EP2411772A1 - Verfahren zum diskontinuierlichen entleeren eines behälters - Google Patents
Verfahren zum diskontinuierlichen entleeren eines behältersInfo
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- EP2411772A1 EP2411772A1 EP10710209A EP10710209A EP2411772A1 EP 2411772 A1 EP2411772 A1 EP 2411772A1 EP 10710209 A EP10710209 A EP 10710209A EP 10710209 A EP10710209 A EP 10710209A EP 2411772 A1 EP2411772 A1 EP 2411772A1
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Definitions
- the invention relates to a method for the discontinuous emptying of a container in which liquid accumulates, according to the closer defined in the preamble of claim 1.
- containers are known in which liquid accumulates, which must be emptied from time to time.
- liquid separators which typically separate liquids transported by gas streams, for example in the form of droplets, from the gas stream.
- the separated liquid collects in a container of the liquid separator. From time to time, this liquid must be drained to prevent overflowing the container.
- the discontinuous emptying of the container must be such that the container on the one hand does not overflow, in order to transport any liquid back into the gas stream, and on the other hand Container is never emptied completely when emptying to always leave a certain residual amount of liquid in the container. This residual amount of liquid then serves as a barrier for retaining the gases, which must not escape to the environment.
- An exemplary use may be in particular in chemical systems in which the gases are, for example, solvents or the like.
- Another use may be, for example, when used in a fuel cell system in which such liquid separator are used to separate the product produced by the fuel cell product water from the exhaust gases of the fuel cell. Since the exhaust gases on the anode side typically contain at least a residual amount of hydrogen, care must be taken that this hydrogen does not reach the area of the environment. It is therefore known from the general state of the art equip such containers with level sensors. Typically, two level sensors are used to hold the level of the container between these two sensors can.
- a level sensor can be used, which has two switching points, so it is known whether the liquid level the level sensor in the direction of gravity from top to bottom, ie when emptying happens, or in the opposite direction, ie when infested.
- the disadvantage of this type of sensors is that they are comparatively complicated and expensive. It would therefore be desirable to realize a structure which enables safe operation for emptying such a container with fewer and / or simpler sensors.
- Floating switches are also known as level sensors for containers from the further prior art.
- US Pat. No. 3,555,221 describes a fill level sensor which controls a bleed valve accordingly.
- the level sensor itself is designed as a float, which controls a discharge of liquid from the container via suitable switching means.
- a refill pump maintains a level in a container at a predetermined level is described, for example, in US 5,010,218. Again, a float is used to detect the level.
- float switches In addition to float switches as sensors, capacitive sensors which emit different electrical signals, depending on whether a region of their surface is in contact with liquid or not, are known from the further general state of the art. Compared to the mechanical structure of the floats, these sensors have the advantage of a simple mechanical structure, which is far less susceptible to interference than a float, which can tilt, for example, in a housing and thus display incorrect values.
- the emptying agent for the container is always actuated when the sensor detects the first state, that is, when liquid is present in the predetermined region. As soon as the sensor detects the second state, ie no liquid is present in the predetermined region, the emptying agent is stopped.
- the emptying means according to the invention may in particular be a valve which is arranged so that it empties the container in the open state with the aid of gravity and / or pressure inside the container. Alternatively, however, other means would be conceivable, for example a pump for emptying the container.
- a safe discontinuous emptying of the container can be achieved.
- a certain system inherent hysteresis effect is used. If liquid is present in the region of the sensor, then the emptying means is actuated, that is, for example, a valve is opened or a drain pump is actuated. Due to the fact that both a valve and a pump as emptying means are mechanical components which have a certain response time, and that the emptying means is connected to the container via corresponding line sections or volumes, there is a certain delay between the detection of the Status by the sensor and the start of the operation of the emptying means or the stop of the operation of the emptying agent.
- the distances between the emptying agent and the sensor are chosen so that in the systemic delay occurring until the actual stop of the emptying the emptied volume is smaller than the volume in the container between the area of the sensor and the area of the emptying agent. This can now be achieved that the container is never completely emptied.
- the distance between an area of the container in which it overflows and the sensor is also formed correspondingly large, so that the running of liquid in the container takes place at most so fast that the Discharge means is already actuated after the sensor has reported the change of state before the container overflows.
- the time, which elapses from the detection of the state change to the actuation of the emptying means is changed over a predetermined time delay.
- the variation of the time also offers the possibility of integrating the system into existing containers, since by setting the time accordingly, for example in a test mode under Extreme conditions, safe operation can be achieved without having to change the structure of the container itself constructive.
- a capacitive sensor is used as the sensor.
- a capacitive sensor which is basically known from the prior art, the advantage that it is simple and manages without corresponding mechanical means. It can therefore detect a change in the state comparatively easily and safely even under extreme conditions.
- the sloshing and / or the container is provided with means for damping a sloshing of the liquid.
- the sensor in which the sensor is used, for example, in a corresponding immersion tube, or by known per se in the container elements for reducing the sloshing of the liquid, it can be achieved that the sensor is not due to sloshing liquid against him a change of state detected, which could then lead to a corresponding malfunction of the system, since the assumed by the sensor liquid level was caused only by sloshing and is not present as such.
