DE202019102394U1 - Fliehkraftabscheider - Google Patents

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Abstract

Fliehkraftabscheider (1) zum Trennen eines Liquides von einem liquidbeladenen Strom, umfassend einen sich entlang einer Längsachse (9) erstreckenden Strömungsleitkörper (3) mit einer konkav geformte Kegelmantelfläche (5), die sich in Längsachsenströmungsrichtung (L) weitet, um den auf den Strömungsleitkörper (3) zuströmenden liquidbeladenen Strom in Radialrichtung (R) zur Längsachse (9) umzulenken.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fliehkraftabscheider zum Trennen eines Liquides von einem liquidbeladenen Strom. Vorzugsweise wird der Fliehkraftabscheider zum Abscheiden von Flüssigwasser aus einem wasserbeladenen Strom, insbesondere einem wasserbeladenen Produktstrom einer Brennstoffzelle, eingesetzt. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelle und einen in einem Wasserpartikel führenden Leitungssystem angeordneten Fliehkraftabscheider.
  • Der Fliehkraftabscheider kann in seinem bevorzugten Einsatzgebiet auch als Liquidabscheider oder als Wasserabscheider bezeichnet werden. Wasserabscheider in Brennstoffzellensystemen werden insbesondere zur Regulierung des Wasserhaushaltes des Brennstoffzellensystems eingesetzt. Je nach Brennstoffzelle, Anwendungsgebiet und gegebenenfalls vorgelagertem Prozess zur Wasserstoffgewinnung kann es erforderlich sein an einigen Stellen Wasser aus einer Strömung abzuscheiden und es an anderen Stellen wieder zuzuführen. Beispielsweise kann Wasser aus einem Produktstrom einer Brennstoffzelle abgeschieden werden, um der Brennstoffzelle nicht verwertete Edukte, wie Wasserstoff und/oder Sauerstoff, zurückführen zu können. Bei Polymerelektrolytbrennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) kann das abgeschiedene Wasser beispielsweise für die Befeuchtung des Edukt-Luft-Stroms genutzt werden, um die Ionenaustauschmembran der Polymerelektrolytbrennstoffzellen vor einer Austrocknung zu schützen. Bei Verbrennungsprozessen, die einer Brennstoffzelle nachgeschaltet sein können, um nicht verwerteten Wasserstoff oder Sauerstoff zu verbrennen, können Wasserabscheider zwischen Brennstoffzelle und Brenner geschaltet werden, um den Wassergehalt der dem Brenner zugeführten Ströme zu reduzieren. Alternativ oder zusätzlich können Wasserabscheider auch einem Brenner nachgeschaltet werden, um das dabei entstehende Wasser zurückzugewinnen. Neben der Verwendung des abgeschiedenen Wassers für die Befeuchtung von Strömen, kann dieses auch einem Verdampfer zur Erzeugung von Wasserdampf für einen Dampfreformer oder einem Wasser-Gas-Shift Reaktor zur Umwandlung von Methanol in Wasserstoff zugeführt werden.
  • Bei Liquidabscheidern kann zwischen aktiven und passiven Abscheidern unterschieden werden. Bei aktiven Abscheidern wird der Liquidstrom mit einer zusätzlichen Energie beaufschlagt, um eine erhöhte Effizienz bei der Abscheidung zu erzielen. Dafür kann beispielsweise ein Schaufelrad von einem Motor angetrieben werden, das den liquidbeladenen Strom in eine Rotationsbewegung versetzt. Durch die dabei entstehende Zentrifugalkraft wird das Liquid aus dem Strom abgeschieden. Bei passiven Abscheidern wird die Abscheidung hingegen insbesondere über die geometrische Ausgestaltung des Abscheiders bewirkt. So wird beispielsweise bei einem Zyklonabscheider ein liquidbeladener Strom durch die Form des Zyklonabscheiders in Rotation versetzt, um das Liquid mit einer Zentrifugalkraft zu beaufschlagen. Dadurch kann das Beaufschlagen des Liquidstroms mit einer zusätzlichen Energie entfallen, sodass ein Antrieb eingespart werden kann. Ferner kann durch den eingesparten Antrieb auch der Platzbedarf des Liquidabscheiders reduziert werden.
  • Nichtsdestotrotz ist der Raumbedarf von bekannten, passiven Liquidabscheidern, wie Zyklonabscheidern, insbesondere für eine Anwendung in Brennstoffzellenantrieben, wie bei Brennstoffzellenfahrzeugen, unbefriedigend groß. In DE 10120 018 A1 wird ein Wasserabscheider vorgestellt, mit dem der Raumbedarf eines Wasserabscheiders reduziert werden soll. Dazu wird in einem Einlassrohr eines Wasserabscheiders eine Verwirbelungseinrichtung mit mehreren sich helixförmig um eine zentrale Welle erstreckenden bogenförmigen Schaufeln vorgesehen, die den wasserbeladenen Strom in eine Wirbelbewegung versetzen und dadurch das Wasser zentrifugal aus dem wasserbeladenen Strom an die Wandung des Einlassrohrs treiben. Das auf diese Weise abgeschiedene Wasser strömt entlang der Wandung des Einlassrohrs durch einen Spalt zwischen dem Einlassrohr und einem Auslassrohr in einen Sammelbehälter. Der verbleibende Strom strömt mittig und von der Wandung des Einlassrohrs beabstandet in ein Auslassrohr. Der mit dieser Ausführungsform erzielte Abscheidegrad hat sich bei einigen Anwendungen jedoch als nicht ausreichend erwiesen. Ferner hat sich die darin vorgestellte Lösung zwar als relativ platzsparend quer zur Strömungsrichtung, jedoch als nicht ausreichend platzsparend in Strömungsrichtung erwiesen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, insbesondere einen Fliehkraftabscheider bereitzustellen, der einen erhöhten Abscheidegrad aufweist und/oder einen kleineren Raumbedarf, insbesondere in Strömungsrichtung, aufweist.
  • Die Aufgabe wird durch den Gegenstand von Anspruch 1 gelöst.
  • Demnach ist ein Fliehkraftabscheider zum Trennen eines Liquides von einem liquidbeladenen Strom vorgesehen, der einen sich entlang einer Längsachse erstreckenden Strömungsleitkörper mit einer konkav geformten Kegelmantelfläche umfasst, die sich in Längsachsenströmungsrichtung weitet, um den auf den Strömungsleitkörper zuströmenden liquidbeladenen Strom in Radialrichtung zur Längsachse umzulenken. Unter Fliehkraftabscheider ist vorzugsweise ein Liquidabscheider, besonders bevorzugt ein Wasserabscheider, zu verstehen. Unter dem liquidbeladenen Strom ist insbesondere ein liquidbeladener Gasstrom zu verstehen. Vorzugsweise umfasst der Strom Luft, insbesondere Sauerstoff, und/oder Gase, wie Wasserstoff, die durch eine Reaktion mit Sauerstoff Energie freisetzen. Dabei kann es sich um Verbrennungsprozesse handeln, bei denen das Verbrennungsgas durch die Reaktion mit Sauerstoff Wärmeenergie freigibt. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um Wasserstoff, der durch Reaktion mit Sauerstoff in einer Brennstoffzelle Elektronen freigibt, die derart abgeleitet werden, dass ein elektrischer Strom erzeugt wird. Neben dem Gasstrom umfasst der liquidbeladene Strom ein Liquid mit dem der Gasstrom beladen ist. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Liquid um Flüssigwasser, das insbesondere bei der Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff in der Brennstoffzelle entsteht.
  • Unter dem Trennen des Liquides von dem liquidbeladenen Strom ist insbesondere zu verstehen, dass der Liquidanteil in dem liquidbeladenen Strom reduziert wird. Es sei klar, dass darunter nicht zwingend zu verstehen ist, dass sämtliche Liquide von dem liquidbeladenen Strom getrennt werden. Zuvor und im Folgenden wird der Begriff Trennen analog zu dem Begriff Abscheiden verwendet.
  • Unter dem Liquid ist insbesondere eine Vielzahl von Liquidpartikeln, insbesondere ein Liquidpartikelstrom zu verstehen. Bevorzugt wird der Fliehkraftabscheider in liquidbeladenen Strömungen eingesetzt, bei denen es sich bei dem Liquid bzw. den Liquidpartikeln um Wasser bzw. Wasserpartikel handelt. Der liquidbeladene Strom umfasst insbesondere das Liquid und einen Gasstrom, der mit dem Liquid beladen ist. Die Gasströmung kann beispielsweise eine Luftströmung, eine Sauerstoffströmung und/oder eine Eduktströmung, wie eine Strömung von Verbrennungsgasen oder von Wasserstoff, sein. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Gasströmung um den Produktstrom einer Brennstoffzelle. Besonders bevorzugt umfasst der Gasstrom Sauerstoff und Wasserstoff. Der liquidbeladene Strom umfasst vorzugsweise Sauerstoff, Wasserstoff und Wasserpartikel.
  • Bevorzugt ist der Fliehkraftabscheider dazu ausgelegt, Liquide von einem liquidbeladenen Strom mit einem Volumenstrom von wenigstens 50 l/min, 100 l/min, 200 l/min oder 400 l/min, besonders bevorzugt von 600 l/min bis 1000 l/min, abzuscheiden. Darunter ist insbesondere zu verstehen, dass der Fliehkraftabscheider derart ausgelegt sein soll, dass er bei derartigen Volumenströmen einen wesentlichen Teil des Liquides von dem liquidbeladenen Strom trennen kann. Unter einem wesentlichen Teil ist in diesem Zusammenhang insbesondere wenigstens 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% des Liquides zu verstehen, mit dem der Strom beladen ist. Besonders bevorzugt ist unter dem Trennen des Liquides von einem liquidbeladenen Strom ein Trennen von 99% des Liquides von dem liquidbeladenen Strom zu verstehen.
  • Bei dem Fliehkraftabscheider handelt es sich bevorzugt um einen passiven Fliehkraftabscheider. Unter einem passiven Fliehkraftabscheider ist insbesondere ein Abscheider zu verstehen, bei dem das Trennen des Liquides von dem liquidbeladenen Strom im Wesentlichen über die geometrische Ausgestaltung des Abscheiders erfolgt. Vorzugsweise ist der passive Fliehkraftabscheider frei von einem Antrieb, wie einem Motor, über den der Fliehkraftabscheider angetrieben wird, um das Trennen des Liquides von dem liquidbeladenen Strom zu erzielen. Dadurch kann insbesondere der für die Abscheidung erforderliche Bauraum reduziert werden. Ferner können dadurch insbesondere die Kosten, beispielsweise Anschaffungskosten und Wartungskosten, reduziert werden.
