DE202014006480U1 - humidifier - Google Patents
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Abstract
Befeuchter (3), insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen, umfassend: – einen ersten Eingang (5) zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang (6) zum Abgeben befeuchteten Gases, – einen zweiten Eingang (7) zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang (8) zum Abgeben entfeuchteten Gases, – mindestens eine erste (12) und eine zweite (14) Strömungsplatte, – ein zwischen der ersten (12) und der zweiten Strömungsplatte (14) angeordnetes Wassertransfermedium (15), das im Betrieb gasundurchlässig oder im Wesentlichen gasundurchlässig ist, wobei die erste (12) und die zweite Strömungsplatte (14) jeweils Kanäle (13, 17) zur Gasführung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (13, 17) entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung jeweils eine Vielzahl von Leitgeometrien aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass sie senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte (12, 14) eine Störung der ideal linearen laminaren Strömung des im Kanal geführten Gases bewirken.A humidifier (3), in particular for humidifying process gas for fuel cells, comprising: - a first input (5) for supplying dry gas and a first outlet (6) for discharging humidified gas, - a second inlet (7) for supplying humid gas and a second outlet (8) for delivering dehumidified gas, - at least a first (12) and a second (14) flow plate, - a water transfer medium (15) disposed between the first (12) and second flow plates (14) operating gas impermeable or substantially gas impermeable, wherein the first (12) and the second flow plate (14) each have channels (13, 17) for guiding gas, characterized in that the channels (13, 17) along their main extension direction in each case a plurality of Leitgeometrien formed so as to be perpendicular to the plane of plan plane of the respective flow plate (12, 14) a disorder of the ideal linear laminar effecting the flow of gas carried in the channel.
Description
Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Befeuchter, vorzugsweise für die Befeuchtung von Prozessgas für Brennstoffzellen.The present application relates to a humidifier, preferably for the humidification of process gas for fuel cells.
Brennstoffzellen verwenden unter anderem Prozessgase, beispielsweise molekularen Wasserstoff und/oder Sauerstoff zur Stromerzeugung. Solche Brennstoffzellen verwenden üblicherweise Protonenaustauschmembranen (PEM). Im Betrieb erhitzt sich eine solche PEM auf etwa 80°C bis 90°C. Es ist für den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sowie für die Haltbarkeit der PEM wichtig, dass bezüglich Temperatur und Feuchtigkeit im Bereich der PEM möglichst stationäre Verhältnisse herrschen. Insbesondere ein Austrocknen der PEM kann sich nachteilig auf die Haltbarkeit und den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle auswirken.Fuel cells use, among other things, process gases, for example, molecular hydrogen and / or oxygen for power generation. Such fuel cells typically use proton exchange membranes (PEMs). In operation, such a PEM heats up to about 80 ° C to 90 ° C. It is important for the efficiency of the fuel cell as well as for the durability of the PEM, that in terms of temperature and humidity in the area of the PEM stationary conditions prevail as possible. In particular, drying out of the PEM can adversely affect the durability and efficiency of the fuel cell.
Zur gezielten Einstellung des Feuchtegrades der der Brennstoffzelle zugeführten Prozessgase ist es daher üblich, bestimmte Prozessgase zu befeuchten, bevor diese der Brennstoffzelle zugeführt werden. Dazu werden üblicherweise Befeuchter verwendet, bei denen zwischen zwei mit Kanalstrukturen versehenen Strömungsplatten ein Wassertransfermedium angeordnet ist, typischerweise in Form einer wasserdurchlässigen Membran. Die wasserdurchlässige Membran wird auch als Wassertransfermembran oder als Transfermembran bezeichnet. Diese Transfermembran trennt einen in den Kanalstrukturen der ersten Strömungsplatte geführten trockenen bzw. zu befeuchtenden Gasstrom von einem in den Kanalstrukturen der zweiten Strömungsplatte geführten feuchten bzw. zu entfeuchtenden Gasstrom, wobei ein Feuchtigkeitsgrad des feuchten Gasstromes höher ist als ein Feuchtigkeitsgrad des trockenen Gasstromes. Über die Transfermembran findet dann ein Wassertransfer vom feuchten Gasstrom zum trockenen Gas statt, so dass sich die Feuchtigkeitsgrade der Gase beiderseits der Membran einander angleichen. Dadurch, dass die Transfermembran (zumindest bei einer Mindestbefeuchtung) im Wesentlichen gasdicht ist, kommt es in dem Befeuchter zu einer Annäherung des Feuchtigkeitsgrades der beiden Gase bzw. Gasströme, ohne dass es dabei zu einer Vermischung der Gase selbst kommt.For specific adjustment of the degree of moisture of the process gases supplied to the fuel cell, it is therefore customary to moisten certain process gases before these are supplied to the fuel cell. For this purpose, humidifiers are usually used in which a water transfer medium is arranged between two flow plates provided with channel structures, typically in the form of a water-permeable membrane. The water permeable membrane is also referred to as a water transfer membrane or as a transfer membrane. This transfer membrane separates a dry or humidified gas stream guided in the channel structures of the first flow plate from a humidified or dehumidified gas stream in the channel structures of the second flow plate, wherein a moisture level of the wet gas stream is higher than a moisture level of the dry gas stream. Then a transfer of water from the moist gas stream to the dry gas takes place via the transfer membrane, so that the moisture levels of the gases on both sides of the membrane equalize. Due to the fact that the transfer membrane is substantially gas-tight (at least for a minimum moistening), the moisture degree of the two gases or gas streams in the moistener approximates, without the gases themselves being mixed.
Die Transfermembran des Befeuchters verursacht normalerweise einen wesentlichen Anteil der bei der Herstellung des Befeuchters anfallenden Materialkosten. Zur Senkung der Materialkosten besteht daher Bedarf nach Befeuchtern mit einer Transfermembran verringerter Fläche bei möglichst gleichbleibender Leistungsfähigkeit des Befeuchters.The transfer membrane of the humidifier normally causes a significant proportion of the material costs incurred in the manufacture of the humidifier. To reduce the material costs there is therefore a need for humidifiers with a transfer membrane of reduced area with as constant as possible humidifier performance.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Befeuchter zu schaffen, bei dem der Wassertransfer über eine gegebene Fläche der Transfermembran gegenüber bekannten Befeuchtern erhöht ist.The present invention is therefore based on the object to provide a humidifier in which the water transfer is increased over a given area of the transfer membrane over known humidifiers.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Befeuchter gemäß Anspruch 1. Spezielle Ausführungsausformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by a humidifier according to
Vorgeschlagen wird also ein Befeuchter, insbesondere zum Befeuchten von Prozessgas für Brennstoffzellen, umfassend:
- – einen ersten Eingang zum Zuführen trockenen Gases sowie einen ersten Ausgang zum Abgeben befeuchteten Gases,
- – einen zweiten Eingang zum Zuführen feuchten Gases sowie einen zweiten Ausgang zum Abgeben entfeuchteten Gases,
- – mindestens eine erste und eine zweite Strömungsplatte,
- – ein zwischen der ersten und der zweiten Strömungsplatte angeordnetes Wassertransfermedium, das im Betrieb gasundurchlässig oder im Wesentlichen gasundurchlässig ist,
- A first input for supplying dry gas and a first outlet for delivering humidified gas,
- A second inlet for supplying moist gas and a second outlet for delivering dehumidified gas,
- At least a first and a second flow plate,
- A water transfer medium disposed between the first and second flow plates which is gas impermeable or substantially gas impermeable in use,
Der vorgeschlagene Befeuchter zeichnet sich gegenüber gattungsgemäßen bekannten Befeuchtern dadurch aus, dass die Kanäle wenigstens einer der Strömungsplatten entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung jeweils eine Vielzahl von Leitgeometrien aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass sie senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte eine Störung einer ideal linearen laminaren Strömung des im Kanal geführten Gases bewirken.The proposed humidifier is distinguished from the known generic humidifiers in that the channels of at least one of the flow plates along their main extension direction each have a plurality of Leitgeometrien which are formed such that they perpendicular to the plane plane of the respective flow plate a disturbance of an ideal linear laminar flow of the effect in the channel guided gas.