- mechanical means and electronic means would be conceivable, which detect and filter a response of the sensor to a sloshing as typical for a sloshing.
- the container is used as a liquid separator.
- this can be used according to an advantageous development as a liquid separator in a fuel cell system.
- the liquid separator In such a fuel cell system fall along with the exhaust gases from the fuel cell corresponding amounts of product water both in the anode exhaust gas and in the cathode exhaust gas.
- the liquid separator in the anode exhaust gas, the liquid separator must work safely and reliably, as an overflow of the liquid would allow them to get back into the fuel cell system.
- the liquid could clog and / or wet corresponding gas channels or the like there and adversely affect the functionality of the system.
- the fuel cell system is used to generate electrical energy in a means of transport.
- the electrical energy can serve to drive the means of transport and / or the operation of ancillary or auxiliary units in the transport.
- a means of transport such as a motor vehicle, a truck, a floor conveyor, an aircraft, a ship or the like
- the liquid separator work safely and reliably. Due to the cramped space in a means of transport, the fuel cell system and in particular the liquid separator can not be built arbitrarily large.
- the sole attached figure shows a schematically indicated liquid separator.
- the figure shows a schematically indicated liquid separator 1, as it can be used for example in a fuel cell system in a vehicle.
- the liquid separator 1 is arranged in this application, in particular in the region of the cathode exhaust gas and / or the anode exhaust gas and separates liquid accumulating product water from the range of these gases.
- This is to be symbolized here by the conduit element 2, in which, as represented by the arrow A, a gas should flow together with condensed out liquid.
- the gas then leaves the liquid separator 1 as gas A 'without liquid constituents.
- the liquid is deposited accordingly in the region of a baffle plate 3, while the gas A flows past this baffle plate 3 and / or experiences a reversal of direction.
- baffle plate is chosen purely by way of example; all other types of deposition mechanisms, for example a circulating gas stream in which the liquid particles are carried to the outside, can also be realized. However, this plays a minor role for the invention presented here, so that a variant of a liquid separator 1 with a baffle plate 3 has been shown here by way of example.
- the liquid separator 1 has a container 4, in which the separated liquid collects.
- the container 4 is emptied in the direction of gravity down through a valve 5 as a drain.
- the valve 5 is controlled via an electronics 6.
- the valve 5 may be formed, for example, as a solenoid valve, which is opened to empty the container 4.
- the emptying of the liquid from the container 4 then takes place by the action of gravity on the liquid and / or by a driving pressure gradient in the gas A, A 'with respect to the environment, since the gas A, A' as a gas cushion above the liquid in the container 4 is located.
- the container 4 also has a sensor 7, which is formed here by way of example as a capacitive level sensor 7.
- the sensor 7 has only one switching point, so that only two states can be detected by the sensor 7.
- the first state is a state in which liquid is present in a predetermined range. This means, for example, that the sensor 7 is wetted with liquid, that is, the liquid level in the container 4 has exceeded at least the height of the sensor 7.
- a second state that can be detected by the sensor 7 is that no liquid is present in the predetermined region, ie, the sensor 7 is dry in the example set out above, since the level of the liquid in the container 4 lies below the sensor. By way of example, four such liquid levels are shown in the single figure shown.
- a first liquid level denoted by I is located in the container 4 below the sensor 7.
- the sensor 7 is then in the second state and will send a corresponding signal to the electronics 6, so that it can be detected via the electronics 6 that in the region of Sensors 7 no liquid is present.
- the second liquid level Il shown shows the liquid in the container 4 in the region just above the sensor 7. In this state, the sensor 7 is wetted with liquid, so that the sensor 7 will report a corresponding signal for the second state to the electronics 6.
- the third illustrated state, denoted by IM shows a liquid level in the container 4 above the sensor 7. Also in this state, the sensor 7 will detect the liquid state.
- the fourth level IV is again just below the sensor 7, so that this again detects the second state and reports to the electronics 6.
- the container 4 of the liquid separator 1 also has a Schwapptik 8, which is exemplified here as a perforated plate, which is arranged in a region just below the sensor 7 transverse to the opening of the container.
- a Schwapptik 8 prevents a high sloshing of the liquid during movement of the diesstechniksabscheiders 1, as they may occur, for example, when used in means of transport, such as motor vehicles. By Schwapptik 8 then wetting of the sensor and thus a faulty detection can be largely prevented.
- the Schwappschutz can of course be designed differently, for example by the sensor is installed in a corresponding tube, which is formed by correspondingly small openings so that liquid does not fully penetrate the Hochschwappen in the pipe, but upon reaching the corresponding level completely flooding the tube to be detected by the sensor 7 a corresponding level.
- a filter may be provided in the electronics 6, which detects signals typical for sloshing on the sensor 7 and filters out the usable signals of the sensor 7.