  • Der Strömungsleitkörper dient insbesondere der Beaufschlagung des liquidbeladenen Stroms mit einer Zentrifugalkraft (Fliehkraft), um das Liquid von dem liquidbeladenen Strom zu trennen. Durch die konkav geformte Kegelmantelfläche, die sich in Längsachsenströmungsrichtung weitet, wird ein in Längsachsenströmungsrichtung auf den Strömungsleitkörper zuströmender liquidbeladener Strom in Radialrichtung zur Längsachse umgelenkt. Dabei wird der liquidbeladene Strom insbesondere durch die konkav geformte Kegelmantelfläche auf eine trompetentrichterartige bzw. stalaktitartige Bahn gelenkt, wodurch eine insbesondere orthogonal auf die Kegelmantelfläche gerichtete Radialkraftkomponente erzeugt wird, die insbesondere das Liquid von dem liquidbeladenen Strom trennt. Unter der trompetentrichterartigen Bahn, auf die der liquidbeladene Strom umgelenkt wird, ist insbesondere zu verstehen, dass ein in Längsachsenströmungsrichtung auf die Kegelmantelfläche zuströmender Strom in Radialrichtung aufgefächert wird und dabei durch die Konkavität der Kegelmantelfläche in eine Drehbewegung versetzt wird. Dabei erfolgt die Drehbewegung des liquidbeladenen Stroms insbesondere um eine sich ringförmig um die Längsachse erstreckende Achse. Durch die auf die Kegelmantelfläche gerichtete Zentrifugalkraft wird das Liquid insbesondere gegen die Kegelmantelfläche getrieben und an dieser von dem fluidbeladenen Strom abgeschieden. Vorzugsweise erstreckt sich die konkav geformte Kegelmantelfläche in Radialrichtung über wenigstens 40%, 60%, 80% oder 90% des Strömungsleitkörpers. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass die durch die erfindungsgemäße Maßnahme erzeugte Drehbewegung des liquidbeladenen Stroms um die sich ringförmig um die Längsachse erstreckende Drehachse ein gegenüber den bekannten Strömungsleitkörpern erhöhter Abscheidegrad erzielt werden kann. Ferner hat sich herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Maßnahme der für die Abscheidung erforderliche Bauraum insbesondere in Längsachsenströmungsrichtung reduziert werden kann.
  • Unter der Längsachsenströmungsrichtung ist insbesondere die Strömungsrichtung des liquidbeladenen Stroms entlang der Längsachse des Strömungsleitkörpers zu verstehen. Insbesondere ist die Längsachsenströmungsrichtung parallel zur Längsachse ausgerichtet und zeigt vom stromaufwärtigen Ende des Strömungsleitkörpers in Richtung des stromabwärtigen Endes des Strömungsleitkörpers.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kegelmantelfläche, vorzugsweise der Strömungsleitkörper, rotationsförmig, vorzugsweise rotationssymmetrisch, ausgebildet. Vorzugsweise ist die Kegelmantelfläche rotationssymmetrisch zur Längsachse ausgebildet. Es sei klar, dass unter einer rotationssymmetrischen Ausbildung nicht zwingend eine ideale Rotationssymmetrie gemeint ist. Kleine Abweichungen von der Rotationssymmetrie, beispielsweise aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten oder aufgrund von Montagevorsprüngen, sollen der Rotationssymmetrie der Kegelmantelfläche oder des Strömungsleitkörpers nicht im Wege stehen. Die für die Umlenkung des fluidbeladenen Stromes maßgebliche Fläche der Kegelmantelfläche soll jedoch vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch sein. Vorzugsweise ist unter der rotationsförmigen Kegelmantelfläche zu verstehen, dass sich die Kegelmantelfläche trompetentrichterförmig oder stalaktitförmig entlang einer Rotationssymmetrieachse, insbesondere der Längsachse, erstreckt. Unter einer trompetentrichterförmigen Kegelmantelfläche ist insbesondere eine Kegelmantelfläche zu verstehen, die sich ausgehend von einem stromaufwärtigen Umfang in Längsachsenströmungsrichtung radial zu einem stromabwärtigen Umfang weitet. Dem gegenüber ist unter einer stalaktitförmigen Kegelmantelfläche insbesondere zu verstehen, dass sich diese im Wesentlichen ausgehend von der Längsachse in Längsachsenströmungsrichtung radial zu einem stromabwärtigen Umfang weitet. Der stromabwärtige Umfang ist vorzugsweise wenigstens 1,5 Mal, 2 Mal, 2,5 Mal, 3 Mal oder 4 Mal größer als der stromaufwärtige Umfang. Insbesondere soll eine Kegelmantelfläche, deren stromabwärtiger Umfang wenigstens 5 Mal, 6 Mal, 7 Mal, 8 Mal, 9 Mal oder 10 Mal so groß ist wie deren stromaufwärtiger Umfang als stalaktitförmige Kegelmantelfläche angesehen werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bildet die konkav geformte Kegelmantelfläche im Querschnitt wenigstens einen Bogenabschnitt, vorzugsweise über einen Winkel von wenigstens 15°, 30°, 45°, 60° oder 75°, wobei im Querschnitt vorzugsweise zwei insbesondere spiegelsymmetrisch zur Längsachse verlaufende Bogenabschnitte gebildet sind. Unter dem Querschnitt ist insbesondere ein mittiger Schnitt durch den Strömungsleitkörper in einer sich in Radialrichtung und Längsachsenströmungsrichtung erstreckenden Ebene zu verstehen. Die Angabe des Winkels des Bogenabschnittes ist in diesem Zusammenhang nicht dahingehend zu verstehen, dass der Bogenabschnitt eine konstante Krümmung aufweisen muss. Vielmehr ist es bevorzugt, dass der Krümmungsradius des Bogenabschnitts sich in Längsachsenströmungsrichtung verkleinert. Die angegebenen bevorzugten Winkelbereiche werden zwischen der Längsachse und einer Tangente am stromabwärtigen Ende der Kegelmantelfläche gemessen, wobei der Winkel ausgehend von der Längsachse in die zur Längsachsenströmungsrichtung entgegengesetzte Richtung bis zur Tangente gemessen wird. Besonders bevorzugt beträgt dieser Winkel zwischen 80 und 90°.
  • In einem bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der Strömungsleitkörper wenigstens einen, vorzugsweise 2 bis 20,4 bis 18,6 bis 16 oder 8 bis 14, Leitflügel zum Umlenken des auf die Längsachse zuströmenden Stroms in Umfangsrichtung zur Längsachse auf. Durch diese bevorzugte Ausführungsform wird insbesondere zusätzlich zur Fliehkraftkomponente in Folge der Umlenkung in Radialrichtung eine weitere Fliehkraftkomponente in Folge der Umlenkung des liquidbeladenen Stroms in Umfangsrichtung zur Längsachse bereitgestellt. Dadurch kann insbesondere der Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders erhöht werden. Insbesondere versetzen die Leitflügel den liquidbeladenen Strom in eine Rotationsbewegung um die Längsachse. Dadurch entsteht insbesondere eine Radialkraftkomponente, die orthogonal auf die Leitflügel gerichtet ist und das Liquid gegen diese treibt, so dass das Liquid zusätzlich an den Leitflügeln abgeschieden wird. Vorzugsweise erstrecken sich die Leitflügel rotationssymmetrisch um die Längsachse.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der wenigstens eine Leitflügel in Umfangsrichtung um die Längsachse gekrümmt und weist vorzugsweise einen in Radialrichtung kleiner werdenden Krümmungsradius auf.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt der wenigstens eine Leitflügel orthogonal an die Kegelmantelfläche an. Alternativ oder zusätzlich steht vorzugsweise der wenigstens eine Leitflügel in die zur Längsachsenströmungsrichtung entgegengesetzte Richtung von der Kegelmantelfläche vor. Alternativ oder zusätzlich erstreckt sich der wenigstens eine Leitflügel entlang der Kegelmantelfläche in Radialrichtung und in Umfangsrichtung. Insbesondere durch die Kombination der Leitflügel und der Kegelmantelfläche wird bewirkt, dass der liquidbeladene Strom in mehrere Teilströme unterteilt wird, die von der Kegelmantelfläche und von zwei in Umfangsrichtung benachbarten Leitflügeln begrenzt werden. Dadurch steht den Teilströmen eine erhöhte Abscheidefläche zur Verfügung, wodurch abermals der Abscheidegrad erhöht wird. Vorzugsweise sind der wenigstens eine Leitflügel und die Kegelmantelfläche derart angeordnet, dass zwischen den Leitflügeln der Kegelmantelfläche strömende Teilströme entlang eines Strömungskanals geführt werden, der in Umfangsrichtung gekrümmt ist, dessen Umfangserstreckung sich in Radialrichtung weitet, und/oder dessen Erstreckung entlang der Längsachse in Längsachsenströmungsrichtung steigt.
  • Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass insbesondere durch die Kombination von Leitflügeln und einer konkav geformten Kegelmantelfläche die durch die Umlenkung des liquidbeladenen Stroms in Umfangsrichtung bewirkte Abscheidung des Liquides im Vergleich zu den bekannten helixförmigen Leitflügelanordnungen auf einem kleineren Bauraum erzielt werden kann. Eine mögliche Erklärung hierfür ist, dass durch die Erstreckung der Leitflügel entlang der sich radial weitenden Kegelmantelfläche die Erstreckung der Leitflügel zugunsten der Längserstreckung derselben in Radialrichtung verlagert werden kann.