Bei der ideal linearen laminaren Strömung sind die Strömungslinien entlang der Strömungsrichtung ideal geschichtet und ungestört. Infolge der durch die Leitgeometrien bewirkten Störung kann im jeweiligen Kanal z. B. eine parallel laminare Strömung oder eine gestört laminare Strömung entstehen, insbesondere im Bereich der jeweiligen Leitgeometrie. Bei der parallel laminaren Strömung sind die Strömungslinien entlang der Strömungsrichtung parallel ausgerichtet und folgen ggfs. der Kontur des Kanals, falls dieser beispielsweise gewellt ist. Bei der gestört laminaren Strömung bleiben die Strömungslinien zwar typischerweise ausgerichtet, jedoch wird die ideale Schichtung gestört. In diesem Fall erfolgt z. B. eine schraubenförmige Drehung oder eine Verdichtung der Gase im Kanal.In the ideal linear laminar flow, the flow lines along the flow direction are ideally stratified and undisturbed. As a result of the disturbance caused by the Leitgeometrien can in the respective channel z. As a parallel laminar flow or a disturbed laminar flow arise, especially in the region of the respective guide geometry. In the case of the parallel laminar flow, the flow lines are aligned parallel to one another along the flow direction and possibly follow the contour of the channel, if it is corrugated, for example. In the disturbed laminar flow, although the flow lines typically remain aligned, the ideal stratification is disturbed. In this case, z. As a helical rotation or compression of the gases in the channel.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Wassertransfer über das Wassertransfermedium bei bekannten Befeuchtern vor allem dadurch beeinträchtigt wird, dass die beiderseits des Wassertransfermediums in den Kanälen der Strömungsplatten geführten Gasströme im Wesentlichen linear laminar, das heißt in Schichten strömen. Typischerweise sind diese Strömungsschichten parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatten bzw. parallel zur Planflächenebene des zwischen den Strömungsplatten angeordneten Wassertransfermediums ausgerichtet.The present invention is based on the finding that the water transfer via the water transfer medium in known humidifiers is impaired primarily by the fact that the water transfer on both sides of the water transfer medium in the channels the flow plates guided gas flows substantially linear laminar, that is flow in layers. Typically, these flow layers are aligned parallel to the plane of plan plane of the flow plates or parallel to the plane of plan plane of the water transfer medium disposed between the flow plates.
Im Folgenden wird eine erste Seite der Planflächenebene des Wassertransfermediums, an der Kanäle zum Führen von feuchtem bzw. zu entfeuchtendem Gas angeordnet sind, auch feuchte Seite des Wassertransfermediums genannt. Entsprechend soll die der feuchten Seite des Wassertransfermediums gegenüberliegende zweite Seite der Planflächenebene des Wassertransfermediums, an der Kanäle zum Führen von trockenem bzw. zu befeuchtendem Gas angeordnet sind, als trockene Seite des Wassertransfermediums bezeichnet werden.Hereinafter, a first side of the plane surface plane of the water transfer medium, are arranged at the channels for guiding wet or to be dehumidified gas, also wet side of the water transfer medium. Accordingly, the second side of the plane surface plane of the water transfer medium opposite the wet side of the water transfer medium, on which channels for guiding dry or to be humidified gas are arranged, should be referred to as the dry side of the water transfer medium.
Die Wassertransferrate des Wassertransfermediums, d. h. die pro Zeiteinheit und pro Flächeneinheit des Wassertransfermediums von der feuchten Seite des Wassertransfermediums zur trockenen Seite des Wassertransfermediums transferierte Wassermenge, erhöht sich gewöhnlich mit zunehmendem Feuchtigkeitsgradienten zwischen der feuchten und der trockenen Seite des Wassertransfermediums, insbesondere mit zunehmendem Feuchtigkeitsgradienten zwischen den Oberseiten der beiderseits des Wassertransfermediums angeordneten Kanäle bzw. dem darin jeweils geführten Gas. Die Oberseiten der Kanäle sollen die dem Wassertransfermedium jeweils zugewandten Seiten oder Bereiche der Kanäle sein, egal ob sie in der konkreten Anordnung ober- oder unterhalb liegen.The water transfer rate of the water transfer medium, d. H. the amount of water transferred per unit time per unit area of the water transfer medium from the wet side of the water transfer medium to the dry side of the water transfer medium usually increases with increasing moisture gradient between the wet and dry sides of the water transfer medium, especially with increasing moisture gradient between the tops of both sides of the water transfer medium Channels or the gas guided therein. The tops of the channels should be the water transfer medium respectively facing sides or areas of the channels, no matter whether they are in the specific arrangement above or below.
Bei bekannten Befeuchtern erfolgt ein vergleichsweise guter Feuchtigkeitsaustausch in der Regel nur zwischen den Oberseiten der Kanäle beiderseits des Wassertransfermediums bzw. zwischen den an den Oberseiten der Kanäle geführten Strömungsschichten an der feuchten Seite des Wassertransfermediums einerseits und an der trockenen Seite des Wassertransfermediums andererseits. Aufgrund der laminaren Strömungsprofile in den einzelnen Kanälen findet jedoch in ein und demselben Kanal zum Führen von feuchtem Gas oder in ein und demselben Kanal zum Führen von trockenem Gas kaum ein Feuchtigkeitsausgleich senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatten statt. Dies hat typischerweise zur Folge, dass sich die Feuchtigkeitsgrade in den Strömungsschichten an der Oberseite der Kanäle beiderseits des Wassertransfermediums schnell angleichen. Dadurch verringert sich der Feuchtigkeitsgradient zwischen der feuchten und der trockenen Seite des Wassertransfermediums. Damit einher geht eine Verringerung der Wassertransferrate.In known humidifiers, a comparatively good exchange of moisture usually takes place only between the upper sides of the channels on both sides of the water transfer medium or between the flow layers guided on the upper sides of the channels on the moist side of the water transfer medium on the one hand and on the dry side of the water transfer medium on the other hand. However, due to the laminar flow profiles in the individual channels, moisture equalization perpendicular to the planar surface plane of the flow plates hardly takes place in one and the same channel for guiding wet gas or in one and the same channel for guiding dry gas. This typically results in the moisture levels in the flow layers at the top of the channels rapidly aligning on either side of the water transfer medium. This reduces the moisture gradient between the wet and dry sides of the water transfer medium. This is accompanied by a reduction in the water transfer rate.
Die Erfinder des hier vorgeschlagenen Befeuchters haben erkannt, dass die Wassertransferrate in erheblichem Maße erhöht werden kann, wenn die Kanäle an der feuchten Seite des Wassertransfermediums und/oder die Kanäle an der trockenen Seite des Wassertransfermediums mit den genannten Leitgeometrien versehen werden. Aus dem zuvor Gesagten erschließt sich dem Fachmann unmittelbar, dass eine senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung eine Verbesserung des Feuchtigkeitstransfers innerhalb ein und desselben Kanals bewirkt. Damit kann ein hinreichend großer Feuchtigkeitsgradient zwischen den nahe beim Wassertransfermedium liegenden Bereichen der feuchten und der trockenen Seite des Wassertransfermediums aufrecht erhalten werden. Auf diese Weise wird die Wassertransferrate auf einfache und effiziente Weise dauerhaft erhöht. Wesentlich für die Erfindung und somit den optimalen Betrieb des Befeuchters ist, dass die ideal lineare laminare Strömung zwar gestört ist, aber nicht in dem Maße, dass eine turbulente Strömung resultieren würde.The inventors of the humidifier proposed herein have recognized that the water transfer rate can be significantly increased if the channels on the wet side of the water transfer medium and / or the channels on the dry side of the water transfer medium are provided with the said guide geometries. From the foregoing, it will be readily apparent to one skilled in the art that disturbance of the ideally linear laminar flow acting perpendicular to the plane surface plane of the respective flow plate will improve the moisture transfer within one and the same channel. Thus, a sufficiently large moisture gradient can be maintained between the areas of the wet and dry sides of the water transfer medium which are close to the water transfer medium. In this way, the water transfer rate is permanently increased in a simple and efficient manner. Essential to the invention and thus the optimal operation of the humidifier is that the ideal linear laminar flow is disturbed, but not to the extent that a turbulent flow would result.
Die Haupterstreckungsrichtung des Kanals bezeichnet die Richtung, entlang derer im zeitlichen Mittel ein makroskopischer Massentransport des im Kanal geführten Gases durch den Kanal erfolgt. Die Haupterstreckungsrichtung des Kanals ist nicht notwendigerweise durch eine Gerade gegeben. Die Kanäle können sich parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte sowohl gerade als auch wellenförmig oder in anderer Weise krummlinig erstrecken, typischerweise jeweils über eine Länge von etwa 10 bis 45 cm.The main extension direction of the channel denotes the direction along which a macroscopic mass transport of the channel-guided gas through the channel takes place in the time average. The main direction of extension of the channel is not necessarily given by a straight line. The channels may extend in a straight, wavy, or otherwise curvilinear manner parallel to the planar surface plane of the respective flow plate, typically each about a length of about 10 to 45 cm.