- the liquid separated from the moist gas stream A will collect in the container 4. As the amount of deposited liquid increases, it will eventually reach the liquid level indicated by II. In this case, the sensor 7 will determine the first state, ie the electronics 6 will report that liquid is present in a predetermined area around the sensor 7. The electronics 6 will accordingly control the valve 5, so that the container 4 can be emptied via the valve device 5. However, since a certain amount of time will elapse from the detection of the liquid level II up to the actual actuation of the valve 5, which is necessary for the detection and control of the valve 5, the liquid level will continue to increase during this time, for example to the liquid level designated III , Only then is the valve 5 completely opened and the container 4 can be emptied.
- the opening for emptying is to be chosen in each case so that the volume flow flowing out during emptying is always greater than the liquid stream introduced into the container.
- care must be taken by an appropriate positioning of the sensor 7 and / or the structural design of the container that the volume between the sensor 7 and the level III is so large that all the maximum accumulating in this period liquid can be stored in the volume , Without the container 4 overflows and liquid enters the region of the line elements 2.
- the emptying via the valve 5 will begin. With commencement of emptying, the liquid level drops from the level III back to the level IV. In this level IV just below the sensor 7, this will again detect a change in the state and report to the electronics 6. This then gives a signal to the valve 5 to stop the emptying, in this case, the valve 5 to close.
- This process also requires a corresponding time, so that upon final closure of the valve, the liquid in the container 4 has dropped to state I, for example. Again, it is important to ensure that the volume between the sensor 7 and the state I is only so great that during the inevitably occurring delay between the detection of the state and the switching of the valve, not all liquid reaches the environment, but one certain residual liquid remains in the container 4.
- the method according to the invention is able to realize a safe operation during discontinuous emptying of the container with a single very simple sensor.
- the structure can be adapted constructively so that on the one hand does not come to an overflow of the container 4 in the region of the lines 2, and that on the other hand no gas A, A 'passes through the valve 5 to the environment.
- this hysteresis behavior which occurs in principle in the system and which is used for the method according to the invention can be reinforced again by a corresponding change in the area of the electronics 6.
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Abstract
Ein Verfahren dient zum diskontinuierlichen Entleeren eines Behälters (4), in welchem sich Flüssigkeit ansammelt. Der Behälter (4) wird über ein Entleerungsmittel (Ventil 5) entleert. Dabei darf der Behälter (4) nie restlos entleert werden und nie überlaufen. Im Behälter (4) ist ein Sensor (7) angeordnet, welcher einen ersten Zustand, in dem in einem vorbestimmten Bereich Flüssigkeit vorhanden ist, und einen zweiten Zustand, in dem in dem vorbestimmten Bereich keine Flüssigkeit vorhanden ist, erfasst. Erfindungsgemäß wird das Entleerungsmittel (Ventil 5) betätigt, sobald der Sensor (7) den ersten Zustand erfasst. Das Entleerungsmittel (Ventil 5) wird gestoppt, sobald der Sensor (7) den zweiten Zustand erfasst.
Description
Verfahren zum diskontinuierlichen Entleeren eines Behälters
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum diskontinuierlichen Entleeren eines Behälters, in welchem sich Flüssigkeit ansammelt, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Behälter bekannt, in denen sich Flüssigkeit ansammelt, welche von Zeit zu Zeit entleert werden müssen. Beispielhaft kann hierfür auf Flüssigkeitsabscheider verwiesen werden, welche typischerweise von Gasströmen mittransportierte Flüssigkeiten, beispielsweise in Form von Tröpfchen, aus dem Gasstrom abscheiden. Die abgeschiedene Flüssigkeit sammelt sich in einem Behälter des Flüssigkeitsabscheiders. Von Zeit zu Zeit muss diese Flüssigkeit entleert werden, um ein Überlaufen des Behälters zu verhindern. Insbesondere dann, wenn die Flüssigkeit aus Gasen abgeschieden wird, welche aus Sicherheitsgründen nicht an die Umgebung gelangen dürfen, muss das diskontinuierliche Entleeren des Behälters so erfolgen, dass der Behälter einerseits nicht überläuft, um keine Flüssigkeit zurück in den Gasstrom zu transportieren, und andererseits der Behälter beim Entleeren nie vollkommen entleert wird, um immer eine gewisse Restmenge an Flüssigkeit in dem Behälter zu belassen. Diese Restmenge an Flüssigkeit dient dann als Sperre zum Zurückhalten der Gase, welche nicht an die Umgebung entweichen dürfen.