  • Wenn zuvor oder nachfolgend eine Fläche als konkav bezeichnet wird, so ist damit stets die Fläche gemeint, die von dem liquidbeladenen Strom umströmt wird. Sowohl konkav umströmte Flächen als auch konvex umströmte Flächen können eine Strömung in einer Drehbewegung versetzen. Vorteilhaft an konkav geformten Flächen ist jedoch insbesondere, dass die dabei entstehende Zentrifugalkraft auf die konkav geformten Flächen gerichtet ist, sodass das durch die Zentrifugalkraft abgeschiedene Liquid in Richtung der konkav geformten Fläche getrieben wird, an der es abgeleitet werden kann. Demgegenüber ist die Radialkraft bei einer konvex geformten Fläche von der Fläche weggerichtet, so dass das abgeschiedene Wasser von der Fläche weggetrieben wird und gegebenenfalls separate Ableitvorrichtungen vorgesehen sein müssen, was wiederum den Bauraumbedarf für die Abscheidung erhöhen kann.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Fliehkraftabscheider ferner einen den Strömungsleiterkörper umgebenden, sich entlang einer Mantelachse erstreckenden Liquidleitmantel zum Weiterleiten des abgeschiedenen Liquides, wobei vorzugsweise der Liquidleitmantel abschnittsweise hohlzylinderförmig ist und/oder die Mantelachse sich entlang, vorzugsweise parallel, der Längsachse erstreckt und/oder abschnittsweise eine konkav geformte Trichtermantelfläche aufweist, die sich in Längsachsenströmungsrichtung weitet. Vorzugsweise entspricht die Mantelachse des Liquidleitmantels der Längsachse des Strömungsleitkörpers. Besonders bevorzugt ist der Liquidleitmantel rotationsförmig, vorzugsweise rotationssymmetrisch ausgebildet. Vorzugsweise umgibt der Liquidleitmantel den Strömungsleitkörper in Umfangsrichtung vollständig. Besonders bevorzugt überschneiden sich der Liquidleitmantel und der Strömungsleitkörper, insbesondere die Kegelmantelfläche, in Radialrichtung. Besonders bevorzugt ragt der radiale Außenbereich der Kegelmantelfläche in den radialen Innenbereich des Liquidleitmantels. Die Überlappung zwischen Umlenkkörper und Liquidleitmantel in Radialrichtung beträgt vorzugsweise wenigstens 5%, 10% oder 20% und/oder höchstens 40%, 50% oder 60% der Gesamterstreckung des Umlenkkörpers in Radialrichtung. Vorzugsweise ist der radiale Außenabschnitt der Kegelmantelfläche in Längsachsenströmungsrichtung von dem radialen Innenabschnitt des Liquidleitmantels beabstandet. Besonders bevorzugt ist der Strömungsleitkörper über einen radialen Außenabschnitt des wenigstens einen Leitflügel mit dem radialen Innenabschnitt des Liquidleitmantels verbunden. Die Verbindung zwischen Strömungsleitkörper und Liquidleitmantel kann beispielsweise formschlüssig, stoffschlüssig oder kraftschlüssig erfolgen.
  • Vorzugsweise sind Strömungsleitkörper und Liquidleitmantel derart aufeinander abgestimmt, dass zwischen dem radialen Außenabschnitt des Strömungsleitkörpers und dem Liquidleitmantel ein ringförmiger Strömungskanal gebildet wird, in dem der den Strömungsleitkörper verlassende Strom um die Mantelachse rotieren kann und/oder in einer Drehbewegung um eine sich ringförmig um die Mantelachse erstreckende Achse rotieren kann.
  • Vorzugsweise weist der Liquidleitmantel eine konkav geformte Trichtermantelfläche auf, die sich in Längsachsenströmungsrichtung weitet. Im Gegensatz zu der Kegelmantelfläche des Strömungsleitkörpers, deren Außenfläche, in Radialrichtung gesehen, von dem liquidbeladenen Strom angeströmt wird, wird bei der Trichtermantelfläche die Innenfläche, in Radialrichtung gesehen, von dem liquidbeladenen Strom angeströmt. Vorzugsweise ist die konkav geformte Trichtermantelfläche stromabwärts des Strömungsleitkörpers angeordnet, so dass der den Strömungsleitkörper verlassende Strom von der konkav geformten Trichtermantelfläche ein weiteres Mal umgelenkt wird, insbesondere in eine Drehbewegung um eine sich insbesondere ringförmig um die Mantelachse erstreckende Achse umgelenkt wird. Die dabei erzeugte Zentrifugalkraft ist insbesondere auf die konkav geformte Trichtermantelfläche gerichtet, so dass abgeschiedenes Liquid insbesondere gegen die Trichtermantelfläche getrieben wird, von welchem es abgeleitet werden kann. Vorzugsweise vergrößert sich der Krümmungsradius der konkav geformten Trichtermantelfläche in Längsachsenströmungsrichtung. Besonders bevorzugt weist die konkav geformte Trichtermantelfläche im Querschnitt zwei insbesondere spiegelsymmetrisch zur Mantelachse verlaufende Bogenabschnitte über einen Winkel von wenigstens 15°, 30°, 45°, 60° oder 75° auf. Besonders bevorzugt verlaufen der radiale Außenbereich der Kegelmantelfläche und der radiale Innenbereich der Trichtermantelfläche abschnittsweise im Wesentlichen parallel zueinander und/oder begrenzen in Längsachsenströmungsrichtung den sich ringförmig um die Mantelachse und/oder die Längsachse erstreckenden Strömungskanal zwischen Strömungsleitkörper und Liquidleitmantel. Der ringförmige Strömungskanal zwischen Strömungsleitkörper und Liquidleitmantel ist vorzugsweise durch die Leitflügel des Liquidleitmantels in mehrere in Umfangsrichtung insbesondere äquidistant zueinander angeordnete Strömungskanalabschnitte unterteilt. Die Strömungskanalabschnitte sind in Umfangsrichtung vorzugsweise durch die Leitflügel des Liquidleitmantels und/oder in Längsachsenströmungsrichtung durch die Kegelmantelfläche und die Trichtermantelfläche begrenzt.
  • Der Liquidleitmantel dient einerseits dem Auffangen und Ableiten von abgeschiedenem Liquid, das von dem Umlenkkörper stromabwärts abgegeben wird, und andererseits dem Trennen von stromabwärts des Umlenkkörpers noch in dem Strom befindlichem Liquid. Durch diese Funktionskombination kann insbesondere der Abscheidegrad erhöht und/oder der Bauraumbedarf für die Abscheidung reduziert werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung weist der Liquidleitmantel wenigstens einen, vorzugsweise 2 bis 20,4 bis 18,6 bis 16 oder 8 bis 14, Leitflügel zum Umlenken des auf den Liquidleitmantel zuströmenden Stroms in Umfangsrichtung zur Mantelachse auf. Dadurch kann insbesondere eine zusätzliche Fliehkraftkomponente bereitgestellt werden, wodurch der Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders erhöht werden kann. Der Fachmann wird unter Berücksichtigung der obigen und folgenden Ausführungen zur Anordnung der Leitflügel relativ zur Kegelmantelfläche erkennen, dass er diese auf die Anordnung der Leitflügel zum Liquidleitmantel übertragen kann und umgekehrt, um den Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders weiter zu erhöhen und/oder den Bauraumbedarf des Fliehkraftabscheiders zu reduzieren.
  • Vorzugsweise sind Strömungsleitkörper und Liquidmantel derart zueinander angeordnet, dass der liquidbeladene Strom in einen S-förmigen Verlauf umgelenkt wird. Besonders bevorzugt begrenzt die Kegelmantelfläche und die Trichtermantelfläche im Querschnitt einen S-förmigen Kanal, der sich vorzugsweise in Längsachsenströmungsrichtung radial weitet. Besonders bevorzugt erstreckt sich der S-förmige Kanal in Längsachsenströmungsrichtung zunächst entlang der Längsachse, beschreibt bis zum Scheitelpunkt des S-förmigen Verlaufs einen gekrümmten Verlauf in Radialrichtung, insbesondere in Richtung des Liquidleitmantels, beschreibt stromabwärts des Scheitelpunktes einen gekrümmten Verlauf in Längsachsenströmungsrichtung und geht schließlich in einen sich insbesondere in Längsachsenströmungsrichtung erstreckenden Verlauf über.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt der wenigstens eine Leitflügel orthogonal an den Liquidleitmantel an und/oder steht in die zur Radialrichtung entgegengesetzte Richtung von dem Liquidleitmantel vor und/oder erstreckt sich entlang des Liquidleitmantels in Längsachsenströmungsrichtung und in Radialrichtung. Insbesondere erstrecken sich die Leitflügel des Liquidleitmantels helixförmig um die Mantelachse. Zusätzlich erstrecken sich die Leitflügel vorzugsweise in Radialrichtung, wodurch insbesondere ein größerer Krümmungswinkel bei gleichbleibender Längserstreckung und gleichbleibendem Krümmungsradius erzielt werden kann. Dadurch kann abermals der Abscheidegrad erhöht und/oder die Längserstreckung des Fliehkraftabscheiders bei gleichbleibendem Abscheidegrad reduziert werden. Besonders bevorzugt wird die Erstreckung der Leitflügel in Radialrichtung dadurch erzielt, dass die Leitflügel orthogonal auf der konkav geformten Trichtermantelfläche ausgerichtet sind.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Fliehkraftabscheider eine den liquidbeladenen Strom entlang einer Zuführachse dem Strömungsleitkörper zuführende Zuführleitung und eine den liquidentladenen Strom entlang einer Abführachse von dem Strömungsleitkörper abführende Abführleitung. Vorzugsweise erstreckt sich die Zuführachse und/oder die Abführachse um wenigstens 30°, 45° oder 60° zur Längsachse des Strömungsleitkörpers geneigt. Besonders bevorzugt erstreckt sich die Zuführachse und/oder die Abführachse orthogonal zur Längsachse. Alternativ oder zusätzlich erstrecken sich die Zuführachse und die Abführachse parallel zueinander und sind besonders bevorzugt in Längsachsenströmungsrichtung zueinander versetzt. Durch die geneigte Anordnung der Zuführachse und/oder der Abführachse zu der Längsachse des Strömungsleitkörpers wird insbesondere bewirkt, dass die liquidbeladene Strömung auch stromaufwärts und stromabwärts des Strömungsleitkörpers umgelenkt wird, insbesondere in Drehbewegung versetzt wird, und somit mit einer Zentrifugalkraft beaufschlagt wird. Durch die Neigung sowohl der Zuführachse als auch der Abführachse zur Längsachse wird der liquidbeladene Strom insbesondere in einem insbesondere weiteren S-förmigen Verlauf umgelenkt, wobei der Scheitelpunkt des insbesondere weiteren S-förmigen Verlaufs insbesondere im Bereich des Strömungsleitkörpers liegt.
  • Die Zuführleitung und die Abführleitung sind vorzugsweise rohrförmig ausgestaltet. Die Zuführleitung und/oder die Abführleitung weist an ihrem dem Strömungsleitkörper zugewandten Ende einen Umlenkbereich auf, über dem der Strom von seinem Verlauf entlang der Zuführachse in einen Verlauf entlang der Längsachse umgelenkt wird und/oder von dem Verlauf entlang einer gegenüber der Abführachse geneigten Achse in einen Verlauf entlang der Abführachse gelenkt wird. Vorzugsweise ist der Umlenkungsabschnitt der Zuführleitung und/oder der Abführleitung um 60° bis 120°, besonders bevorzugt um 80° bis 100° oder um 90°, gegenüber der Zuführachse bzw. der Abführachse abgewinkelt.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform geht die Zuführleitung in Längsachsenströmungsrichtung in den Liquidleitmantel über, ist insbesondere einstückig mit dem Liquidleitmantel ausgestaltet. Ferner ist es bevorzugt, dass die Zuführleitung und die Abführleitung einstückig ausgebildet sind.