Die Leitgeometrien sind entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle normalerweise jeweils gleichmäßig verteilt angeordnet, z. B. in gleichmäßigen Abständen. Üblicherweise weist ein und derselbe Kanal entlang seiner Haupterstreckungsrichtung wenigstens zwei, wenigstens drei, wenigstens fünf oder wenigstens zehn Leitgeometrien der unten ausführlicher beschriebenen Art auf.The guide geometries are normally distributed uniformly along the main extension direction of the channels, for. B. at regular intervals. Typically, one and the same channel along its main extension direction has at least two, at least three, at least five or at least ten guide geometries of the type described in more detail below.
Die Kanäle werden üblicherweise durch Kanalwände begrenzt. Diese umfassen typischerweise Kanalseitenwände, die senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte ausgerichtet sind, und einen Kanalboden. Der Kanalboden ist normalerweise parallel oder im Wesentlichen parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte ausgerichtet. Die Formulierung „im Wesentlichen” kann dabei z. B. Abweichungen von der Parallelität bzw. Orthogonalität von bis zu 30°, von bis zu 20°, von bis zu 10° oder von bis zu 5° umfassen. Die Kanalwände begrenzen den Kanal zur Strömungsplatte hin.The channels are usually bounded by channel walls. These typically include channel sidewalls aligned perpendicularly or substantially perpendicular to the planar surface plane of the respective flow plate, and a channel bottom. The channel bottom is normally aligned parallel or substantially parallel to the plane plane of the respective flow plate. The wording "essentially" can be z. B. deviations from the parallelism or orthogonality of up to 30 °, of up to 20 °, of up to 10 ° or of up to 5 °. The channel walls bound the channel to the flow plate.
Zum Wassertransfermedium hin werden die Kanäle üblicherweise durch das Wassertransfermedium selbst oder durch ein zwischen dem Wassertransfermedium und der jeweiligen Strömungsplatte angeordnetes Stützmedium begrenzt. Das Stützmedium kann beispielsweise ein (Graphit-)Faserpapier, ein (Graphit-)Fasergelege, ein Vlies oder ein sonstiges Gewebe oder Gelege aus Natur- und/oder Kunstfasern sein. Das Stützmedium ist gewöhnlich gasdurchlässig. Das Wassertransfermedium kann z. B. ein poröses Medium, ein beschichtetes oder imprägniertes Gewebe (Texapore®, Venturi®), ein Membranlaminat (Goretex®), eine ionengetränkte Membran, eine Ionomermembran (Nafion®) oder ein Diaphragma sein. Zumindest auf der Niederdruckseite des Wassertransfermediums, also auf der Seite mit höherem Feuchtigkeitsgehalt, ist ein Stützmedium gewöhnlich immer erforderlich, meist wird es aber auf beiden Seiten des Wassertransfermediums angeordnet. For the water transfer medium, the channels are usually limited by the water transfer medium itself or by a support medium disposed between the water transfer medium and the respective flow plate. The support medium can be, for example, a (graphite) fiber paper, a (graphite) fiber fabric, a nonwoven or other fabric or scrim of natural and / or synthetic fibers. The support medium is usually gas permeable. The water transfer medium may, for. As a porous medium, a coated or impregnated fabric (® Texapore, Venturi ®), be a membrane laminate (Goretex ®), an ion-impregnated membrane, an ionomer membrane (Nafion ®) or a diaphragm. At least on the low pressure side of the water transfer medium, that is on the side of higher moisture content, a support medium is usually always required, but usually it is arranged on both sides of the water transfer medium.
Die Strömungsplatten sind gewöhnlich zumindest bereichsweise aus korrosionsstabilen metallischen Werkstoffen gebildet, insbesondere aus Edelstahl. Ebenso können thermoplastische, elastomere oder duroplastische Kunststoffe verwendet werden. Typischerweise werden die Kanalstrukturen der Strömungsplatten bei der Herstellung in die entsprechenden Oberflächen der Strömungsplatten eingeprägt. So können auf einfache Weise große Stückzahlen produziert werden. Alternativ können die Strömungsplatten mittels Spritzguss hergestellt werden, wobei die Kanäle unmittelbar mitgeformt werden. Dies bietet mehr Freiheitsgrade bei der Kanalgestaltung. Bei Polymerwerkstoffen bietet sich als Sonderform des Spritzgusses ein Spritz-Präge-Prozess an.The flow plates are usually at least partially formed of corrosion-resistant metallic materials, in particular stainless steel. Likewise, thermoplastic, elastomeric or thermosetting plastics can be used. Typically, the channel structures of the flow plates are impressed into the corresponding surfaces of the flow plates during manufacture. This makes it easy to produce large quantities. Alternatively, the flow plates can be made by injection molding, wherein the channels are mitgeformt directly. This provides more freedom in channel design. For polymer materials, a special form of injection molding offers an injection-embossing process.
Normalerweise umfasst der Befeuchter eine Vielzahl von Strömungsplatten, wobei zwischen je zwei dieser Platten ein Wassertransfermedium der genannten Art angeordnet ist. Zur Führung von flüssigen oder gasförmigen Medien in Stapelrichtung, typischerweise zum Führen von Prozessgas für einen Brennstoffzellenstapel, können die Strömungsplatten Durchbrüche aufweisen, die beim Stapeln der Strömungsplatten mindestens eine, vorzugsweise genau eine Leitung zum Führen feuchten Gases, mindestens eine, vorzugsweise genau eine Leitung zum Führen entfeuchteten Gases, mindestens eine, vorzugsweise genau eine Leitung zum Führen trockenen Gases und mindestens eine, vorzugsweise genau eine Leitung zum Führen befeuchteten Gases bilden. Gewöhnlich ist der erste Eingang des Befeuchters zum Zuführen trockenen Gases über eine der Leitungen zum Führen trockenen Gases, über die an der trockenen Seite des Wassertransfermediums angeordneten Kanäle und über eine der Leitungen zum Führen befeuchteten Gases mit dem ersten Ausgang des Befeuchters zum Abgeben befeuchteten Gases verbunden. In entsprechender Weise ist der zweite Eingang des Befeuchters zum Zuführen feuchten Gases gewöhnlich über eine der Leitungen zum Führen feuchten Gases, über die an der feuchten Seite des Wassertransfermediums angeordneten Kanäle und über eine der Leitungen zum Führen entfeuchteten Gases mit dem zweiten Ausgang des Befeuchters zum Abgeben entfeuchteten Gases verbunden.Normally, the humidifier comprises a plurality of flow plates, wherein between each two of these plates a water transfer medium of the type mentioned is arranged. For guiding liquid or gaseous media in the stacking direction, typically for guiding process gas for a fuel cell stack, the flow plates can have openings which, when stacking the flow plates, at least one, preferably exactly one line for guiding moist gas, at least one, preferably exactly one line to Lead dehumidified gas, at least one, preferably exactly one line for guiding dry gas and at least one, preferably form a line for guiding humidified gas. Usually, the first inlet of the humidifier for supplying dry gas is connected via one of the lines for guiding dry gas, via the channels arranged on the dry side of the water transfer medium and via one of the lines for guiding humidified gas to the first outlet of the humidified humidifier , Likewise, the second inlet of the humidifier humidifier is usually via one of the humid gas ducts, the channels disposed on the wet side of the water transfer medium, and one of the ducts for feeding dehumidified gas to the second outlet of the humidifier dehumidified gas connected.
Die Kanäle der ersten Strömungsplatte zum Führen des feuchten Gases und die Kanäle der zweiten Strömungsplatte zum Führen des trockenen Gases können wenigstens teilweise parallel oder im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen. Sie können jeweils in der gleichen Richtung oder auch in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Die Kanäle zum Führen des feuchten Gases und die Kanäle zum Führen des trockenen Gases können auch schräg zueinander angeordnet sein. So können Sie miteinander einen Winkel einschließen, der im Wesentlichen 0°, 90° oder 180° beträgt. Dabei sind hier und im Folgenden alle Winkel im Winkelmaß angegeben. Bei 0° resultiert eine Gleichstrom-Anordnung, bei 90° eine Kreuzstrom-Anordnung und bei 180°, was in Bezug auf die Kanalführung als solche der 0° Ausrichtung entspricht, eine Gegenstrom-Anordnung.The channels of the first flow plate for guiding the moist gas and the channels of the second flow plate for guiding the dry gas may be at least partially parallel or substantially parallel to each other. They can each be flowed through in the same direction or in the opposite direction. The channels for guiding the moist gas and the channels for guiding the dry gas may also be arranged obliquely to each other. This allows you to enclose an angle with each other that is essentially 0 °, 90 ° or 180 °. Here and in the following, all angles are given in the angular dimension. At 0 ° results in a DC arrangement, at 90 °, a cross-flow arrangement and at 180 °, which corresponds in terms of the channel guide as such, the 0 ° orientation, a countercurrent arrangement.