Ein beispielhafter Einsatzzweck kann insbesondere in chemischen Systemen liegen, in denen die Gase beispielsweise Lösungsmittel oder dergleichen sind. Ein weiterer Einsatz kann beispielsweise bei der Verwendung in einem Brennstoffzellensystem liegen, bei dem derartige Flüssigkeitsabscheider eingesetzt werden, um das von der Brennstoffzelle produzierte Produktwasser aus den Abgasen der Brennstoffzelle abzuscheiden. Da die Abgase auf der Anodenseite typischerweise zumindest eine Restmenge an Wasserstoff enthalten, muss darauf geachtet werden, dass dieser Wasserstoff nicht in den Bereich der Umgebung gelangt. Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt,
derartige Behälter mit Füllstandssensoren auszurüsten. Typischerweise werden dabei zwei Füllstandssensoren eingesetzt, um den Füllstand des Behälters zwischen diesen beiden Sensoren halten zu können. Alternativ dazu kann ein Füllstandssensor eingesetzt werden, welcher zwei Schaltpunkte aufweist, sodass bekannt ist, ob der Flüssigkeitsspiegel den Füllstandssensor in Richtung der Schwerkraft von oben nach unten, also beim Entleeren passiert, oder in der umgekehrten Richtung, also beim Befallen. Nachteilig bei dieser Art von Sensoren ist es, dass diese vergleichsweise aufwendig und teuer sind. Es wäre also wünschenswert einen Aufbau zu realisieren, welcher mit weniger und/oder einfacheren Sensoren einen sicheren Betrieb zum Entleeren eines derartigen Behälters ermöglicht.
Aus dem weiteren Stand der Technik sind außerdem Schwimmschalter als Füllstandssensoren für Behälter bekannt. So wird beispielsweise in der US 3,555,221 ein Füllstandssensor beschrieben, welcher ein Ablassventil entsprechend steuert. Dabei ist der Füllstandssensor selbst als Schwimmer ausgebildet, welcher über geeignete Schaltmittel ein Ablassen von Flüssigkeit aus dem Behälter steuert. Ein ähnlicher Aufbau, bei dem eine Nachfüllpumpe einen Füllstand in einem Behälter auf einem vorgegebenen Niveau hält, ist beispielsweise in der US 5,010,218 beschrieben. Auch hier wird ein Schwimmer zur Erfassung des Füllstandes eingesetzt.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik sind neben Schwimmschaltern als Sensoren insbesondere auch kapazitive Sensoren bekannt, welche unterschiedliche elektrische Signale abgeben, je nachdem, ob ein Bereich ihrer Oberfläche mit Flüssigkeit in Kontakt steht oder nicht. Im Vergleich zum mechanischen Aufbau der Schwimmer, haben diese Sensoren den Vorteil eines einfachen mechanischen Aufbaus, welcher bei weitem nicht so störanfällig ist, wie ein Schwimmer, welcher sich beispielsweise in einem Gehäuse verkanten kann und damit falsche Werte anzeigen würde.
Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum diskontinuierlichen Entleeren eines Behälters, in welchem sich Flüssigkeit ansammelt, zu schaffen, bei dem mit minimalem Aufwand hinsichtlich der Sensorik garantiert werden kann, dass der Behälter einerseits nie überläuft und andererseits nie restlos entleert wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Patentanspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Entleerungsmittel für den Behälter wird im erfindungsgemäßen Verfahren immer dann betätigt, wenn der Sensor den ersten Zustand erfasst, also wenn in dem vorbestimmten Bereich Flüssigkeit vorhanden ist. Sobald der Sensor den zweiten Zustand erfasst, also in dem vorgegebenen Bereich keine Flüssigkeit mehr vorhanden ist, wird das Entleerungsmittel gestoppt. Beim Entleerungsmittel gemäß der Erfindung kann es sich insbesondere um ein Ventil handeln, welches so angeordnet ist, dass es im geöffneten Zustand den Behälter unter Zuhilfenahme der Schwerkraft und/oder eines Drucks im Inneren des Behälters entleert. Alternativ hierzu wären jedoch auch andere Mittel denkbar, beispielsweise eine Pumpe zur Entleerung des Behälters.
Der erfindungsgemäße Gedanke ist nun der Folgende:
Mit einem einzigen Sensor, welcher lediglich einen Schaltpunkt aufweist, kann ein sicheres diskontinuierliches Entleeren des Behälters erreicht werden. Hierfür wird ein gewisser dem System innewohnender Hystereseeffekt genutzt. Wenn im Bereich des Sensors Flüssigkeit vorhanden ist, so wird das Entleerungsmittel betätigt, also beispielsweise ein Ventil geöffnet oder eine Entleerungspumpe betätigt. Aufgrund der Tatsache, dass sowohl ein Ventil als auch eine Pumpe als Entleerungsmittel mechanische Bauteile sind, welche eine gewisse Ansprechzeit aufweisen, und dass das Entleerungsmittel mit dem Behälter über entsprechende Leitungsabschnitte bzw. Volumina verbunden ist, kommt es zu einer gewissen Verzögerung zwischen dem Erfassen des Zustands durch den Sensor und dem Start der Betätigung des Entleerungsmittels bzw. dem Stopp der Betätigung des Entleerungsmittels. Wenn der Flüssigkeitsspiegel also den Sensor passiert, dann wird das Betätigungsmittel entsprechend gestoppt. Bis es zu einem mechanischen Stopp des Entleerungsmittels kommt und die Entleerung tatsächlich endet, vergeht jedoch eine gewisse Zeit. In dieser Zeit läuft die Entleerung fort, sodass mit dem Stopp des Entleerungsmittels ein Flüssigkeitspegel erreicht wird, welcher unterhalb des Sensors liegt.