  • Vorzugsweise ist der S-förmige Strömungsverlauf zwischen Strömungsleitkörper und Liquidleitmantel gegenüber dem S-förmigen Verlauf zwischen Zuführleitung und Abführleitung geneigt, insbesondere um 20° bis 160°, 40° bis 140°, 60° bis 120°, 80° bis 100° oder 90° geneigt.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Fliehkraftabscheider ferner ein Auffangbecken zum Auffangen des abgeschiedenen Liquides. Vorzugsweise ist das Auffangbecken stromabwärts des Strömungsleitkörpers angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist das Auffangbecken in Gravitationsrichtung unter dem Strömungsleitkörper angeordnet. Alternativ oder zusätzlich weist das Auffangbecken einen Liquidauslass zum Ausgeben des abgeschiedenen Liquides an die Umgebung oder an einen Liquidkreislauf auf. Vorzugsweise ist der Liquidauslass in Gravitationsrichtung im unteren Bereich, insbesondere an der tiefsten Stelle, des Auffangbeckens angeordnet. Über das Auffangbecken wird das abgeschiedene Liquid vorzugsweise über den Liquidauslass aus dem Fliehkraftabscheider abgeführt. Besonders bevorzugt ist das Auffangbecken in Gravitationsrichtung unterhalb des Liquidleitmantels angeordnet. Vorzugsweise ist das Auffangbecken stromabwärts der Zuführleitung und/oder stromaufwärts der Abführleitung angeordnet. Vorzugsweise ist der Fliehkraftabscheider über ein Gehäuse gegenüber der Umgebung abgedichtet. Besonders bevorzugt umfasst das Gehäuse einen Strömungszugang, einen Strömungsausgang und/oder einen Liquidauslass. Vorzugsweise wird der Strömungszugang durch die Zuführleitung, der Strömungsausgang durch die Abführleitung und der Liquidauslass durch das Auffangbecken gebildet. Das Gehäuse umfasst vorzugsweise zwei Gehäusehälften, wobei eine Gehäusehälfte durch die Zuführleitung, die Abführleitung und/oder den Liquidleitmantel gebildet ist und/oder die andere Gehäusehälfte durch das Auffangbecken gebildet ist.
  • Vorzugsweise weist das Auffangbecken eine in Gravitationsrichtung geneigte Ablaufschräge auf, über die das abgeschiedene Liquid in Richtung des Liquidauslasses, insbesondere getrieben durch die Gravitationskraft, abgeführt wird. Besonders bevorzugt ist die Ablaufschräge um wenigstens 5°, 10° oder 15° und/oder höchstens 60°, 50°, 40° oder 30° von der Horizontalen in Gravitationsrichtung geneigt. Vorzugsweise ist das Auffangbecken in Gravitationsrichtung zu der Zuführleitung und/oder zu der Abführleitung nach unten versetzt, so dass der Strom insbesondere beim Übergang von der Zuführleitung in das Auffangbecken und/oder beim Übergang vom Auffangbecken in die Abführleitung umgelenkt wird. Dabei wird der Strom vorzugsweise derart umgelenkt, dass er mit einer Gravitationskraft beaufschlagt wird, so dass der Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders weiter erhöht wird.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelle und einen in einem Wasserpartikel führenden Leitungssystem angeordneten, erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheider, wobei das Leitungssystem vorzugsweise einen wasserbeladenen Produktstrom der Brennstoffzelle führt, wobei der Produktstrom vorzugsweise einen Volumenstrom von wenigstens 50 l/min, 100 l/min, 200 l/min oder 400 l/min, besonders bevorzugt von 600 l/min bis 1000 l/min, aufweist. Die Wasserpartikel bilden insbesondere das Liquid des liquidbeladenen Stroms. Dabei ist der liquidbeladene Strom vorzugsweise ein wasserbeladener Produktstrom der Brennstoffzelle. Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass bei den zuvor genannten bevorzugten Volumenströmen des Produktstroms ein besonders hoher Abscheidegrad erzielt werden kann.
  • Vorzugsweise ist das Leitungssystem eine Ausgangsleitung der Brennstoffzelle, über die ein wasserbeladener Produktstrom der Brennstoffzelle von der Brennstoffzelle abgeführt wird. Über den Fliehkraftabscheider werden insbesondere die Wasserpartikel von dem Produktstrom getrennt, um nicht verwertete Edukte der Brennstoffzelle, wie Sauerstoff und/oder Wasserstoff, über ein Rückführsystem der Brennstoffzelle zurückzuführen. Die abgeschiedenen Wasserpartikel können insbesondere über einen Liquidauslass an die Umgebung abgeführt werden oder zur Weiterverwendung einem Wasserkreislauf oder einem Wasserspeicher zugeführt werden. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die abgeschiedenen Wasserpartikel in Intervallen an die Umgebung abzugeben. Dadurch kann insbesondere bei niedrigen Temperaturen, wie bei - 20 °C, vermieden werden, dass kontinuierlich Wasser an die Umgebung abgegeben wird, was beispielsweise zur Vereisung von Straße führen könnte. Insbesondere kann ein Zwischenspeicher für abgeschiedene Wasserpartikel vorgesehen sein. Der Zwischenspeicher kann insbesondere derart ausgestaltet sein, dass die abgeschiedenen und darin gesammelten Wasserpartikel in vorgegebenen Intervallen automatisch an die Umgebung abgegeben. Alternativ oder zusätzlich kann der Zwischenspeicher insbesondere derart ausgebildet sein, dass die darin gesammelten Wasserpartikel bei Gelegenheit, beispielsweise beim Nachtanken von Wasserstoff, entleert werden können. Als weiterer Verwendungszweck für die abgeschiedenen Wasserpartikel kommen insbesondere Kühlkreisläufe für elektrische Komponenten, die Regulierung des Wasserhaushaltes der Brennstoffzelle und/oder die Versorgung eines Verdampfers zur Erzeugung von Wasserdampf, beispielsweise für einen Dampfreformer oder zur Umwandlung von Methanol in Wasserstoff, in Frage.
  • Unter der Anordnung des Fliehkraftabscheiders in dem Leitungssystem ist insbesondere zu verstehen, dass der Fliehkraftabscheider über eine Zuführ- und eine Abführleitung des Abscheiders mit dem Leitungssystem verbunden ist. Das Leitungssystem kann beispielsweise den Produktstrom einer Brennstoffzelle zum Fliehkraftabscheider führen, von wo aus die abgeschiedenen Wasserpartikel über einen Liquidauslass des Wasserabscheiders beispielsweise einem Wasserkreislauf zugeführt werden und der wasserentladene Produktstrom beispielsweise über eine Rückführleitung der Brennstoffzelle zurückgeführt wird, beispielsweise um nicht verwertete Edukte, wie Sauerstoff und Wasserstoff, in der Brennstoffzelle zu verwerten.
  • Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, wie es zuvor beschrieben wurde. Die Verwendung des erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheiders in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem für Brennstoffzellenfahrzeuge ist insbesondere aufgrund der Platzersparnisse von Vorteil, die der erfindungsgemäße Fliehkraftabscheider bewirkt.
  • Vorzugsweise wird der Fliehkraftabscheider zum Trennen von Flüssigwasser aus einem Brennstoffzellenproduktstrom, insbesondere dem Brennstoffzellenprodukt-Anodenstrom, eingesetzt. Der Anodenstrom der Brennstoffzelle umfasst insbesondere Wasserstoff, Stickstoff, Wasserdampf und Flüssigwasser. Je nach Betriebszustand können die Stoffverhältnisse stark variieren. Vor dem Start der Brennstoffzelle kann insbesondere ein Luft-Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch im Anodenstrom vorliegen. Beim Systemstart (etwa 1 Minute lang) kann nahezu 100% Wasserstoff im Anodenstrom vorliegen. Während des Betriebs (etwa 1 Minute Betriebszeit) kann der Anodenstrom insbesondere 40% bis 98% Wasserstoff, 2% bis 60% Stickstoff und/oder 0% bis 20% Wasserdampf als Gasstrom aufweisen sowie Flüssigwasser, insbesondere Flüssigwasser mit Volumenströmen von 75° ml/min bis 2500 ml/min innerhalb des Anodenstroms, das insbesondere tröpfchenförmig in dem Gasstrom oder an den Wandungen des Leitungssystems entlangströmt. Die Trennung des Flüssigwassers von dem Anodenstrom, insbesondere von der Gasphase des Anodenstroms, dient insbesondere dem Zweck, die Gasphase zu Rezirkulationszwecken wieder zu verwenden. Als Rezirkulationszweck kann beispielsweise die Rückführung von nicht verwendetem Wasserstoff zur Brennstoffzelle oder zum Brennstoffzellentank vorgesehen sein und/oder die Speisung eines Kühlwasserkreislaufs mit dem abgeschiedenen Flüssigwasser.
  • Es hat sich herausgestellt, dass mit der erfindungsgemäßen Maßnahme insbesondere eine Abscheidung von bis zu 2000 ml/min Flüssigwasser aus einem Produkt-Anodenstrom einer Brennstoffzelle insbesondere auf kleinem Bauraum erzielt werden kann. Unter einem kleinen Bauraum ist insbesondere ein Bauraum von weniger als 100 mm × 100 mm × 200 mm zu verstehen. Prinzipiell ist es denkbar durch die erfindungsgemäße Maßnahme Wasserabscheider bereitzustellen, die sogar einen Bauraum von weniger als 50 mm × 50 mm × 100 mm einnehmen und auf diesem Bauraum insbesondere eine Abscheiderate von bis zu 2000 ml/min erzielen. Ferner hat sich herausgestellt, dass insbesondere durch die vorteilhafte Ausrichtung des Fliehkraftabscheiders, insbesondere des Strömungsleitkörpers und/oder des Liquidleitmantels, die Anlagerung von Wasser in dem Fliehkraftabscheider vermieden werden kann, so dass das Risiko der Vereisung reduziert werden kann.
  • Vorzugsweise ist der Außendurchmesser der konkav geformten Kegelmantelfläche größer als der Außendurchmesser der Zuführleitung, insbesondere 10% bis 100%, 20% bis 90%, 30% bis 80%, 40% bis 70% oder 50% bis 60% größer als der Außendurchmesser der Zuführleitung. Alternativ oder zusätzlich ist der Innendurchmesser des Liquidleitmantels, insbesondere an dessen breitester Stelle, größer als der Innendurchmesser der Zuführleitung, insbesondere um 50% bis 200%, 60% bis 170%, 70% bis 150% oder 80% bis 120% größer als der Innendurchmesser der Zuführleitung.
  • Der Liquidleitmantel dient primär dem Einfangen und Weiterleiten des durch den Strömungsleitkörper abgeschiedenen Liquides. Sekundär wird durch den Liquidleitmantel insbesondere verbleibendes, insbesondere über den Strömungsleitkörper nicht abgeschiedenes, Fluid abgeschieden.