Bei einer speziellen Ausführungsform des vorgeschlagenen Befeuchters umfassen die Leitgeometrien in wenigstens einer der Kanalwände ausgebildete längliche Ausnehmungen und/oder an wenigstens einer der Kanalwände angeordnete und in den jeweiligen Kanal hinein ragende längliche Vorsprünge. Die länglichen Ausnehmungen oder die länglichen Vorsprünge schließen mit einer sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals erstreckenden Mittellinie der jeweiligen Kanalwand vorzugsweise einen spitzen Winkel α ein. Für diesen kann z. B. gelten: 45 Grad ≤ α ≤ 70 Grad. Die Kanalwand mit den Ausnehmungen und/oder Vorsprüngen kann eine der Kanalseitenwände oder der Kanalboden sein.In a specific embodiment of the proposed humidifier, the guide geometries comprise elongate recesses formed in at least one of the channel walls and / or elongate protrusions arranged on at least one of the channel walls and protruding into the respective channel. The elongate recesses or the elongate projections preferably include an acute angle α with a center line of the respective channel wall extending along the main extension direction of the channel. For this z. For example, 45 degrees ≤ α ≤ 70 degrees. The channel wall with the recesses and / or projections may be one of the channel side walls or the channel bottom.
Dadurch, dass die länglichen Ausnehmungen oder die länglichen Vorsprünge mit der Mittellinie der jeweiligen Kanalwand einen spitzen Winkel einschließen, verleihen sie der Strömungsrichtung des in dem Kanal strömenden Gases eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Gases in dem Kanal. Dies ruft die gewünschte senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung des Gases hervor und verbessert damit den Wasseraustausch über das Wassertransfermedium. Die länglichen Ausnehmungen und/oder Vorsprünge können zum Beispiel derart angeordnet sein, dass die Strömung des Gases entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals einem spiralförmigen Verlauf folgt. Ähnliche Leitgeometrien sind z. B. von Gewehrläufen bekannt, die einer im Gewehrlauf beschleunigten Patrone einen parallel zum Gewehrlauf ausgerichteten Drehimpuls oder Drall verleihen. Die verschiedenen Ausnehmungen und/oder Vorsprünge sind im Kanal dabei vorzugsweise derart anzuordnen, dass sie dem Gasstrom jeweils einen Drall mit demselben Drehsinn verleihen.Characterized in that the elongated recesses or the elongated projections with the center line of the respective channel wall form an acute angle, they give the flow direction of the gas flowing in the channel, a velocity component perpendicular to the main flow direction of the gas in the channel. This causes the desired disruption of the ideally linear laminar flow of the gas, perpendicular to the plane of the plane of the flow plate, thereby improving water exchange across the water transfer medium. The elongated recesses and / or projections may be arranged, for example, such that the flow of the gas follows a spiral course along the main extension direction of the channel. Similar guide geometries are z. B. of rifle barrels, the a cartridge accelerated in the rifle barrel impart an angular momentum or spin aligned parallel to the rifle barrel. The various recesses and / or projections in the channel are preferably to be arranged such that they each impart a twist to the gas flow with the same direction of rotation.
Eine senkrecht zur Länge oder zur Längsrichtung der Ausnehmungen bestimmte Querschnittsfläche der Ausnehmungen kann jeweils zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise zwischen 2 und 10 Prozent eines Querschnitts des Kanals betragen. Vorzugsweise handelt es sich beim Querschnitt des Kanals, zu dem die Querschnittsfläche der Ausnehmungen ins Verhältnis gesetzt wird, um den kleinsten Querschnitt entlang des gesamten Kanalverlaufs. In Bezug auf diesen kleinsten Querschnitt wird der Querschnitt des Kanals im Bereich der Ausnehmungen also typischerweise um zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise um zwischen 2 und 10 Prozent vergrößert. Eine senkrecht zur Länge oder zur Längsrichtung der Vorsprünge bestimmte Querschnittsfläche der Vorsprünge kann jeweils ebenfalls zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise zwischen 2 und 10 Prozent des Querschnitts des Kanals betragen. Vorzugsweise handelt es sich beim Querschnitt des Kanals, zu dem die Querschnittsfläche der Vorsprünge ins Verhältnis gesetzt wird, um den größten Querschnitt entlang des gesamten Kanalverlaufs. In Bezug auf diesen größten Querschnitt wird der Querschnitt des Kanals im Bereich der Vorsprünge also typischerweise um zwischen 2 und 12 Prozent, vorzugsweise um zwischen 2 und 10 Prozent verringert.A cross-sectional area of the recesses, which is perpendicular to the length or to the longitudinal direction of the recesses, can each be between 2 and 12 percent, preferably between 2 and 10 percent, of a cross-section of the channel. Preferably, the cross-section of the channel to which the cross-sectional area of the recesses is related is the smallest cross-section along the entire passageway. With regard to this smallest cross section, the cross section of the channel in the region of the recesses is thus typically increased by between 2 and 12 percent, preferably by between 2 and 10 percent. A cross-sectional area of the projections, which is perpendicular to the length or to the longitudinal direction of the projections, can likewise each amount to between 2 and 12 percent, preferably between 2 and 10 percent, of the cross-section of the channel. Preferably, the cross-section of the channel to which the cross-sectional area of the projections is related is the largest cross-section along the entire passageway. With regard to this largest cross section, the cross section of the channel in the region of the projections is thus typically reduced by between 2 and 12 percent, preferably by between 2 and 10 percent.
Es hat sich gezeigt, dass Ausnehmungen bzw. Vorsprünge mit diesen Abmessungen geeignet sind, die gewünschte senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung zu erzielen, ohne die Hauptströmung des Gases im Kanal entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals zu sehr zu beeinträchtigen.It has been found that recesses or protrusions of these dimensions are capable of achieving the desired perturbation of the ideal linear laminar flow perpendicular to the plane of plan plane of the respective flow plate without overly affecting the main flow of the gas in the channel along the main direction of extension of the channel ,
Senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte beträgt eine Höhe der Vorsprünge und/oder eine Tiefe der Ausnehmungen vorzugsweise weniger als 40 Prozent einer senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte bestimmten Tiefe des Kanals. Besonders bevorzugt betragen die Höhe der Vorsprünge und/oder die Tiefe der Ausnehmungen zwischen 10 und 25 der Tiefe des Kanals. Vorzugsweise ist die Tiefe des Kanals, zu der die Tiefe der Ausnehmungen bzw. die Höhe der Vorsprünge ins Verhältnis gesetzt wird, eine kleinste Tiefe des Kanals entlang des gesamten Kanalverlaufs. In Bezug auf die durch die Ausnehmungen und/oder die Vorsprünge bewirkte Änderung des Querschnitts im Bereich der Ausnehmungen bzw. im Bereich der Vorsprünge gilt das zuvor Gesagte.Perpendicular to the plane plane of the respective flow plate, a height of the projections and / or a depth of the recesses is preferably less than 40 percent of a depth of the channel defined perpendicular to the plane of the plane of the flow plate. Particularly preferably, the height of the projections and / or the depth of the recesses are between 10 and 25 of the depth of the channel. Preferably, the depth of the channel, to which the depth of the recesses or the height of the projections is set, is a smallest depth of the channel along the entire channel course. With regard to the change in the cross section in the region of the recesses or in the region of the projections caused by the recesses and / or the projections, the above applies.
Entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals unmittelbar aufeinander folgende Ausnehmungen und/oder Vorsprünge sind vorzugsweise derart angeordnet, dass ihre einander zugewandten Enden parallel zum Querschnitt des Kanals nicht überlappen und bevorzugt beabstandet sind. Bevorzugt sind entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals unmittelbar aufeinander folgende Ausnehmungen und/oder Vorsprünge derart ausgerichtet und angeordnet, dass sie dem im Kanal strömenden Gas jeweils einen Drall mit demselben Drehsinn in Bezug auf eine Mittelachse des Kanals verleihen.Immediately succeeding recesses and / or projections along the main extension direction of the channel are preferably arranged such that their facing ends do not overlap parallel to the cross section of the channel and are preferably spaced apart. Preferably, immediately adjacent recesses and / or projections along the main extension direction of the channel are aligned and arranged such that they each impart a twist with the same direction of rotation with respect to a central axis of the channel to the gas flowing in the channel.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfassen die Leitgeometrien entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals sich erstreckende und ineinander übergehende Kanalabschnitte des Kanals, wobei ein Querschnitt des Kanals sich entlang der Kanalabschnitte jeweils in derselben Richtung verringert oder vergrößert und wobei der Übergang zwischen zwei der ineinander übergehenden Kanalabschnitte jeweils über eine Kante erfolgt. Z. B. verringert sich der Querschnitt entlang eines ersten Kanalabschnitts kontinuierlich, um sich an einer ersten Kante schlagartig zu vergrößern. An der ersten Kante geht der erste Kanalabschnitt dann in einen zweiten Kanalabschnitt über. Normalerweise ist der zweite Kanalabschnitt ebenso ausgebildet wie der erste Kanalabschnitt. Der Querschnitt des zweiten Kanalabschnitts verringert sich also typischerweise ausgehend von der ersten Kante wieder kontinuierlich, um sich an einer zweiten Kante erneut schlagartig zu vergrößern und so fort. Durch die schlagartige Vergrößerung des Querschnitts an den Kanten zwischen aufeinander folgenden Kanalabschnitten wird also normalerweise die zuvor erfolgte langsamere Verringerung des Querschnitts entlang der Kanalabschnitte kompensiert. Selbstverständlich kann entlang der Kanalabschnitte auch eine langsame Vergrößerung des Querschnitts erfolgen, die dann durch eine entsprechende schlagartige Verkleinerung des Querschnitts im Bereich der zwischen den Kanalquerschnitten angeordneten Kanten kompensiert wird.In a further embodiment, the guide geometries along the main extension direction of the channel extending and merging channel sections of the channel, wherein a cross section of the channel along the channel sections in each case in the same direction decreases or increases and wherein the transition between two of the merging channel sections each via a Edge takes place. For example, the cross-section along a first channel portion continuously decreases to abruptly increase at a first edge. At the first edge, the first channel section then merges into a second channel section. Normally, the second channel portion is formed as well as the first channel portion. The cross section of the second channel section thus typically decreases continuously again starting from the first edge, in order to abruptly increase again at a second edge, and so on. The abrupt enlargement of the cross section at the edges between successive channel sections thus normally compensates for the previously occurring slower reduction of the cross section along the channel sections. Of course, along the channel sections, a slow enlargement of the cross section can take place, which is then compensated by a corresponding abrupt reduction of the cross section in the region of the edges arranged between the channel cross sections.
Mit anderen Worten umfassen die Leitgeometrien bei dieser Ausführungsform eine Vielzahl von in wenigstens einer der Kanalseitenwände und/oder im Kanalboden ausgebildeten Kanten, wobei der Querschnitt des Kanals zwischen zwei entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals aufeinander folgenden Kanten normalerweise in derselben Richtung jeweils entweder abnimmt oder zunimmt.In other words, in this embodiment the guiding geometries comprise a plurality of edges formed in at least one of the channel side walls and / or the channel bottom, the cross section of the channel either decreasing or increasing in each case in the same direction between two consecutive edges along the main extension direction of the channel.
Bei der Kante kann es sich um eine stumpfe Kante handeln, die einen Winkel von mehr als 90° bildet. Gewöhnlich beträgt der durch die Kante gebildete Winkel jedoch höchstens 110° oder höchstens 100°. Die Kante kann auch einen rechten Winkel bilden, an dem sich der Querschnitt des Kanals diskontinuierlich ändert. Es ist sogar denkbar, dass der Winkel etwas weniger als 90° beträgt, typischerweise jedoch wenigstens 80° oder wenigstens 85°. Nach der Verringerung des Querschnitts folgt vorzugsweise eine Vergrößerung, es ist aber auch möglich, dass die Struktur immer zwei Verkleinerungen und zwei Vergrößerungen abwechseln lässt. Ebenso ist es denkbar, dass ein Kanalabschnitt mit abnehmendem oder mit zunehmendem Querschnitt an einer entsprechenden Kante in einen geraden Kanalabschnitt mit konstantem Querschnitt übergeht. Eine Kante ist dabei nicht notwendigerweise im Sinne einer scharfen Kante zu verstehen, sondern weist vorzugsweise einen Radius auf – auch in Abhängigkeit vom gewählten Werkstoff – üblicherweise von 0,05 mm bis 1 mm.The edge can be a blunt edge that makes an angle greater than 90 °. Usually, however, the angle formed by the edge is at most 110 ° or at most 100 °. The edge may also form a right angle at which the cross section of the channel changes discontinuously. It is even conceivable that the Angle is slightly less than 90 °, but typically at least 80 ° or at least 85 °. After reducing the cross-section, it is preferable to increase, but it is also possible that the structure always alternates two reductions and two magnifications. It is also conceivable that a channel section with decreasing or increasing cross section at a corresponding edge merges into a straight channel section with a constant cross section. An edge is not necessarily to be understood in terms of a sharp edge, but preferably has a radius - also depending on the selected material - usually from 0.05 mm to 1 mm.
Entscheidend ist jeweils, dass sich der Querschnitt an der Kante zwischen zwei der ineinander übergehenden Abschnitte möglichst schlagartig ändert, also vergrößert oder verringert. Dadurch wird an der Kante die gewünschte, senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung im Kanal hervorgerufen.It is crucial in each case that changes the cross section at the edge between two of the merging sections as abruptly as possible, ie increased or decreased. As a result, the desired, linear laminar flow in the channel, which is perpendicular to the planar surface plane of the respective flow plate, is produced at the edge.
Für die Änderung des Querschnitts des Kanals an den genannten Kanten gilt bezogen auf den kleinsten Querschnitt Amin und den größten Querschnitt Amax im Bereich der Kante normalerweise (Amax – Amin)/Amin ≤ 1, vorzugsweise 0,75 ≤ (Amax – Amin)/Amin ≤ 1, besonders vorzugsweise 0,8 ≤ (Amax – Amin)/Amin ≤ 1. Alternativ oder zusätzlich gilt normalerweise (Amax – Amin)/Amin ≤ 0,98. Der kleinste bzw. größte Querschnitt Amin und Amax im Bereich der Kante sind dabei vorzugsweise so zu verstehen, dass einer dieser beiden Querschnitte, also z. B. der kleinste Querschnitt Amin (der größte Querschnitt Amax) sich unmittelbar an der Kante befindet, während der zugehörige andere Querschnitt also hier der größte Querschnitt Amax (der kleinste Querschnitt Amin) der nächstgelegene größte bzw. kleinste Querschnitt im positiven oder negativen Kanalverlauf ist. Entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals beträgt der Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Kanten typischerweise wenigstens 100 Prozent oder wenigstens 200 einer mittleren oder maximalen Tiefe des Kanals oder einer mittleren oder maximalen Breite des Kanals. Ein maximaler Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Kanten kann bis zu einem Fünffachen oder bis zu einem Zehnfachen der mittleren Tiefe oder der mittleren Breite des Kanals betragen. Wie zuvor werden die mittlere Tiefe und die mittlere Breite des Kanals dabei senkrecht bzw. parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte bestimmt.For the change of the cross-section of the channel at said edges, with respect to the smallest cross-section A min and the largest cross-section A max in the region of the edge normally (A max -A min ) / A min ≤ 1, preferably 0.75 ≤ (A max - A min ) / A min ≦ 1, particularly preferably 0.8 ≦ (A max -A min ) / A min ≦ 1. Alternatively or additionally, normally (A max -Amin ) / A min ≦ 0.98. The smallest or largest cross section A min and A max in the region of the edge are preferably to be understood that one of these two cross sections, ie z. B. the smallest cross section A min (the largest cross section A max ) is located directly on the edge, while the corresponding other cross section so here the largest cross section A max (the smallest cross section A min ) the nearest largest or smallest cross section in the positive or negative channel is. Along the main span direction of the channel, the distance between two consecutive edges is typically at least 100 percent, or at least 200, of a mean or maximum depth of the channel, or a mean or maximum width of the channel. A maximum distance between two consecutive edges may be up to five times or up to ten times the mean depth or width of the channel. As before, the average depth and the mean width of the channel are determined perpendicular or parallel to the plane plane of the respective flow plate.
