweise,
die derjenigen der 2 entspricht.
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Ein Wasserabscheider 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist prinzipiell in 1 gezeigt.
Der als Zentrifugalabscheider ausgebildete Wasserabscheider 10 weist
einen Deckel 12 einer Außenwandung 14 und
gegenüberliegend
zu dem Deckel 12 einen Boden mit tiefem Sumpf 16,
in dem eine Drainagebohrung mit anschließendem Drainagerohr 18 angeordnet
ist, auf. Eine Einlaßöffnung 20 und
eine Auslaßöffnung 22 sind
in tangentialer Richtung an der jeweils gegenüberliegenden Seite des spiralförmig ausgebildeten
Luftstromführungskanal 24 (vgl. 2) angeordnet. Die Position
der Einlaßöffnung 20 kann,
wie in 1 gezeigt am
oberen – oder
alternativ am unteren Gehäuseabschnitt
angeordnet sein, d.h. die Luftstromführung kann in fallender Richtung wie
auch in steigender Richtung erfolgen.
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Wie in der Schnittdarstellung gemäß 2 gezeigt, verfügt der Wasserabscheider 10 über einen oder
mehrere gestufte, spiralförmig
angeordnete Luftstromführungskanäle 24,
die an ihrem äußeren Rand über einen
oder mehrere stromabwärts
hintereinander angeordnete Schlitze 26 zum Abscheiden an
der inneren Oberfläche
des die Luftstromführungskanäle seitlich
begrenzenden Gehäuses 28 angelagerter
Wassertröpfchen
verfügen,
wobei sich die Schlitze 26 in ihrer Länge über die gesamte Höhe eines
Luftstromführungskanalabschnitts 24 erstrecken und
in die um das Gehäuse 28 herum
angeordnete Abscheidekammer 30 erstrecken. Diese Abscheidekammer
ist im Bereich des zylindrischen Gehäuseteils 28 als Doppelwand
ausgebildet und im Bodenbereich schließt sich der Boden mit dem Abscheidesumpf 32 an.
In dem Abscheidesumpf 32 wird das vom Primärluftstrom
abgetrennte Wasser akkumuliert, wobei der Abscheidesumpf von der
Abscheidekammer 30 durch eine Trennvorrichtung 34,
die im vorliegenden als Lochblech ausgebildet ist räumlich teilweise
getrennt ist. Durch dieses Lochblech werden die abgeschiedenen Wassertröpfchen aufgrund der
Schwerkraft und des Druckgefälles
zwischen der Abscheidekammer und des Umgebungsdruckes von der Abscheidekammer
in den Abscheidesumpf transportiert. Der sich ausbildende Flüssigkeitsspiegel
im Sumpf wird vom Druck in der Abscheidekammer 30 beaufschlagt.
Die Luftstromführungskanäle 24 werden
durch spiralförmig
verlaufende Bleche, die um ein Rohr 36 herum angeordnet
sind, gebildet. Mit 38 ist in 2 die Primärströmung in den Luftstromführungskanälen 24 gezeigt.
Mit 40 ist dagegen die Bewegungsrichtung der abgeschiedenen
Wasserpartikel bezeichnet.
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Da über die am Umfang der Luftstromführungskanäle 24 angeordneten
Schlitze 26 nicht nur die Wassertröpfchen, sondern auch ein Anteil
Leckageluft abgeschieden wird, der zu einem Anstieg des Druckes
in der Abscheidekammer 30 und über dem Sumpf 32 führen kann,
enthält
der erfindungsgemäße Wasserabscheider 10 Maßnahmen
zur Minimierung dieses Druckanstieges sowie zur Reduzierung des
Leckageluftanteils. Dies wird anhand der 3 erläutert.
Hier ist das zentrale Rohr 36 mit seiner Einlauföffnung 42 oberhalb
des Sumpfes 32 derart angeordnet, daß der Sekundärluftstrom 44 nach
entsprechender Umlenkung in das zentrale Rohr 36 einströmen kann.