  • Vorzugsweise ist die Längsachse und/oder die Mantelachse um weniger als 45°, 30° oder 15° zur Gravitationsrichtung geneigt, vorzugsweise parallel zur Gravitationsrichtung ausgerichtet. Durch die Ausrichtung der Längsachse und/oder der Mantelachse in Gravitationsrichtung kann zusätzlich zur Umlenkung die Gravitationskraft genutzt werden, um das Liquid von dem liquidbeladenen Strom zu trennen. Dadurch kann der Abscheidegrad weiter erhöht werden. Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Fliehkraftabscheiders selbst bei einer Ausrichtung der Längsachse und/oder des Liquidleitmantels um 45° oder 90° zur Gravitationsrichtung befriedigendere Abscheidegrade erzielt werden können.
  • Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann insbesondere die Strömungsenergie des liquidbeladenen Stroms genutzt werden, um Liquide aus einem liquidbeladenen Strom abzuscheiden. Gegenüber dem bekannten Stand der Technik, kann dabei ein höherer Anteil der Strömungsenergie für die Abscheidung genutzt werden.
  • Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Weitere Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungen der beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:
    • 1 einen Strömungsleitkörper in Seitenansicht;
    • 2 den Strömungsleitkörper aus 1 im Querschnitt;
    • 3 den Strömungsleitkörper aus 1 in Draufsicht;
    • 4 den Strömungsleitkörper aus 1 in perspektivischer Ansicht;
    • 5 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheiders mit einer in die Zeichenebene ragende Zuführleitung;
    • 6 einen erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheider im Querschnitt mit Strömungsleitkörper, Liquidleitmantel, Zuführleitung und Abführleitung;
    • 7 den Fliehkraftabscheider aus 6 ohne Strömungsleitkörper;
    • 8 den Fliehkraftabscheider aus 6 in Seitenansicht, wobei zusätzlich ein Auffangbecken mit abgebildet ist; und
    • 9 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems für ein Kraftfahrzeug mit einem Fliehkraftabscheider.
  • Gleiche oder ähnliche Elemente werden folgend mit den gleichen Bezugsziffern versehen. Abbildung eines erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheiders werden folgend mit der Bezugsziffer 1 versehen. Abbildung des Strömungsleitkörpers werden folgend mit der Bezugsziffer 3 versehen. Die Längsachse des Strömungsleitkörpers 3 wird folgend mit der Bezugsziffer 9 versehen und die Längsachsenströmungsrichtung, die entlang der Längsachse 9 verläuft, wird folgend mit dem Buchstaben L versehen. Die Radialrichtung zur Längsachse 9 wird folgend mit dem Buchstaben R versehen. Die Umfangsrichtung zur Längsachse 9 wird folgend mit dem Buchstaben U versehen.
  • Die 1 bis 4 zeigen verschiedene Ansichten eines Strömungsleitkörpers 3 eines erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheiders 1. Die 5, 6 und 8 zeigen erfindungsgemäße Fliehkraftabscheider 1 mit Strömungsleitkörper 3. In 7 ist zur Illustration des Einbauorts eines Strömungsleitkörpers 3 in einem erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheider 1 der Strömungsleitkörper 3 ausgeblendet.
  • Erfindungsgemäß umfasst der Fliehkraftabscheider 1 einen sich entlang der Längsachse 9 erstreckenden Strömungsleitkörper 3 mit einer konkav geformten Kegelmantelfläche 5, die sich in Längsachsenströmungsrichtung L weitet, um den auf den Strömungsleitkörper 3 zuströmenden liquidbeladenen Strom in Radialrichtung R zur Längsachse 9 umzulenken. Wie insbesondere in den 1 bis 4 zu sehen, ist die konkav geformte Kegelmantelfläche 5 insbesondere kegelmantelförmig bzw. stalaktitförmig ausgebildet. Damit die konkav geformte Kegelmantelfläche 5 ein Umlenken des liquidbeladenen Stroms in Radialrichtung R zur Längsachse 9 bewirkt, handelt es sich bei der konkav geformten Kegelmantelfläche 5 um die Fläche des Strömungsleitkörpers 3, die in Längsachsenströmungsrichtung L von dem liquidbeladenen Strom angeströmt wird. Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, wird ein in Längsachsenströmungsrichtung L auf den Strömungsleitkörper 3 zuströmender Strom durch die Kegelmantelfläche in einer Drehbewegung umgelenkt, insbesondere in einen sich stalaktitförmig ausbreitenden Strom umgewandelt, der eine Drehbewegung um eine sich ringförmig um die Längsachse 9 erstreckende Achse ausführt.
  • Vorzugsweise ist die Kegelmantelfläche 5 rotationsförmig, insbesondere rotationssymmetrisch um die Längsachse 9 ausgebildet.
  • Wie insbesondere in 2 zu sehen, bildet die konkav geformte Kegelmantelfläche 5 im Querschnitt wenigstens einen Bogenabschnitt 7, vorzugsweise über einen Winkel α von wenigstens 15°, 30°, 45°, 60° oder 75°. In der in 2 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Winkel α etwa 83°. 2 ist zu entnehmen, wie der Winkel α gemessen wird. Nämlich ausgehend von der Längsachsenströmungsrichtung L hin zur Tangente T am radialen Endbereich der konkav geformten Kegelmantelfläche 5. Vorzugsweise bildet die konkav geformte Kegelmantelfläche 5 im Querschnitt zwei spiegelsymmetrisch zur Längsachse 9 verlaufende Bogenabschnitte 7 aus, wie in 2 zu sehen.
  • Wie insbesondere in 3 zu sehen, weist der Strömungsleitkörper 3 vorzugsweise wenigstens einen, besonders bevorzugt 2 bis 20,4 bis 18,6 bis 16 oder 8 bis 14 Leitflügel 15 auf, um den auf die Längsachse 9 zuströmenden Strom in Umfangsrichtung U zur Längsachse 9 umzulenken. Die Leitflügel 15 sind in Umfangsrichtung U um die Längsachse 9 gekrümmt. Durch die Leitflügel 15 wird der liquidbeladene Strom zusätzlich zur Umlenkung in Radialrichtung R in Umfangsrichtung U umgelenkt. Dadurch kann insbesondere die Zentrifugalkraft auf den liquidbeladenen Strom erhöht und somit der Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders 1 erhöht werden. Die Leitflügel 19 unterteilen den liquidbeladenen Strom in mehrere Teilströme. Die Teilströme strömen entlang von Strömungskanälen 37, die in Längsachsenströmungsrichtung L von der konkav geformten Kegelmantelfläche 5 und in Umfangsrichtung U und insbesondere in Radialrichtung R von den Leitflügeln 15 begrenzt werden. Durch die Umlenkung des liquidbeladenen Stroms in mehrere Teilströme, insbesondere durch die Begrenzung dieser durch die Leitflügel 15, steht der liquidbeladenen Strömung eine erhöhte Wirkfläche zur Abscheidung des Liquides zur Verfügung. So wird insbesondere durch die Umlenkung des liquidbeladenen Stroms in Umfangsrichtung U das Liquid mit einer Zentrifugalkraft beaufschlagt, die insbesondere orthogonal auf die Leitflügelflächen 39 wirkt. Dabei wird Liquid von der Zentrifugalkraft gegen die Leitflügelflächen 39 getrieben, von wo es abgeleitet werden kann.
  • Die konkav geformte Kegelmantelfläche, die sich in Längsachsenströmungsrichtung weitet, bewirkt insbesondere eine Zentrifugalkraft, die orthogonal auf die Kegelmantelfläche wirkt, und dadurch das Liquid in Richtung der Kegelmantelfläche 5 treibt, von wo es abgeleitet werden kann.
  • Unter dem Weiten der konkav geformten Kegelmantelfläche 5 ist insbesondere zu verstehen, dass die Längsachse 9 des Strömungsleitkörpers 3 auch die Längsachse 9 der Kegelmantelfläche 5 ist und die kegelförmige Ausbreitung in Längsachsenströmungsrichtung L erfolgt.
  • Vorzugsweise schließt der wenigstens eine Leitflügel orthogonal an die Kegelmantelfläche 5 an. Dadurch werden insbesondere U-förmige Strömungskanäle 37 gebildet. Die Strömungskanäle sind in Umfangsrichtung U, insbesondere infolge der Begrenzung durch die Leitflügel 15, gekrümmt. Dabei erstrecken sich die Strömungskanäle 37 infolge der konkav geformten Kegelmantelfläche 5 in Längsachsenströmungsrichtung L und in Radialrichtung R. Dadurch kann insbesondere die Erstreckung der Strömungskanäle 37 in Längsachsenströmungsrichtung L reduziert werden, indem diese insbesondere teilweise in Radialrichtung R verlagert wird.
  • Wie insbesondere 3 zu entnehmen, wird der Krümmungsradius der Leitflügel 15 in Radialrichtung R vorzugsweise kleiner. Dadurch vergrößert sich die Krümmung in Radialrichtung R.
  • Vorzugsweise weist der Strömungsleitkörper 11 eine sich entlang der Längsachse 9 erstreckende Leitnase 11 auf, wobei vorzugsweise die Kegelmantelfläche 5 und/oder der wenigstens eine Leitflügel hin zur der Längsachsenströmungsrichtung L entgegengesetzten Richtung in die Leitnase 11 übergeht, insbesondere diese bildet. Alternativ oder zusätzlich weist die Leitnase 11 eine weitere konkav geformte Kegelmantelfläche 5' auf, die vorzugsweise in Radialrichtung R an die Kegelmantelfläche 5 anschließt. Über die Leitnase 11 wird insbesondere der auf den Strömungsleitkörper 3 zuströmende liquidbeladene Strom in einen sich ringförmig in Radialrichtung R ausbreitenden Strom umgewandelt. Dadurch entsteht, wie zuvor beschrieben, ein stalaktitförmiger Strömungsverlauf des liquidbeladenen Stroms. Vorzugsweise bildet die Leitnase 11 das axiale Ende des Strömungsleitkörpers 3 in die zur Längsachsenströmungsrichtung L entgegengesetzte Richtung. Dabei kann die Leitnase verschiedene Formen, von einer einfachen Zylinderform über eine spitzzulaufende Pyramidenform bis hin zur bevorzugten Form mit einer weiteren konkav geformten Kegelmantelfläche 5*, die in die zur Längsachsenströmungsrichtung L entgegengesetzte Richtung in eine konvexe Form, insbesondere eine Halbkugelform, übergeht. Es hat sich als besonders bevorzugt herausgestellt, die Leitnase 11 derart auszubilden, dass diese eine weitere konkav geformte Kegelmantelfläche 5' bereitstellt. Dadurch kann insbesondere der Abscheidegrad infolge der Umlenkung des liquidbeladenen Stroms in Radialrichtung erhöht werden. Das axiale Ende 41 in zur Längsachsenströmungsrichtung L entgegengesetzten Richtung kann, wie hier dargestellt, durch eine konvex geformte Halbkugel ausgebildet sein. Alternativ kann das axiale Ende 41 aber auch als spitzzulaufendes Ende eines Stalaktits ausgeformt sein oder als plane sich in Radialrichtung erstreckende Stirnfläche, beispielsweise eines Zylinders, ausgebildet sein. Vom axialen Ende 41 erstreckt sich die Leitnase 11 vorzugsweise stalaktitförmig bzw. trompetentrichterförmig in Längsachsenströmungsrichtung L.