Wird nun weitere Flüssigkeit in den Behälter eingetragen, so steigt der Flüssigkeitsspiegel wieder an. Er wird ab einem bestimmten Punkt den Sensor erreichen, welcher wiederum von dem Zustand ohne Flüssigkeit in den Zustand mit Flüssigkeit
wechselt. Dies wird wiederum eine erneute Betätigung des Entleerungsmittels auslösen. Auch diese ist systembedingt mit einer gewissen Verzögerung behaftet, sodass der Flüssigkeitsspiegel in dem Behälter über den Sensor hinaus weiter ansteigt, bis die tatsächliche Betätigung des Entleerungsmittels startet. Ab diesem Zeitpunkt beginnt dann der Ablauf wieder von neuem.
Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es nun so, dass die Abstände zwischen dem Entleerungsmittel und dem Sensor so gewählt sind, dass in der systembedingt auftretenden Verzögerung bis zum tatsächlichen Stopp des Entleerungsmittels das entleerte Volumen kleiner ist, als das Volumen in dem Behälter zwischen dem Bereich des Sensors und dem Bereich des Entleerungsmittels. Dadurch kann nun erreicht werden, dass der Behälter nie restlos entleert wird.
In einer weiteren besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass der Abstand zwischen einem Bereich des Behälters, in dem dieser überläuft und dem Sensor ebenfalls entsprechend groß ausgebildet ist, sodass das Nachlaufen an Flüssigkeit in den Behälter maximal so schnell erfolgt, dass das Entleerungsmittel bereits betätigt ist, nachdem der Sensor die Zustandsänderung gemeldet hat, bevor der Behälter überläuft.
Mit diesem Aufbau kann also ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Verfahrens zum diskontinuierlichen Entleeren des Behälters realisiert werden kann. Dazu ist ein einziger Sensor, welcher lediglich einen Schaltpunkt aufweist, ausreichend.
Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem vorgesehen, die Zeit, welche von der Erfassung der Zustandsänderung bis zur Betätigung des Entleerungsmittels vergeht, über eine vorgegebene Zeitverzögerung verändert wird.
Insbesondere dann, wenn die Möglichkeit besteht, im Vergleich zum anfallenden Volumen an Flüssigkeit einen eher großen Behälter einzusetzen, kann dies von entscheidendem Vorteil sein, da hierdurch ein häufiges Schalten des Entleerungsmittels entsprechend verhindert werden kann. Insbesondere bietet die Variation der Zeit auch die Möglichkeit, das System in bestehende Behälter zu integrieren, da durch ein entsprechendes Einstellen der Zeit, beispielsweise in einem Testbetrieb unter
Extrembedingungen, ein sicherer Betrieb erreicht werden kann, ohne den Aufbau des Behälters selbst konstruktiv verändern zu müssen.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass als Sensor ein kapazitiver Sensor verwendet wird. Im Vergleich zu anderen Füllstandssensoren, wie z.B. Schimmerschalter, bietet ein derartiger kapazitiver Sensor, welcher grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt ist, den Vorteil, dass er einfach aufgebaut ist und ohne entsprechende mechanische Mittel auskommt. Er kann daher auch unter Extrembedingungen vergleichsweise einfach und sicher eine Änderung des Zustands erfassen.
Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass der Sensor und/oder der Behälter mit Mitteln zum Dämpfen eines Schwappens der Flüssigkeit versehen wird. Mit diesem Aufbau, bei dem der Sensor beispielsweise in ein entsprechendes Tauchrohr eingesetzt wird, oder indem in dem Behälter an sich bekannte Elemente zur Reduzierung des Schwappens der Flüssigkeit vorgesehen sind, kann erreicht werden, dass der Sensor nicht aufgrund von gegen ihn schwappender Flüssigkeit eine Zustandsänderung detektiert, welche dann zu einem entsprechenden Fehlbetrieb des Systems führen könnte, da der durch den Sensor gemutmaßte Flüssigkeitsstand lediglich durch ein Schwappen verursacht wurde und als solcher nicht vorliegt. Neben mechanischen Mitteln wären auch elektronische Mittel denkbar, welche eine Ansprechen des Sensors auf ein Schwappen als für ein Schwappen typisch erfassen und ausfiltern.
Eine weitere besonders günstige und vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass der Behälter als Flüssigkeitsabscheider verwendet wird. Insbesondere kann dieser gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung als Flüssigkeitsabscheider in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden. Bei einem derartigen Brennstoffzellensystem fallen zusammen mit den Abgasen aus der Brennstoffzelle entsprechende Mengen an Produktwasser sowohl im Anodenabgas als auch im Kathodenabgas an. Insbesondere im Anodenabgas muss der Flüssigkeitsabscheider sicher und zuverlässig funktionieren, da ein Überlaufen der Flüssigkeit diese ins Brennstoffzellensystem zurückgelangen lassen würde. Die Flüssigkeit könnte dort entsprechende Gaskanäle oder dergleichen verstopfen und/oder benetzen und die Funktionalität des Systems nachhaltig beeinträchtigen. Auf der anderen Seite ist es wichtig, dass kein Abgas selbst an die Umgebung gelangt, da dieses
typischerweise Wasserstoff ist oder zumindest einen Restanteil an Wasserstoff aufweist. Dieser Wasserstoff sollte alleine schon aus Sicherheitsgründen nicht an die Umgebung gelangen, um eventuelle Risiken hinsichtlich einer Verbrennung oder Explosion zu unterbinden.