Im Rohr 36 sind Öffnungen 46, 48 vorgesehen,
durch die der Sekundärluftstrom
wieder in die Luftstromführungskanäle 24 einströmen kann,
um sich dort mit dem Primärluftstrom
wieder zu vereinen. Durch diese Rückführung kann vorteilhaft das
Druckniveau über
dem Sumpf 32 abgesenkt werden, wodurch die Tröpfchenbewegung
von der Abscheidekammer 30 in Richtung des Abscheidesumpfes 32 positiv
beeinflußt
wird. Damit ein Mitreißen
von Wassertröpfchen
aus dem Abscheidesumpf 32 in das Rohr 36 hinein
sicher verhindert wird ist am Eintritt der Sekundärströmung 44 in
das Rohr 36 eine Abscheidevorrichtung 50 in Form
einer Prallplattenabscheidevorrichtung (hier dargestellt) oder einer
Labyrinth-Trägheitsabscheidung
(hier nicht dargestellt) vorgesehen.
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Es können alternativ unterschiedliche
Luftstromführungen
zum Einsatz kommen. Dabei können die
Luftstromführungskanäle zur Reduzierung
der Strömungsgeschwindigkeit über die
Kanallänge
divergent ausgeführt
werden (hier nicht dargestellt), wodurch das Ausfällen von
Wassertröpfchen
bei erhöhten
Strömungsgeschwindigkeiten
an der Einlaßöffnung 20 begünstigt wird.
Auch ist ein Einsatz von konvergenten Luftstromführungen zwischen Ein- und Auslaßöffnung denkbar,
sowie Kombinationen von divergent-konvergenten bzw. konvergent-divergenten
Luftstromführungskanälen. Dadurch
kann der Wasserabscheider, der hier in Form eines Zentrifugalabscheiders
wirkt, für
unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten
aufgrund stark schwankender Betriebszustände optimiert werden.
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Wie in der besonderen Ausführungsvariante gemäß 4 gezeigt, können die
Luftstromführungskanäle so gestaltet
werden, daß sie
modular, d.h. segmentweise bzw. stufenweise (diskontinuierlich)
ausgeführt
sind. Hierzu wird der spiralförmige Wendel,
der die Luftstromführungskanäle 24 bildet nicht
in einem spiralförmig
durchgeführt,
sondern an mehreren Stellen unterbrochen, so daß sich einzelne Umlenkstufen
herausbilden. In der in 4 dargestellten
Ausführungsvariante
ist eine erste Umlenkstufe 52 und eine zweite Umlenkstufe 54,
die stromabwärts
der ersten Umlenkstufe angeordnet ist, dargestellt. Zwischen der
ersten und zweiten Umlenkstufe ist ein sogenannter Koagulator 56 angeordnet, der
das Größenwachstum
nebel- bzw. sprayförmiger Tröpfchen begünstigt und
gute Trenngrade für
kleine Partikelgrößen ermöglicht.
Dabei kann der Koagulator als maschenförmiges Gestrick (Filtergewebe) oder
als Gitterstruktur ausgebildet sein, an dem sich viele kleine Tröpfchen anlagern,
die sich dort zu größeren Tröpfchen vereinen,
welche anschließend
wieder vom Primärstrom
mitgerissen und in einer weiter stromabwärts gelegenen zweiten Umlenkstufe 54 abgetrennt
werden.
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In der alternativen Ausgestaltung
gemäß 5 sind die Luftstromführungskanäle 24 so
ausgebildet, daß die
wendelförmigen
Umlenkungsbleche in mehrere Stufen unterteilt werden, wobei das
Ende eines Wendelteils in radialer Richtung mit dem Anfang des darauffolgenden
Wendelteils bezüglich
des vom Primärluftstrom
durchströmten
Querschnitts teilweise überlappt.
Dadurch fließt
vom weiter stromabwärts
gelegenen Luftstromführungskanal
ein Teilstrom der feuchtebeladenen Primärluftströmung wieder in den weiter stromaufwärts gelegenen
Luftstromführungskanal
hinein (Rezirkulationsströmung 58).
Diese Maßnahme
führt zur
Stabilisierung des Trenngrades, da Wasserpartikeln, die sich an
der Oberseite der Luftstromführungs stufe
angelagert haben, wieder in eine weiter stromaufwärts gelegene Umlenkstufe
eingebracht werden können.