  • Die weitere konkav geformte Kegelmantelfläche 5' kann, wie insbesondere aus 2 und 4 ersichtlich, durch die in zur Radialrichtung R entgegengesetzte Richtung zusammenlaufenden Leitflügel 15 gebildet werden. Durch Anpassung der Abstände in Umfangsrichtung der Leitflügel zueinander und/oder durch Anpassung der Leitflügelstärke 43 kann die weitere konkav geformte Kegelmantelfläche 5' auch in Umfangsrichtung U alternierend durch die Leitflügel 15 und den axialen Endbereich der Kegelmantelfläche 5 gebildet werden. Alternativ könnten die Leitflügel 15 auch derart ausgestaltet sein, dass sie sich erst beginnend von einem bestimmten Radialabstand zur Längsachse 9 erstrecken und bis zu diesem Radialabstand die weitere konkav geformte Kegelmantelfläche 5' durch die konkav geformte Kegelmantelfläche 5 selbst gebildet wird.
  • In der hier dargestellten Ausführungsform wird die Leitnase 11 jedoch durch die in zu der Radialrichtung R entgegengesetzte Richtung zusammenlaufenden Leitflügel 15 gebildet.
  • Der Bereich der Leitnase 11 erstreckt sich in Radialrichtung R in der hier dargestellten Ausführungsform von der Längsachse 9 bis zu einem Zylinderabschnitt 13. In dem Bereich der Leitnase 11 kontaktieren sich die Leitflügel 15 in Umfangsrichtung, so dass insbesondere im Bereich der Leitnase 11 keine Strömungskanäle 37 durch die Leitflügel 15 gebildet werden. Ausgehend von dem zylinderförmigen Abschnitt 13 entsteht ein Abstand zwischen den Leitflügeln 15 in Umfangsrichtung, wodurch die Strömungskanäle 37 entstehen. Im weiteren Verlauf in Radialrichtung R steigt der Abstand der Leitflügel zueinander in Umfangsrichtung U, so dass die Strömungskanäle 37 sich in Umfangsrichtung U weiten. Das Verhältnis zwischen der Radialerstreckung 45 der Leitnase und der Radialerstreckung 47 der Kegelmantelfläche 5 beträgt, wie in 2 dargestellt vorzugsweise etwa 0,1 bis 0,4, besonders bevorzugt 0,15 bis 0,25.
  • Der Anteil der Radialerstreckung R der konkav geformten Kegelmantelfläche 5, insbesondere der Summe aus der konkav geformten Kegelmantelfläche 5 und der weiteren konkav geformten Kegelmantelfläche 5', beträgt vorzugsweise wenigstens 60%, 70%, 80%, 90% oder 95% der gesamten Radialerstreckung des Strömungsleitkörpers 3.
  • Wie insbesondere den 5 bis 8 entnommen werden kann, umfasst der Fliehkraftabscheider vorzugsweise einen den Strömungsleitkörper 3 umgebenden, sich entlang einer Mantelachse 19 erstreckenden Liquidleitmantel 17 zum Weiterleiten des abgeschiedenen Liquides. Dabei dient der Liquidleitmantel 17 insbesondere dem Weiterleiten des Liquides, das an dem Strömungsleitkörper 3 abgeschieden und abgeleitet wurde. Dafür umschließt der Liquidleitmantel 17 den Strömungsleitkörper 3 in Umfangsrichtung U vorzugsweise vollständig. Insbesondere verläuft die Mantelachse 19 koaxial zur Längsachse 9 des Strömungsleitkörpers. Vorzugweise ist der Liquidleitmantel 17 abschnittsweise rotationssymmetrisch um die Mantelachse 19 ausgebildet. Wie insbesondere 5 zu entnehmen, erstreckt sich der Liquidleitmantel 17 stromaufwärts und/oder stromabwärts des Strömungsleitkörpers 3, insbesondere der konkav geformten Kegelmantelfläche 5, 5' insbesondere über die gesamte Axialerstreckung der Kegelmantelfläche 5, 5'. Vorzugsweise ist die Wandung 49 des Liquidleitmantels abschnittsweise S-förmig ausgebildet. Dabei ist vorzugsweise das stromaufwärtige Ende 51 der Wandung des Liquidleitmantels 49 konvex ausgebildet und/oder das stromabwärtige Ende als konkav geformte Trichtermantelfläche 21 ausgebildet. Das stromaufwärtige Ende 51 und das stromabwärtige Ende 21 der S-förmigen Wandung 49 des Liquidleitmantels sind an einem Sattelpunkt 53 der Wandung 49 miteinander verbunden. Der Sattelpunkt 53 der S-förmigen Wandung 49 erstreckt sich in Radialrichtung R vorzugsweise im Bereich des radialen Außenbereichs der Kegelmantelfläche 5. Dabei ist der radiale Außenbereich der Kegelmantelfläche 5 vorzugsweise in Längsachsenströmungsrichtung L zu dem Sattelpunkt 53 der S-förmigen Wandung 49 des Liquidleitmantels 17 versetzt. Insbesondere um wenigstens die Steghöhe der Leitflügel 15 im radialen Außenbereich des Strömungsleitkörpers 13 versetzt.
  • Durch die S-förmige Ausgestaltung der Wandung 49 des Liquidleitmantels kann insbesondere gewährleistet werden, dass der fluidbeladene Strom in Strömungsrichtung zunächst durch die konkav geformte Kegelmantelfläche 5 des Strömungsleitkörpers 3 und stromabwärts des Strömungsleitkörpers durch die konkav geformte Trichtermantelfläche 21 des Liquidleitmantels 17 umgelenkt wird. Dabei nimmt der fluidbeladene Strom insbesondere ebenfalls einen S-förmigen Strömungsverlauf an. Im Bereich des Strömungsleitkörpers 3 wird der liquidbeladene Strom in Radialrichtung R umgelenkt, insbesondere über einen Winkel α von nahezu 90°, so dass der liquidbeladene Strom im Wesentlichen in Radialrichtung R auf den Liquidleitmantel 21 zuströmt und an diesen durch die konkav geformte Trichtermantelfläche 21 wieder in Längsachsenströmungsrichtung L umgelenkt wird. Dadurch entsteht insbesondere ein S-förmiger Strömungsverlauf, der den liquidbeladenen Strom zwei Mal hintereinander mit einer Zentrifugalkraft beaufschlag. Ferner wird durch die spezielle Anordnung von Liquidleitmantel 17 zu Strömungsleitkörper 3 erzielt, dass das am Strömungsleitkörper 3 abgeschiedene Wasser an den Liquidleitmantel abgegeben wird, wo es von weiterem an dem Liquidleitmantel 17 abgeschiedenen Wasser angereichert wird, bzw. der liquidbeladene Strom weiter entladen wird.
  • Vom Sattelpunkt 53 erstreckt sich die konkav geformte Trichtermantelfläche 21 insbesondere rotationssymmetrisch. Dabei weitet sich die konkav geformte Trichtermantelfläche 21 in Längsachsenströmungsrichtung L. Der Krümmungsradius der konkav geformten Trichtermantelfläche 21 vergrößert sich, insbesondere ausgehend vom Sattelpunkt 53. Besonders bevorzugt verhält sich der Krümmungsradius der konkav geformten Trichtermantelfläche 21 antiproportional zum Krümmungsradius der konkav geformten Kegelmantelfläche 5. Darunter ist zu verstehen, dass sich die konkav geformte Kegelmantelfläche 5 in Längsachsenströmungsrichtung L verkleinert, während sich der Krümmungsradius der konkav geformten Trichtermantelfläche 21 in Längsachsenströmungsrichtung L vergrößert.
  • Anhand von 5 wird dem Fachmann die Abgrenzung zwischen einer Kegelmantelfläche und einer Trichtermantelfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung verdeutlicht. Bei der Trichtermantelfläche 21 des Liquidleitmantels wird, wie bei einem Trichter, die radial innenliegende Fläche mit dem Strom beaufschlagt. In Abgrenzung dazu wird bei der Kegelmantelfläche 5 bzw. 5' die radial außenliegende Fläche mit dem Strom beaufschlagt. An dieser Stelle sei nochmal klar, dass es bei der Abgrenzung zwischen konkaven und konvexen Flächen auf die von dem liquidbeladenen Strom angeströmten Flächen ankommt. Demnach handelt es sich insbesondere bei den konkav geformten Kegelmantelflächen 5, 5' und der konkav geformten Trichtermantelfläche 21 um konkave Flächen. Demgegenüber handelt es sich bei der radial innenliegenden Fläche des stromaufwärtigen Endes 51 der Wandung 49 des Liquidleitmantels um eine konvex geformte Fläche. Die radial außenliegende Fläche des stromaufwärtigen Endes 51 der Wandung 49 des Liquidleitmantels ist zwar ebenfalls konkav ausgebildet, diese wird jedoch nicht von dem liquidbeladenen Strom angeströmt. Ferner sei klar, dass unter einer angeströmten Fläche eine derartige Fläche zu verstehen ist, auf die der liquidbeladene Strom in Strömungsrichtung zuströmt. Insbesondere eine bloße Aussetzung einer Fläche mit der Strömung soll keine Anströmung im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen. So soll beispielsweise die in Längsachsenströmungsrichtung der konkav geformten Kegelmantelfläche 5 gegenüberliegende konvex geformte Fläche des Strömungsleitkörpers 3 nicht als Fläche angesehen werden, die von dem liquidbeladenen Strom angeströmt wird. Diese wird lediglich mit dem liquidbeladenen Strom beaufschlagt. Durch die fehlende Anströmung kann diese keinen wesentlichen Beitrag zum Abscheiden des Liquides von dem liquidbeladenen Strom leisten.
  • Der Krümmungsradius der konkav geformten Trichtermantelfläche 21 kann in Längsachsenströmungsrichtung L so groß werden, insbesondere unendlich groß werden, dass die konkav geformte Trichtermantelfläche in eine planare Form übergeht.