In einer besonders günstigen Weiterbildung des Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Transportmittel verwendet wird. Die elektrische Energie kann dabei dem Antrieb des Transportmittels und/oder dem Betrieb von Neben- bzw. Hilfsaggregaten in dem Transportmittel dienen. Insbesondere beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Transportmittel, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug, einem Lastkraftwagen, einer Flurfördereinheit, einem Flugzeug, einem Schiff oder dergleichen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Flüssigkeitsabscheider sicher und zuverlässig funktionieren. Aufgrund des beengten Bauraums in einem Transportmittel kann das Brennstoffzellensystem und insbesondere die Flüssigkeitsabscheider dabei nicht beliebig groß aufgebaut werden. Mit entsprechend kleinen Flüssigkeitsabscheidern werden die beiden oben genannten Problematiken des Überlaufens und des Ablassens von Gas an die Umgebung jedoch besonders kritisch, da entsprechend kleine Behälter der Flüssigkeitsabscheider ein häufiges diskontinuierliches Entleeren erfordern. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren bei derartigen Anwendungen von besonderem Vorteil, da hier höchste Sicherheitsanforderungen neben einer sehr sicheren und zuverlässigen Funktionalität, bei stark eingeschränktem Bauraum, realisiert werden müssen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich anhand der restlichen Unteransprüche und werden anhand des Ausführungsbeispiels nachfolgend dargestellt, wobei dieses unter Bezugnahme auf die Figur erläutert werden wird.
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen schematisch angedeuteten Flüssigkeitsabscheider.
Die Figur zeigt einen schematisch angedeuteten Flüssigkeitsabscheider 1 , wie er beispielsweise in einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingesetzt werden kann. Der Flüssigkeitsabscheider 1 ist bei diesem Einsatzzweck insbesondere im Bereich des Kathodenabgases und/oder des Anodenabgases angeordnet und scheidet flüssig
anfallendes Produktwasser aus dem Bereich dieser Abgase ab. Dies soll hier durch das Leitungselement 2 symbolisiert werden, in welchem, wie durch den Pfeil A dargestellt, ein Gas zusammen mit auskondensierter Flüssigkeit strömen soll. Das Gas verlässt dann als Gas A' ohne flüssige Bestandteile den Flüssigkeitsabscheider 1. Die Flüssigkeit wird im Bereich eines Prallblechs 3 entsprechend abgeschieden, während das Gas A an diesem Prallblech 3 vorbeiströmt und/oder eine Richtungsumkehr erfährt. Der Aufbau mit Prallblech ist dabei rein beispielhaft gewählt, es können auch alle anderen Arten von Abscheidemechanismen, beispielsweise ein zirkulierender Gasstrom, bei dem die Flüssigkeitsteilchen nach außen getragen werden, realisiert werden. Dies spielt für die hier dargestellte Erfindung jedoch eine untergeordnete Bedeutung, sodass hier beispielhaft eine Variante eines Flüssigkeitsabscheiders 1 mit einem Prallblech 3 dargestellt wurde.
Der Flüssigkeitsabscheider 1 weist einen Behälter 4 auf, in welchem sich die abgeschiedene Flüssigkeit sammelt. Der Behälter 4 ist in Richtung der Schwerkraft unten durch ein Ventil 5 als Entleerungsmittel entleerbar. Dabei wird das Ventil 5 über eine Elektronik 6 angesteuert. Das Ventil 5 kann beispielsweise als Magnetventil ausgebildet sein, welches zur Entleerung des Behälters 4 geöffnet wird. Die Entleerung der Flüssigkeit aus dem Behälter 4 erfolgt dann durch die Wirkung der Schwerkraft auf die Flüssigkeit und/oder durch ein treibendes Druckgefälle in dem Gas A, A' gegenüber der Umgebung, da sich das Gas A, A' als Gaspolster oberhalb der Flüssigkeit in dem Behälter 4 befindet.
Der Behälter 4 weist außerdem einen Sensor 7 auf, welcher hier beispielhaft als kapazitiver Füllstandssensor 7 ausgebildet ist. Der Sensor 7 weist dabei lediglich einen Schaltpunkt auf, sodass durch den Sensor 7 lediglich zwei Zustände detektiert werden können. Der erste Zustand ist ein Zustand, in dem in einem vorbestimmten Bereich Flüssigkeit vorhanden ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Sensor 7 mit Flüssigkeit benetzt ist, der Flüssigkeitsstand in dem Behälter 4 also zumindest die Höhe des Sensors 7 überschritten hat. Ein zweiter von dem Sensor 7 detektierbarer Zustand besteht darin, dass in dem vorbestimmten Bereich keine Flüssigkeit vorhanden ist, der Sensor 7 also im oben dargelegten Beispiel trocken ist, da der Füllstand der Flüssigkeit in dem Behälter 4 unterhalb des Sensors liegt.