Die Kanalabschnitte werden typischerweise wenigstens bereichsweise durch wenigstens eine Kanalseitenwand gebildet, die parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte ein sägezahnartiges Profil aufweist. Vorzugsweise werden die Kanalabschnitte wenigstens bereichsweise auf beiden Seiten durch Kanalseitenwände mit einem entsprechenden Sägezahnprofil gebildet. Alternativ oder zusätzlich können die Kanalabschnitte wenigstens bereichsweise durch einen Kanalboden gebildet werden, der senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte ein sägezahnartiges Profil aufweist. Die steilen oder steileren Flanken des sägezahnartigen Profils oder der sägezahnartigen Profile der Kanalseitenwände und/oder des Kanalbodens bilden dann typischerweise die Kanten zwischen den Kanalabschnitten. Die Ecken des „sägezahnartigen Profils” oder der „sägezahnartigen Profile” müssen nicht notwendigerweise spitz sein. Sie können durchaus wenigstens teilweise abgerundet sein. Entscheidend ist wiederum, dass sich der Querschnitt des Kanals im Bereich der durch die „Sägezähne” gebildeten Kanten wie zuvor beschrieben möglichst schlagartig ändert, so dass an den Kanten die gewünschten, senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkenden Störungen der ideal linearen laminaren Strömung im Kanal auftreten.The channel sections are typically formed at least in regions by at least one channel side wall, which has a sawtooth-like profile parallel to the planar surface plane of the respective flow plate. Preferably, the channel sections are at least partially formed on both sides by channel side walls with a corresponding sawtooth. Alternatively or additionally, the channel sections may at least partially be formed by a channel bottom, which has a sawtooth-like profile perpendicular to the plane plane of the respective flow plate. The steep or steeper flanks of the saw-toothed profile or sawtooth profiles of the channel sidewalls and / or the channel bottom then typically form the edges between the channel sections. The corners of the "saw-toothed profile" or the "saw-toothed profiles" do not necessarily have to be pointed. They can certainly be at least partially rounded. Decisive again is that the cross section of the channel in the area formed by the "saw teeth" as described above abruptly changes, so that at the edges of the desired, acting perpendicular to the plane plane of the respective flow plate disturbances of the ideal linear laminar flow in the channel occur.
Das sägezahnartige Profil oder die sägezahnartigen Profile der Kanalseitenwände und/oder des Kanalbodens können entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals periodisch sein. Für eine Periodenlänge λS des sägezahnartigen Profils und eine parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte bestimmte Breite B des Kanals gilt dann vorzugsweise 5·B ≤ λS ≤ 20·B, besonders vorzugsweise 10·B ≤ λS ≤ 15·B. Die Breite B kann z. B. eine maximale Breite oder eine mittlere Breite des Kanals sein.The sawtooth-like profile or sawtooth profiles of the channel side walls and / or the channel bottom may be periodic along the main direction of extension of the channel. For a period length λ S of the sawtooth-like profile and a width B of the channel determined parallel to the plane surface plane of the respective flow plate, it is then preferably 5 * B ≦ λ S ≦ 20 * B, particularly preferably 10 * B ≦ λ S ≦ 15 * B. The width B can z. B. be a maximum width or an average width of the channel.
Bei einer weiteren Ausführungsform schließen der Kanalboden des Kanals und eine der an den Kanalboden sich anschließenden Kanalseitenwände einen Winkel β ein, der sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals wenigstens abschnittweise ändert. Für den Winkel β gilt dabei jeweils vorzugsweise: 90° ≤ β ≤ 120°. An einer gegebenen Stelle entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals ist der Winkel β dabei z. B. jeweils in der Ebene zu bestimmen, in der die Querschnittsfläche des Kanals den kleinsten Wert annimmt. Der Winkel β kann sich wenigstens abschnittweise kontinuierlich ändern. Alternativ oder zusätzlich kann sich der Winkel β an wenigstens einer Stelle diskontinuierlich ändern, wobei in der Kanalseitenwand wiederum eine Kante entsteht.In another embodiment, the channel bottom of the channel and one of the channel bottom adjoining the channel side walls include an angle β, which changes along the main extension direction of the channel at least in sections. For the angle β, in each case preferably: 90 ° ≦ β ≦ 120 °. At a given point along the main extension direction of the channel, the angle β is z. B. in each case to determine in the plane in which the cross-sectional area of the channel assumes the smallest value. The angle β can change continuously at least in sections. Alternatively or additionally, the angle β may change discontinuously at at least one point, with an edge again forming in the channel side wall.
Die Leitgeometrien umfassen bei dieser Ausführungsform also eine durch die Änderung des Winkels β beschriebene Änderung der Neigung der Kanalseitenwand gegenüber dem Kanalboden entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals. Dadurch wird die Strömung des Gases im Kanal entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals normalerweise sowohl parallel als auch senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte abgelenkt und verändert. Dadurch wird auch bei dieser Ausführungsform senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte wiederum die beabsichtigte Störung der ideal linearen laminaren Strömung des Gases im Kanal hervorgerufen, die den Gasaustausch im Kanal entlang dieser Richtung verbessert, so dass der Feuchtigkeitstransport in Richtung des Wassertransfermediums verbessert wird.The guide geometries in this embodiment thus comprise a change in the inclination of the channel side wall relative to the channel bottom along the main extension direction of the channel described by the change in the angle β. Thereby, the flow of the gas in the channel along the main extension direction of the channel is normally both parallel and perpendicular to Planar plane of the respective flow plate deflected and changed. Thereby, also in this embodiment, perpendicular to the plane plane of the flow plate, the intended disturbance of the ideally linear laminar flow of the gas in the channel is created, which improves the gas exchange in the channel along this direction, so that the moisture transport in the direction of the water transfer medium is improved.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass beide der sich an den Kanalboden anschließenden Kanalseitenwände ihre durch Winkel β1 und β2 beschriebene Neigung relativ zum Kanalboden entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals wenigstens abschnittweise gleichzeitig ändern. Wie zuvor sind die Winkel β1 und β2 an einer gegebenen Stelle entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals dabei z. B. jeweils in der Ebene zu bestimmen, in der die Querschnittsfläche des Kanals den kleinsten Wert annimmt. Der Abschnitt, in dem sich die Neigungen der Kanalseitenwände gegenüber dem Kanalboden durchgehend ändern, erstreckt sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals z. B. über wenigstens 25 Prozent, über wenigstens 50 Prozent, über wenigstens 2/3 oder über wenigstens 75 Prozent einer Gesamtlänge des Kanals. Die Neigungswinkel β1 und β2 können sich dabei kontinuierlich und/oder diskontinuierlich ändern. Bevorzugt ändern sich die Neigungswinkel β1 und β2 dabei derart, dass sich der Querschnitt des Kanals in diesem Abschnitt um weniger als 60 Prozent ändert, besonders vorzugsweise um weniger als 30 Prozent. Andererseits ändern sich die Neigungswinkel β1 und β2 vorzugsweise derart, dass sich der Querschnitt des Kanals in diesem Abschnitt um mehr als 5 Prozent ändert, besonders vorzugsweise um mehr als 10 Prozent.A further development envisages that both of the channel side walls adjoining the channel bottom change their inclination relative to the channel bottom along the main extension direction of the channel at least in sections at the same time, as described by angles β 1 and β 2 . As before, the angles β 1 and β 2 at a given location along the main direction of extension of the channel are e.g. B. in each case to determine in the plane in which the cross-sectional area of the channel assumes the smallest value. The portion in which the inclinations of the channel side walls with respect to the channel bottom change continuously, extending along the main extension direction of the channel z. At least 25 percent, at least 50 percent, at least 2/3 or at least 75 percent of a total length of the channel. The inclination angles β 1 and β 2 can thereby change continuously and / or discontinuously. The angles of inclination β 1 and β 2 preferably change in such a way that the cross section of the channel in this section changes by less than 60 percent, particularly preferably by less than 30 percent. On the other hand, the inclination angles β1 and β2 preferably change such that the cross section of the channel in this section changes by more than 5 percent, more preferably by more than 10 percent.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfassen die Leitgeometrien eine entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals sich ändernde Tiefe des Kanals. Wie zuvor wird die Tiefe des Kanals dabei senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte bestimmt. Z. B. ist sie durch den Abstand vom Kanalboden zum Wassertransfermedium gegeben. Die Kanaltiefe kann auch durch den Abstand vom Kanalboden zu einem Stützmedium gegeben sein, das zwischen der Strömungsplatte und dem Wassertransfermedium angeordnet ist. Eine Differenz zwischen einer maximalen Kanaltiefe und einer minimalen Kanaltiefe desselben Kanals beträgt dabei vorzugsweise weniger als 40 Prozent der maximalen Kanaltiefe, besonders vorzugsweise zwischen 10 und 25 Prozent der maximalen Kanaltiefe. Die Änderung der Kanaltiefe kann wenigstens abschnittweise kontinuierlich erfolgen. Dem Fachmann erschließt sich unmittelbar, dass auch dies eine senkrecht zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte wirkende Störung der ideal linearen laminaren Strömung im Kanal hervorruft.In a further embodiment, the guiding geometries comprise a depth of the channel varying along the main direction of extension of the channel. As before, the depth of the channel is determined perpendicular to the plane plane of the respective flow plate. For example, it is given by the distance from the channel bottom to the water transfer medium. The channel depth may also be given by the distance from the channel bottom to a support medium, which is arranged between the flow plate and the water transfer medium. A difference between a maximum channel depth and a minimum channel depth of the same channel is preferably less than 40 percent of the maximum channel depth, particularly preferably between 10 and 25 percent of the maximum channel depth. The change of the channel depth can be done at least in sections continuously. The person skilled in the art immediately learns that this too causes a disturbance of the ideally linear laminar flow in the channel, which is perpendicular to the planar surface plane of the respective flow plate.