  • Wie insbesondere in 7 zu sehen, weist der Liquidleitmantel 17 wenigstens einen, vorzugsweise 2 bis 20,4 bis 18,6 bis 16 oder 8 bis 14, Leitflügel 15' zum Umlenken des auf den Liquidleitmantel zuströmenden Stroms in Umfangsrichtung U zur Mantelachse 19 auf. Dadurch wird der liquidbeladene Strom stromabwärts des Strömungsleitkörpers 3 zusätzlich in einer Rotationsbewegung um die Mantelachse 19 umgelenkt. Dadurch wird der liquidbeladene Strom mit einer weiteren Zentrifugalkraftkomponente beaufschlagt, die das Fluid gegen den Liquidleitmantel treibt. Dabei wird der liquidbeladene Strom am Liquidleitmantel 17 teilweise in Teilströme unterteilt, die entlang von Strömungskanalabschnitten strömen. Die Strömungskanalabschnitte 37' werden durch die konkav geformte Trichtermantelfläche 21 und die Leitflügel 15' des Liquidleitmantels 17 begrenzt. Die Leitflügel 15' des Liquidleitmantels 17 sind um die Mantelachse 19 gekrümmt. Insbesondere erstrecken sich die Leitflügel 15' des Liquidleitmantels 17 in Längsachsenströmungsrichtung L und in Radialrichtung R entlang von dem Liquidleitmantel 17, insbesondere entlang der konkav geformten Trichtermantelfläche 21. Vorzugsweise schließen die Leitflügel 15' orthogonal an den Liquidleitmantel 17, insbesondere an die Trichtermantelfläche 21, an. Die Leitflügel 15' sind vorzugsweise in Umfangsrichtung U in äquidistanten Abständen zueinander angeordnet.
  • Vorzugsweise ist die Längsachse 9 und/oder die Mantelachse 19 um weniger als 45°, 30° oder 15° zur Gravitationsrichtung G geneigt, vorzugsweise parallel zur Gravitationsrichtung G ausgerichtet. Durch die Ausrichtung der Längsachse 9 und/oder der Mantelachse 19 in Gravitationsrichtung G kann zusätzlich zur Umlenkung die Gravitationskraft genutzt werden, um das Liquid von dem liquidbeladenen Strom zu trennen. Dadurch kann der Abscheidegrad weiter erhöht werden. Überraschenderweise hat sich jedoch herausgestellt, dass durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Fliehkraftabscheiders selbst bei einer Ausrichtung der Längsachse 9 und/oder des Liquidleitmantels 19 um 45° oder 90° zur Gravitationsrichtung G befriedigendere Abscheidegrade erzielt werden können.
  • Der Fliehkraftabscheider 1 weist ferner eine dem liquidbeladenen Strom entlang einer Zuführachse 27 dem Strömungsleitkörper 3 zuführende Zuführleitung 29 und eine dem liquidbeladenen Strom entlang einer Abführachse 31 dem Strömungsleitkörper abführende Abführleitung 33 auf. Vorzugsweise sind die Zuführleitung 29 und/oder die Abführleitung 33 rohrförmig, insbesondere rotationsförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt erstrecken sich die Zuführleitung 29 und/oder die Abführleitung 31 rotationsförmig, insbesondere rotationssymmetrisch jeweils um die Zuführachse 27 und/oder um die Abführachse 31. Vorzugsweise erstreckt sich die Zuführachse 27 und/oder die Abführachse 31 um wenigstens 30°, 45° oder 60° zur Längsachse 9 geneigt, besonders bevorzugt orthogonal zur Längsachse 9. Alternativ oder zusätzlich erstrecken sich die Zuführachse 27 und die Abführachse 31 parallel zueinander und sind vorzugsweise in Längsachsenströmungsrichtung L zueinander versetzt. Durch eine oder mehrere der zuvor beschriebenen Ausrichtungen der Zuführachse 27 und/oder der Abführachse 31 zur Längsachse 9 kann insbesondere eine zusätzliche Umlenkung der liquidbeladenen Strömung stromaufwärts und/oder stromabwärts des Strömungsleitkörpers erzielt werden. Besonders bevorzugt wird der liquidbeladene Strom zusätzlich aufgrund der Ausrichtung der Zuführachse 27 und/oder der Abführachse 31 S-förmig umgelenkt. Die S-förmige Umlenkung des liquidbeladenen Stroms infolge der Ausrichtung der Zuführachse 27 und/oder der Abführachse 31 zur Längsachse 9 erfolgt insbesondere zusätzlich zu der S-förmigen Umlenkung infolge der Ausrichtung des Strömungsleitkörpers 3 zum Liquidleitmantel 17. Dabei ist der S-förmige Strömungsverlauf infolge der Ausrichtung der Zuführachse 27 und/oder der Abführachse 31 zur Längsachse 9 vorzugsweise versetzt, insbesondere um 60° bis 120° oder 75° bis 105° zum S-förmigen Strömungsverlauf infolge der Ausrichtung des Strömungsleitkörpers 3 zum Liquidleitmantel 17 versetzt. Dadurch erfolgt insbesondere eine weitere Beaufschlagung des liquidbeladenen Stroms mit einer Zentrifugalkraftkomponente, wodurch der Abscheidegrad des Fliehkraftabscheiders 1 weiter erhöht werden kann.
  • Wie insbesondere den 6 bis 8 zu entnehmen, sind die Zuführleitungen 29 und die Abführleitungen 33 einstückig ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann es bevorzugt sein, den Liquidleitmantel 18 einstückig mit der Zuführleitung 29 und/oder der Abführleitung 31 auszubilden. Der Strömungsleitkörper 3 ist vorzugsweise lösbar an dem Liquidleitmantel 19 anbringbar. Die Anbringung des Strömungsleitkörpers 3 an den Liquidleitmantel 17 erfolgt vorzugsweise formschlüssig. Dafür kann der Strömungsleitkörper 3 Axialanschläge 55 aufweisen, über die der Strömungsleitkörper 3 an dem Liquidleitmantel 17 abgestützt wird. Vorzugsweise sind die Axialanschläge 55 am radialen Außenende der Leitflügel 15 ausgebildet. Die Axialanschläge 55 erstrecken sich insbesondere am axialen Endbereich der Leitflügel 15 in zur Längsachsenströmungsrichtung L entgegengesetzten Richtungen. Zur Fixierung des Strömungsleitkörpers 3, insbesondere zur axialen Fixierung, kann dieser einen Haltabschnitt 57 aufweisen. Der Halteabschnitt 57 erstreckt sich vorzugsweise von der der Kegelmantelfläche 5 gegenüberliegenden Seite des Strömungsleitkörpers 3 in Längsachsenströmungsrichtung L. Insbesondere ist der Halteabschnitt 57 als Hohlkörper, insbesondere als Hohlzylinder, ausgebildet. Vorzugweise erstreckt sich der Halteabschnitt rotationssymmetrisch zur Längsachse 9. Der Halteabschnitt 57 kann eine Aussparung 59 zur Aufnahme eines Haltemittels 61, wie eines Haltebalkens, aufweisen. Die Aussparung 59 kann insbesondere als U-förmiger Querschnitt in dem Halteabschnitt 57 ausgebildet sein. Wie insbesondere 7 zu entnehmen, kann eine Haltemittelaufnahme 63 in dem Fliehkraftabscheider 1 vorgesehen sein, über die das Haltemittel 61 an den Fliehkraftabscheider 1 befestigt wird. Vorzugsweise ist die Haltemittelaufnahme 63 in dem Liquidleitmantel 17 eingebracht, insbesondere als U-förmige Aussparung. Dadurch kann zur Montage des Strömungsleitkörpers 3, diese insbesondere zunächst über die Axialanschläge 55 an entsprechende Gegenlagern 65 angelegt werden und anschließend axial über das Haltemittel 61 fixiert werden. Das Haltemittel 61 wird vorzugsweise an der Haltemittelaufnahme 63 befestigt. Die Befestigung des Haltemittels 61 an dem Fliehkraftabscheider 1 erfolgt vorzugsweise formschlüssig. Insbesondere wird das Haltemittel 61 formschlüssig zwischen zwei Gehäusehälften 67, 69 des Fliehkraftabscheiders 1 befestigt. Besonders bevorzugt ist, wie in 7 zu sehen, zur Bildung der Haltemittelaufnahme 63 wenigstens eine weitere Aussparung 59' in die eine Gehäusehälfte 67 eingebracht, die zu der anderen Gehäusehälfte 69 hin geöffnet ist. Dadurch kann das Haltemittel 61 axial an die weitere Aussparung 59 angelegt werden und durch Verbinden der oberen Gehäusehälfte mit der unteren Gehäusehälfte axial fixiert werden.
  • Vorzugsweise umfasst der Fliehkraftabscheider 1, wie in 8 dargestellt, ein Auffangbecken 23 zum Auffangen des abgeschiedenen Liquides. Das Auffangbecken 23 ist insbesondere stromabwärts des Strömungsleitkörpers 3 angeordnet. Alternativ oder zusätzlich ist das Auffangbecken 23 in Gravitationsrichtung G unter dem Strömungsleitkörper 3 angeordnet. Dadurch kann insbesondere die Gravitationskraft genutzt werden, um das abgeschiedene Liquid abzuführen. Das Auffangbecken 23 weist insbesondere einen Liquidauslass 25 zum Ausgeben des abgeschiedenen Liquides an die Umgebung oder an einen Liquidkreislauf auf. Der Liquidauslass 25 ist vorzugsweise in Gravitationsrichtung G im unteren Bereich, insbesondere an der tiefsten Stelle, des Auffangbeckens 23 angeordnet. Vorzugsweise wird das Auffangbecken 23 durch eine, insbesondere die untere, Gehäusehälfte 67 des Fliehkraftabscheiders 1 gebildet. Besonders bevorzugt werden die Zuführleitung 29, die Abführleitung 33 und der Liquidleitmantel 17 durch die andere, insbesondere die obere, Gehäusehälfte 67 gebildet. Besonders bevorzugt ist die andere Gehäusehälfte 67, die in Gravitationsrichtung G oben angeordnete Gehäusehälfte. Insbesondere ist der Strömungsleitkörper 3 in der oberen Gehäusehälfte 67 angebracht. Das Auffangbecken 23 weist insbesondere eine Ablaufschräge 71 auf, über die abgeschiedenes Liquid an den Liquidauslass 25 geführt werden kann.
  • 9 zeigt exemplarisch ein Brennstoffzellensystem 73 für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelle 75 und einen in einem Wasserpartikel führenden Leitungssystem 77 angeordneten nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Fliehkraftabscheider 1. Die Brennstoffzelle 75 wird über einen Wasserstofftank 79 und über eine Sauerstoff- bzw. Luftzufuhr 81 gespeist. Mit der dabei generierten elektrischen Energie wird eine elektrische Komponente 83, wie ein Elektromotor, angetrieben. Der Wasserpartikel beladene Produktstrom 85 wird dem Fliehkraftabscheider 1 zugeführt, wo Wasserpartikel 89 von dem Produktstrom 85 getrennt werden. Die Zuführung des Produktstroms 85 zum Fliehkraftabscheider 1 kann beispielsweise über eine Zuführleitung 29, wie sie in den 6 bis 8 dargestellt ist, erfolgen. Die abgeschiedenen Wasserpartikel können beispielsweise über einen Liquidauslass 25, wie in 8 dargestellt, abgeführt werden. Der Wasserpartikel entladene Strom 87 kann beispielsweise über eine Abführleitung 33, wie in den 6 bis 8 dargestellt, abgeführt werden. Die weitere Behandlung des Wasserpartikel entladenen Stroms 87, wird in 9 nicht dargestellt. Denkbar ist jedoch die Rückführung von Luft- und/oder nicht verwerteten Edukten, wie Wasserstoff, zur Brennstoffzelle 75.