Beispielhaft sind in der einzigen dargestellten Figur vier derartige Flüssigkeitsstände eingezeichnet. Ein erster mit I bezeichneter Flüssigkeitsstand befindet sich in dem Behälter 4 unterhalb des Sensors 7. Der Sensor 7 befindet sich dann also im zweiten Zustand und wird an die Elektronik 6 ein entsprechendes Signal senden, sodass über die Elektronik 6 erfassbar ist, dass im Bereich des Sensors 7 keine Flüssigkeit vorhanden ist. Der zweite dargestellte Flüssigkeitsstand Il zeigt die Flüssigkeit in dem Behälter 4 im Bereich knapp oberhalb des Sensors 7. In diesem Zustand ist der Sensor 7 mit Flüssigkeit benetzt, sodass der Sensor 7 ein entsprechendes Signal für den zweiten Zustand an die Elektronik 6 melden wird. Der dritte dargestellte Zustand, welcher mit IM bezeichnet ist, zeigt einen Flüssigkeitsstand in dem Behälter 4 oberhalb des Sensors 7. Auch in diesem Zustand wird der Sensor 7 den Zustand mit Flüssigkeit detektieren. Der vierte Füllstand IV liegt wiederum knapp unterhalb des Sensors 7, so dass dieser wieder den zweiten Zustand erfasst und an die Elektronik 6 meldet.
Der Behälter 4 des Flüssigkeitsabscheiders 1 weist außerdem einen Schwappschutz 8 auf, welcher hier beispielhaft als Lochblech dargestellt ist, welches in einem Bereich kurz unterhalb des Sensors 7 quer zur Öffnung des Behälters angeordnet ist. Ein solcher Schwappschutz 8 verhindert ein Hochschwappen der Flüssigkeit bei Bewegung des Flüssigkeitsabscheiders 1, wie sie beispielsweise beim Einsatz in Transportmitteln, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, auftreten können. Durch den Schwappschutz 8 kann dann ein Benetzen des Sensors und damit eine fehlerhafte Detektion weitestgehend verhindert werden. Neben dem hier beispielhaft dargestellten Schwappschutzblech 8 kann der Schwappschutz selbstverständlich auch anders ausgebildet werden, beispielsweise indem der Sensor in ein entsprechendes Rohr eingebaut wird, welches durch entsprechend kleine Öffnungen so ausgebildet ist, dass Flüssigkeit beim Hochschwappen nicht vollständig in das Rohr eindringt, jedoch beim Erreichen des entsprechenden Füllstands das Rohr vollständig flutet, um durch den Sensor 7 einen entsprechenden Füllstand erfassen zu können. Daneben oder auch ergänzend kann in der Elektronik 6 eine Filter vorgesehen sein, welcher für Schwappen typische Signale an dem Sensor 7 erkannt und aus den verwertbaren Signalen des Sensors 7 herausfiltert.
In der einigen Dargestellten Figur ist ferner ein weiterer beispielhafter Schwappschutz 9 zu erkennen. Dieser soll verhindern, dass Flüssigkeit in den Bereich der Leitungen 2 schwappt. Da derartige Vorrichtungen zum Schwappschutz grundlegend ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt sind, wird hier nicht näher auf diese Aufbauten
eingegangen, sondern nur eine beispielhafte Variante kurz erläutert. Es ist dabei für den Fachmann klar, dass sämtliche anderen denkbaren Varianten eines Schwappschutzes, insbesondere eines mechanischen Schwappschutzes, entsprechend in den Behälter 4 integriert werden können.
Der verfahrensgemäße Ablauf beim diskontinuierlichen Entleeren des Behälters 4 ist nun der Folgende:
Die aus dem feuchten Gasstrom A abgeschiedene Flüssigkeit wird sich in dem Behälter 4 sammeln. Mit zunehmender Menge an abgeschiedener Flüssigkeit wird diese irgendwann den mit Il bezeichneten Flüssigkeitsstand erreichen. In diesem Fall wird der Sensor 7 den ersten Zustand feststellen, also der Elektronik 6 melden, dass in einem vorbestimmten Bereich um den Sensor 7 Flüssigkeit vorhanden ist. Die Elektronik 6 wird dementsprechend das Ventil 5 ansteuern, sodass der Behälter 4 über die Ventileinrichtung 5 entleert werden kann. Da von der Erfassung des Flüssigkeitsstands Il bis zur tatsächlichen Betätigung des Ventils 5 jedoch eine gewisse Zeit vergehen wird, welche für die Erfassung und die Ansteuerung des Ventils 5 notwendig ist, wird der Flüssigkeitsstand in dieser Zeit weiter steigen, beispielsweise auf den mit III bezeichneten Flüssigkeitsstand. Erst dann ist das Ventil 5 vollständig geöffnet und der Behälter 4 kann entleert werden. Die Öffnung zur Entleerung ist dabei in jedem Fall so zu wählen, dass der beim Entleeren abfließende Volumenstrom immer größer ist, als der in den Behälter eingetragene Flüssigkeitsstrom. Außerdem ist durch eine entsprechende Positionierung des Sensors 7 und/oder die konstruktive Ausgestaltung des Behälters darauf zu achten, dass das Volumen zwischen dem Sensor 7 und dem Füllstand III so groß ist, dass sämtliche in diesem Zeitraum maximal anfallende Flüssigkeit in dem Volumen gespeichert werden kann, ohne dass der Behälter 4 überläuft und Flüssigkeit in den Bereich der Leitungselemente 2 gelangt.