Vorzugsweise ändert sich die Kanaltiefe bei dieser Ausführungsform wenigstens abschnittweise wellenartig, z. B. wenigstens abschnittweise periodisch. Beispielsweise kann für eine Periodenlänge λT der Änderung der Kanaltiefe entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals und für eine parallel zur Planflächenebene der jeweiligen Strömungsplatte bestimmte Breite B des Kanals gelten: 5·B ≤ λT ≤ 20·B, vorzugsweise 10·B ≤ λT ≤ 15·B. Die Breite B kann z. B. eine maximale oder eine mittlere Breite des Kanals sein.Preferably, the channel depth in this embodiment changes at least in sections wavelike, z. B. at least in sections periodically. For example, for a period length λ T, the change of the channel depth along the main direction of extension of the channel and for a width B of the channel determined parallel to the plane plane of the respective flow plate may be: 5 * B ≤ λ T ≤ 20 * B, preferably 10 * B ≤ λ T ≤ 15 · B. The width B can z. B. be a maximum or an average width of the channel.
Die normalerweise mit der Änderung der Kanaltiefe einhergehende Änderung des Querschnitts des Kanals kann insbesondere dazu führen, dass Gas, das in einem mit einer entsprechenden Bodenwelle versehenden ersten Kanal strömt, über einen Steg, der den ersten Kanal von einem neben dem ersten Kanal verlaufenden zweiten Kanal derselben Strömungsplatte trennt, in diesen zweiten Kanal gedrückt wird. Dies ist typischerweise dann der Fall, wenn zwischen der Strömungsplatte und dem Wassertransfermedium das oben beschriebene gasdurchlässige Stützmedium angeordnet ist. Der Gasaustausch zwischen benachbarten Kanälen derselben Strömungsplatte erfolgt dann gewöhnlich über bzw. durch das Stützmedium. Ein Gasaustausch zwischen benachbarten Kanälen derselben Strömungsplatte führt natürlich zu einer ganz besonders effektiven senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte wirkenden Störung der ideal linearen laminaren Strömung in diesen Kanälen.The change in the cross-section of the channel normally associated with the change in the channel depth may, in particular, result in gas flowing in a first channel provided with a corresponding bump via a web which separates the first channel from a second channel adjacent to the first channel the same flow plate is separated, is pressed into this second channel. This is typically the case when the gas-permeable support medium described above is arranged between the flow plate and the water transfer medium. The gas exchange between adjacent channels of the same flow plate is then usually via or through the support medium. Of course, gas exchange between adjacent channels of the same flow plate will result in a particularly effective disruption of the ideally linear laminar flow in these channels, perpendicular to the plane of the plane of the flow plate.
Um diesen Effekt zu verstärken, kann es insbesondere vorgesehen sein, dass zwei benachbarte und parallel zueinander ausgerichtete Kanäle derselben Strömungsplatte jeweils mit einer periodischen Bodenwelle der oben beschriebenen Art ausgestattet sind. Z. B. können die Bodenwellen der benachbarten Kanäle dieselbe Periodenlänge λT aufweisen. In diesem Fall wird zwischen den benachbarten Kanälen besonders viel Gas ausgetauscht, wenn die Perioden der Bodenwellen der benachbarten Kanäle gegeneinander verschoben sind, z. B. um eine Länge ΔλT, für die gilt: λT/3 ≤ ΔλT ≤ 2·λT/3, vorzugsweise ΔλT = λT/2.In order to increase this effect, it can be provided, in particular, that two adjacent and mutually parallel channels of the same flow plate are each equipped with a periodic bump of the type described above. For example, the bumps of the adjacent channels may have the same period length λ T. In this case, especially between the adjacent channels gas is exchanged when the periods of the bumps of the adjacent channels are shifted from each other, for. B. by a length Δλ T , for which applies: λ T / 3 ≤ Δλ T ≤ 2 · λ T / 3, preferably Δλ T = λ T / 2.
Typischerweise werden die Kanäle der Strömungsplatten quer zu ihrer jeweiligen Haupterstreckungsrichtung durch Stege begrenzt. Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine der Strömungsplatten sowohl gerade verlaufende Stege als auch gewellt verlaufende Stege aufweist. Gewöhnlich variiert eine Dicke dieser Stege entlang der Erstreckungsrichtung des jeweiligen Steges um weniger als 50 Prozent, um weniger als 30 Prozent oder um weniger als 10 Prozent. Vorzugsweise ist die Dicke dieser Stege entlang ihrer Erstreckungsrichtung wenigstens bereichsweise konstant oder durchgehend konstant. Die gewellten Stege können periodisch gewellt sein. Eine Wellenlänge λW dieser periodisch gewellten Stege kann beispielsweise in etwa durch die entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle bestimmte maximale Kanalbreite Bmax gegeben sein. So kann z. B. gelten: Bmax ≤ λW ≤ 2·Bmax. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die geraden Stege und die gewellten Stege alternierend angeordnet sind. Beispielsweise können die Stege dann derart angeordnet sein, dass die Summe der Querschnitte zweier unmittelbar benachbarter Kanäle entlang der Haupterstreckungsrichtung der Kanäle in etwa konstant ist. Dies beinhaltet dann typischerweise, dass sich der Querschnitt eines ersten der unmittelbar benachbarten Kanäle genau dann verringert, wenn sich der Querschnitt des zweiten der unmittelbar benachbarten Kanäle vergrößert und umgekehrt. Ähnlich wie im oben beschriebenen Beispiel, bei dem benachbarte Kanäle periodische Bodenwellen mit versetzter Periode aufweisen, kann eine solche Anordnung den Gasaustausch zwischen den unmittelbar benachbarten Kanälen fördern, was die Wassertransferrate des Wassertransfermediums wie beschrieben positiv beeinflusst.Typically, the channels of the flow plates are bounded by webs transverse to their respective main direction of extent. It can be provided that at least one of the flow plates has both straight webs and corrugated webs. Usually, a thickness of these webs varies along the direction of extension of the respective web by less than 50 percent, by less than 30 percent or by less than 10 percent. Preferably, the thickness of these webs along its direction of extension at least partially constant or continuously constant. The corrugated webs can be waved periodically be. A wavelength λ W of these periodically corrugated webs may, for example, be given approximately by the maximum channel width B max determined along the main extension direction of the channels. So z. B. B max ≤ λ W ≤ 2 · B max . It is particularly advantageous if the straight webs and the corrugated webs are arranged alternately. For example, the webs can then be arranged such that the sum of the cross sections of two immediately adjacent channels along the main extension direction of the channels is approximately constant. This then typically involves the cross section of a first of the immediately adjacent channels decreasing as the cross section of the second of the immediately adjacent channels increases, and vice versa. Similar to the example described above, in which adjacent channels have periodic bumps with staggered periods, such an arrangement can promote gas exchange between the immediately adjacent channels, which positively influences the water transfer rate of the water transfer medium as described.
Die Leitgeometrien können auch domartige Erhebungen umfassen, die auf dem Kanalboden und/oder an den Kanalseitenwänden angeordnet sind. Diese können z. B. mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden, bei der gerade und gewellte Stege alternierend auf der Strömungsplatte angeordnet sind. Die domartigen Erhebungen können entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals in regelmäßigen Abständen angeordnet sein. Typischerweise sind auf dem Kanalboden angeordnete domartige Erhebungen bezüglich der Kanalbreite in etwa mittig angeordnet. Sie können jedoch auch von der Kanalmitte weg nahe einer der Kanalseitenwände angeordnet sein. Vorzugsweise sind die domartigen Erhebungen in Strömungsrichtung jeweils hinter dem Bereich maximaler Kanalbreite angeordnet, so dass sie eine besonders effektive Verringerung des Kanalquerschnitts bewirken. Die domartigen Erhebungen können unterschiedliche Geometrien aufweisen. Beispielsweise können sie in Draufsicht ein runde, ovale oder abgerundet-vieleckige Grundform haben; der Querschnitt kann z. B. viereckig, abgerundet-dreieckig, oder anderweitig abgerundet sein, wobei die abgerundete Seite zumindest abschnittsweise in Richtung des Wassertransfermediums weist. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn diese domartigen Erhebungen oder zumindest eine von ihnen in ihrer Erstreckung in Haupterstreckungsrichtung des betreffenden Kanals und/oder quer zu dieser eine sich verändernde Höhe aufweist, da hierdurch dem durchgeführten Gas besonders effektiv ein Drall verliehen werden kann.The guiding geometries may also comprise dome-shaped elevations arranged on the channel bottom and / or on the channel side walls. These can be z. B. are combined with the embodiment described above, are arranged in the straight and corrugated webs alternately on the flow plate. The dome-like projections may be arranged at regular intervals along the main extension direction of the channel. Typically, arranged on the channel bottom dome-like elevations with respect to the channel width are arranged approximately centrally. However, they can also be arranged away from the middle of the channel near one of the channel side walls. Preferably, the dome-like elevations in the flow direction are each arranged behind the region of maximum channel width, so that they bring about a particularly effective reduction of the channel cross section. The dome-like elevations may have different geometries. For example, they may have a round, oval or rounded-polygonal basic shape in plan view; the cross section can z. B. square, rounded-triangular, or otherwise be rounded, the rounded side has at least partially in the direction of the water transfer medium. In particular, it has proved to be advantageous if these dome-like elevations or at least one of them in its extension in the main extension direction of the channel in question and / or transversely to this has a changing height, as a result, the gas carried can particularly effectively impart a twist.