  • Die abgeschiedenen Wasserpartikel 89 werden einem Kühlwasserkreislauf 91 zugeführt. Über den Kühlwasserkreislauf 91 wird die elektrische Komponente 83 gekühlt. Dabei kann die elektrische Leitfähigkeit des Wassers zunehmen. Dementsprechend ist stromabwärts der elektrischen Komponente eine Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit 93 angeordnet. Stromabwärts der Vorrichtung 93 wird Wasser mit einer bestimmten elektrischen Leitfähigkeit 95 aus dem Kühlwasserkreislauf 91 abgeführt und der Rest des Wassers, insbesondere zum Kühlen, einem Wärmetauscher 97 zugeführt. Stromabwärts des Wärmetauschers 97 wird das gekühlte Kühlwasser 99 zusammen mit den Wasserpartikeln 89, die über den Fliehkraftabscheider 1 abgeschieden werden, der elektrischen Komponente 83 wieder zugeführt.
  • Auf diese Weise können die aus dem Produktstrom 85 abgeschiedenen Wasserpartikel 89 zur Kompensation der abzuführenden leitfähigen Wasserpartikel 95 eingesetzt werden. Das Wasserpartikel führende Leitungssystem 77 führt in der hier darstellten Ausführungsform den Produktstrom 85, die abgeschiedenen Wasserpartikel 89 sowie den Kühlwasserkreislauf 91. Dabei ist der Fliehkraftabscheider 1 innerhalb des Leitungssystems 77 zwischen der Brennstoffzelle 75 und dem Kühlwasserkreislauf 91 angeordnet.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fliehkraftabscheider
    3
    Strömungsleitkörper
    5, 5'
    Kegelmantelfläche
    7
    Bogenabschnitt
    9
    Längsachse
    11
    Leitnase
    13
    Zylinderabschnitt
    15, 15'
    Leitflügel
    17
    Liquidleitmantel
    19
    Mantelachse
    21
    Trichtermantelfläche/stromabwärtiges Ende des Liquidleitmantels
    23
    Auffangbecken
    25
    Liquidauslass
    27
    Zuführachse
    29
    Zuführleitung
    31
    Abführachse
    33
    Abführleitung
    37
    Strömungskanal
    37'
    Strömungskanalabschnitte
    39
    Leitflügelfläche
    41
    axiales Ende
    43
    Leitflügelstärke
    45
    Radialerstreckung Leitnase
    47
    Radialerstreckung Kegelmantelfläche
    49
    Wandung Liquidleitmantel
    51
    stromaufwärtiges Ende des Liquidleitmantels
    53
    Sattelpunkt
    55
    Axialanschlag
    57
    Halteabschnitt
    59
    Aussparung des Halteabschnitts
    59'
    Aussparung der Haltemittelaufnahme
    61
    Haltemittel
    63
    Haltemittelaufnahme
    65
    Gegenlager
    67
    obere Gehäusehälfte
    69
    untere Gehäusehälfte
    71
    Ablaufschräge
    73
    Brennstoffzellensystem
    75
    Brennstoffzelle
    77
    Leitungssystem
    79
    Wasserstofftank
    81
    Sauerstoffzufuhr/Luftzufuhr
    83
    elektrische Komponente
    85
    Produktstrom/liquidbeladener Strom
    87
    wasserpartikelentladener Strom
    89
    Strom abgeschiedener Wasserpartikel
    91
    Kühlwasserkreislauf
    93
    Vorrichtung zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit
    95
    elektrisch leitfähiges Wasser
    97
    Wärmetauscher
    99
    gekühltes Kühlwasser
    L
    Längsachsenströmungsrichtung
    R
    Radialrichtung
    U
    Umfangsrichtung
    G
    Gravitationsrichtung
    α
    Winkel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10120018 A1 [0004]

Claims (15)

  1. Fliehkraftabscheider (1) zum Trennen eines Liquides von einem liquidbeladenen Strom, umfassend einen sich entlang einer Längsachse (9) erstreckenden Strömungsleitkörper (3) mit einer konkav geformte Kegelmantelfläche (5), die sich in Längsachsenströmungsrichtung (L) weitet, um den auf den Strömungsleitkörper (3) zuströmenden liquidbeladenen Strom in Radialrichtung (R) zur Längsachse (9) umzulenken.
  2. Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 1, wobei die Kegelmantelfläche (5), vorzugsweise der Strömungsleitkörper (3), rotationsförmig, vorzugsweise rotationssymmetrisch, ausgebildet ist.
  3. Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die konkav geformte Kegelmantelfläche (5) im Querschnitt wenigstens einen Bogenabschnitt (7), vorzugsweise über einen Winkel von wenigstens 15°, 30°, 45°, 60° oder 75°, bildet, wobei im Querschnitt vorzugsweise zwei insbesondere spiegelsymmetrisch zur Längsachse (1) verlaufende Bogenabschnitte (7) gebildet sind.
  4. Fliehkraftabscheider (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Strömungsleitkörper (3) wenigstens einen, vorzugsweise 2 bis 20,4 bis 18,6 bis 16 oder 8 bis 14, Leitflügel (15) zum Umlenken des auf die Längsachse (9) zuströmenden Stroms in Umfangsrichtung (U) zur Längsachse (9) aufweist.
  5. Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 4, wobei der wenigstens eine Leitflügel in Umfangsrichtung (U) um die Längsachse (9) gekrümmt ist und vorzugsweise einen in Radialrichtung (R) kleiner werdenden Krümmungsradius aufweist.
  6. Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der wenigstens eine Leitflügel (15) orthogonal an die Kegelmantelfläche (5) anschließt und/oder in die zur Längsachsenströmungsrichtung (L) entgegengesetzte Richtung von der Kegelmantelfläche (5) vorsteht und/oder sich entlang der Kegelmantelfläche (5) in Radialrichtung (R) und in Umfangsrichtung (U) erstreckt.
  7. Fliehkraftabscheider (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Strömungsleitkörper (3) eine sich entlang der Längsachse (9) erstreckende Leitnase (11) aufweist, wobei vorzugsweise die Kegelmantelfläche (5) und/oder der wenigstens eine Leitflügel (15) in zur Längsachsenströmungsrichtung (L) entgegengesetzte Richtung in die Leitnase (11) übergeht, insbesondere diese bildet, und/oder wobei vorzugsweise die Leitnase (11) eine weitere konkav geformte Kegelmantelfläche (5') aufweist, die vorzugsweise in Radialrichtung (R) an die Kegelmantelfläche (5) anschließt.
  8. Fliehkraftabscheider (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Längsachse (9) des Strömungsleitkörpers (3) um weniger als 45°, 30° oder 15° zur Gravitationsrichtung (G) geneigt ist, vorzugsweise parallel zur Gravitationsrichtung (G) ausgerichtet ist.
  9. Fliehkraftabscheider (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine den Strömungsleitkörper (3) umgebenden, sich entlang einer Mantelachse (19) erstreckenden Liquidleitmantel (17) zum Weiterleiten des abgeschiedenen Liquides, wobei vorzugsweise der Liquidleitmantel (17) abschnittsweise hohlzylinderförmig ist und/oder die Mantelachse (19) sich entlang, vorzugsweise parallel, der Längsachse (9) erstreckt und/oder eine konkav geformte Trichtermantelfläche (21) aufweist, die sich in Längsachsenströmungsrichtung (L) weitet.
  10. Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 9, wobei der Liquidmantel (17) wenigstens einen, vorzugsweise 2 bis 20,4 bis 18,6 bis 16 oder 8 bis 14, weitere Leitflügel (15') zum Umlenken des auf den Liquidleitmantel (17) zuströmenden Stroms in Umfangsrichtung (U) zur Mantelachse (19) aufweist.
  11. Fliehkraftabscheider (1) nach Anspruch 10, wobei der wenigstens eine weitere Leitflügel (15') orthogonal an den Liquidleitmantel (17) anschließt und/oder in die zur Radialrichtung (R) entgegengesetzte Richtung von dem Liquidleitmantel (17) vorsteht und/oder sich entlang des Liquidleitmantels (17) in Längsachsenströmungsrichtung (L) und in Radialrichtung (R) erstreckt.
  12. Fliehkraftabscheider (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine den liquidbeladenen Strom entlang einer Zuführachse (27) dem Strömungsleitkörper (3) zuführende Zuführleitung (29) und eine den liquidentladenen Strom entlang einer Abführachse (31) dem Strömungsleitkörper (3) abführende Abführleitung (33), wobei sich die Zuführachse (27) und/oder die Abführachse (31) um wenigstens 30°, 45° oder 60° zur Längsachse (9) geneigt erstreckt, vorzugsweise orthogonal zur Längsachse (9) erstreckt, und/oder wobei sich die Zuführachse (27) und die Abführachse (31) parallel zueinander erstrecken und vorzugsweise in Längsachsenströmungsrichtung (L) zueinander versetzt sind.
  13. Fliehkraftabscheider (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend ein Auffangbecken (23) zum Auffangen des abgeschiedenen Liquides, wobei vorzugsweise das Auffangbecken (23) stromabwärts des Strömungsleitkörpers (3) angeordnet ist und/oder wobei das Auffangbecken (23) in Gravitationsrichtung (G) unter dem Strömungsleitkörper (3) angeordnet ist und/oder wobei das Auffangbecken (23) einen Liquidauslass (25) zum Ausgeben des abgeschiedenen Liquides an die Umgebung oder an einen Liquidkreislauf aufweist, der vorzugsweise in Gravitationsrichtung (G) im unteren Bereich, insbesondere an der tiefsten Stelle, des Auffangbeckens (23) angeordnet ist.
  14. Brennstoffzellensystem (73) für ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzelle (75) und einen in einem Wasserpartikel (89) führenden Leitungssystem (77) angeordneten, nach einem der vorstehenden Ansprüche ausgebildeten Fliehkraftabscheider (1), wobei das Leitungssystem (77) vorzugsweise einen wasserbeladenen Produktstrom (85) der Brennstoffzelle (74) führt, wobei der Produktstrom (85) vorzugsweise einen Volumenstrom von wenigstens 50 l/min, 100 l/min, 200 l/min oder 400 l/min, besonders bevorzugt von 600 l/min bis 1000 l/min, aufweist.
  15. Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (73) nach Anspruch 14.
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