Werden die domartigen Erhebungen in Kombination mit Stegen zwischen den Kanälen eingesetzt, können sie sämtlich eine geringere Höhe als die Stege aufweisen, die bis zur Stützstruktur oder – falls eine solche nicht vorhanden ist – zum Wassertransfermedium reichen, wobei sie sich untereinander in ihrer Höhe unterscheiden können und auch die Höhe einer domartigen Erhebung nicht über deren gesamte Fläche gleich bleiben muss. Die Höhe der domartigen Erhebungen beträgt dabei vorzugsweise zwischen 20 und 50 Prozent der Höhe der Stege. Werden die domartigen Erhebungen jedoch auf einer Strömungsplatte ohne zusätzliche langgestreckte Stege eingesetzt, muss zumindest ein Teil der domartigen Erhebungen bis zur Stützstruktur oder – falls eine solche nichtvorhanden ist – zum Wassertransfermedium reichen.The dome-like projections used in combination with webs between the channels, they may all have a lower height than the webs, which extend to the support structure or - if one does not exist - the water transfer medium, they may differ in height with each other and the height of a dome-like elevation does not have to remain the same over its entire area. The height of the dome-like elevations is preferably between 20 and 50 percent of the height of the webs. However, if the dome-like elevations are deployed on a flow plate without additional elongated lands, at least a portion of the dome-like elevations must reach the support structure or, if one is absent, the water transfer medium.
In einer weiteren Ausführungsform können die Leitgeometrien auch unterschiedliche Höhen von kanalbegrenzenden Stegen, insbesondere auf der Hochdruckseite des Wassertransfermediums, also auf dessen trockener Seite, umfassen. Hierzu können Stege beispielsweise einen wellenförmigen Verlauf ihrer Höhen aufweisen, abschnittsweise ggf. sogar auf eine Höhe von 0 reduziert sein. Grundsätzlich ist zwar vorstellbar, sämtliche kanalbegrenzenden Stege wellenförmig zu gestalten, insbesondere mit phasenverschobenen Wellen bei einander nächstliegenden Stegen, es ist jedoch aus Stabilitätsgründen und im Hinblick auf die Dauerhaltbarkeit der Membran bevorzugt, wenn nur ein Teil der Stege, beispielsweise jeder zweite Steg, eine über seinen Verlauf variierende Höhe aufweist.In a further embodiment, the guide geometries can also comprise different heights of channel-limiting webs, in particular on the high-pressure side of the water-transfer medium, ie on its dry side. For this purpose, webs may, for example, have a wave-shaped course of their heights, sections may even be reduced to a height of 0. In principle, it is conceivable to make all channel-limiting webs wavy, in particular with phase-shifted waves at each other nearest webs, but it is preferred for stability reasons and in terms of durability of the membrane, if only a portion of the webs, for example, every other web, one about its course has varying height.
Selbstverständlich können die verschiedenen hier beschriebenen Leitgeometrien miteinander kombiniert werden. Ein und derselbe Kanal kann also Leitgeometrien unterschiedlicher Art aufweisen. Beispielsweise kann ein und derselbe Kanal sowohl einen wenigstens abschnittweise wellenartig ausgebildeten Kanalboden als auch Kanalseitenwände mit wenigstens abschnittweise sich ändernder Neigung gegenüber dem Kanalboden aufweisen. Ebenso Kanalseitenwände mit wenigstens abschnittweise sich ändernder Neigung gleichzeitig parallel zur Planflächenebene der Strömungsplatte ein sägezahnartiges Profil aufweisen. Ebenso können bei diesen Ausführungsformen in oder an den Kanalwänden Ausnehmungen und/oder Vorsprünge zum wenigstens teilweisen Umleiten des im Kanal strömenden Gases vorgesehen sein, wie oben beschrieben. Auch können nebeneinander auf einer Oberfläche einer Strömungsplatte angeordnete Kanäle unterschiedliche Leitgeometrien aufweisen.Of course, the various guiding geometries described here can be combined with each other. One and the same channel can therefore have guide geometries of different types. For example, one and the same channel may have an at least partially wave-like channel bottom as well as channel side walls with at least partially changing inclination relative to the channel bottom. Likewise, channel side walls with at least partially changing inclination simultaneously have a sawtooth-like profile parallel to the planar surface plane of the flow plate. Likewise, in these embodiments, recesses and / or projections for at least partially redirecting the gas flowing in the channel can be provided in or on the channel walls, as described above. Also, channels arranged side by side on a surface of a flow plate may have different guide geometries.
Ausführungsbeispiele des hier vorgeschlagenen Befeuchters sind in den Figuren dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die Figuren sind dabei nicht maßstabgetreu, insbesondere bezüglich der Verhältnisse von Breiten, Wellenlängen und Tiefen. Die Kanalgeometrien sind in den Figuren teilweise als geprägte Strukturen mit gleichbleibender Wandstärke, teilweise als gespritzte Strukturen mit massiven Zwischenbereichen oder als deren Negative dargestellt. Hiervon unabhängig sind sämtliche Kanalgeometrien sowohl für geprägte Metallplatten als auch für gespritzte Kunststoffplatten anwendbar, wobei jedoch die Wandstärken variieren. Es zeigt:Embodiments of the humidifier proposed here are shown in the figures and will be explained in more detail with reference to the following description. The figures are not to scale, in particular with regard to the ratios of widths, wavelengths and depths. The channel geometries are partly in the figures as embossed structures with constant wall thickness, partly as sprayed structures with massive intermediate areas or represented as their negatives. Irrespective of this, all channel geometries can be used for embossed metal plates as well as for injection molded plastic plates, although the wall thicknesses vary. It shows:
Die Durchführung von Gasen in der Stapelrichtung
Die einzelnen Strömungsplatten bzw. auch die Befeuchtermodule des Befeuchters
Bei der in
Die in den
Zum Wassertransfermedium
Die Kanäle
Was bis hier und im Folgenden nur beispielhaft zur Ausgestaltung der Kanäle
In
An den in
Die länglichen Vorsprünge
Die Kanäle
Die Vorsprünge
Die Kanalseitenwände
Zwischen je zwei aufeinander folgenden Kanten befinden sich Kanalabschnitte M1, M2, M3 usw., die jeweils gleich ausgebildet sind. Die Sägezahnprofile der Kanalseitenwände
Die Ausgestaltung der Kanten zwischen den Kanalabschnitten M1, M2, M3 usw. ist in
Deutlich zu erkennen ist, wie sich der senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte
Durch die abrupte Änderung des Querschnitts A im Bereich der Kanten K1, L1, K2, L2 usw. entstehen im Bereich der Kanten wiederum jeweils senkrecht zur Planflächenebene der Strömungsplatte
Die anhand der
Selbstverständlich ist es ebenso denkbar, dass sich die Neigungswinkel β1 und/oder β2 nicht oder nicht nur kontinuierlich ändern, wie in den
Die Neigungswinkel β1 und/oder β2 ändern sich entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals
Die in den
Die
Weitere Ausführungsformen der Kanäle
Die in den
In den Beispielen der
Natürlich muss die Modulation der Kanaltiefe nicht periodisch oder kontinuierlich erfolgen, wie in den
Eine Modulation der Kanaltiefe T gemäß den
In dem in
Auf den Kanalböden
Entlang der Haupterstreckungsrichtung des Kanals
Je nach Ausgestaltung des wellenartigen Verlaufs des Stegs
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Legal Events
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R207 | Utility model specification | ||
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R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years | ||
R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R152 | Utility model maintained after payment of third maintenance fee after eight years |