Nachdem der Flüssigkeitsstand nun den Füllstand III erreicht hat, wird die Entleerung über das Ventil 5 beginnen. Mit beginnender Entleerung sinkt der Flüssigkeitsstand ausgehend vom Füllstand III zurück in den Füllstand IV. In diesem Füllstand IV knapp unterhalb des Sensors 7, wird dieser wiederum eine Veränderung des Zustands erfassen und an die Elektronik 6 melden. Diese gibt daraufhin ein Signal an das Ventil 5, um die Entleerung zu stoppen, in diesem Fall also das Ventil 5 zu schließen. Auch dieser Vorgang benötigt eine entsprechende Zeit, sodass beim endgültigen Schließen des Ventils die Flüssigkeit in dem Behälter 4 beispielsweise auf den Zustand I abgesunken ist.
Auch hier ist wiederum darauf zu achten, dass das Volumen zwischen dem Sensor 7 und dem Zustand I nur so groß ist, dass während der unweigerlich auftretenden Verzögerung zwischen dem Erfassen des Zustande und dem Schalten des Ventils nicht sämtliche Flüssigkeit an die Umgebung gelangt, sondern eine gewisse Restflüssigkeit in dem Behälter 4 verbleibt. Diese Restflüssigkeit sorgt dann dafür, dass kein Gas A über das Ventil 5 in die Umgebung gelangen kann. Nachdem die Flüssigkeit den Füllstand I erreicht hat und das Ventil 5 endgültig geschlossen ist, wird sich in dem Behälter 4 erneut Flüssigkeit ansammeln, sodass der Füllstand der Flüssigkeit wieder ansteigt. Er wird nach einer gewissen Zeit wieder den Füllstand Il erreichen, sodass der Ablauf von vorne beginnt.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermag es also mit einem einzigen sehr einfach ausgebildeten Sensor einen sicheren Betrieb beim diskontinuierlichen Entleeren des Behälters zu realisieren. Der Aufbau kann dabei konstruktiv so angepasst werden, dass es einerseits nicht zu einem Überlaufen des Behälters 4 in den Bereich der Leitungen 2 kommt, und dass andererseits kein Gas A, A' durch das Ventil 5 an die Umgebung gelangt. Neben der rein konstruktiven Ausgestaltung des Behälters 4 und der Lage des Sensors 7 kann dieses in dem System prinzipbedingt auftretende Hystereseverhalten, welches für das erfindungsgemäße Verfahren genutzt wird, durch eine entsprechende Veränderung im Bereich der Elektronik 6 nochmals verstärkt werden. So wäre es denkbar, eine entsprechende Zeitverzögerung in der Elektronik 6 mit einzubauen, sodass die Zeitverzögerung zwischen dem Ansprechen des Sensors 7 und der tatsächlich endgültigen Betätigung der Ventileinrichtung 5 entsprechend angepasst werden kann. Über ein derartiges Zeitglied könnte eine Anpassung an konstruktiv auftretende Toleranzen erreicht werden. Oder es könnte das erfindungsgemäße Verfahren in bestehenden Behältern 4 nachgerüstet werden, da durch eine individuelle Anpassung einer Verzögerung in der Elektronik 6 das System an jegliche Bauformen angepasst werden kann, welche einen ausreichenden Abstand zwischen dem Sensor 7 und der Ventileinrichtung 5 einerseits und dem Sensor 7 und der oberen Kante des Behälters 4 andererseits bieten. Dabei ist es auch möglich die Zeitverzögerung in die eine Richtung, z.B. beim Füllen, länger zu wählen als in die Andere Richtung, z.B. beim Entleeren. Die Notwendigkeit einer speziellen konstruktiven Ausgestaltung des Behälters kann damit weitgehend entfallen.
Claims
1. Verfahren zum diskontinuierlichen Entleeren eines Behälters, in welchem sich Flüssigkeit ansammelt, über ein Entleerungsmittel, wobei der Behälter nie restlos entleert werden und nie überlaufen darf, mit einem Sensor, welcher einen ersten Zustand, in dem in einem vorbestimmten Bereich Flüssigkeit vorhanden ist, und einen zweiten Zustand, in dem im vorbestimmten Bereich keine Flüssigkeit vorhanden ist, erfasst dadurch gekennzeichnet, dass das Entleerungsmittel (Ventil 5) betätigt wird, sobald der Sensor (7) den ersten Zustand erfasst, wobei das Entleerungsmittel (Ventil 5) gestoppt wird, sobald der Sensor (7) den zweiten Zustand erfasst.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Sensors (7) zu dem Bereich, in dem das Entleerungsmittel (Ventil 5) angeordnet ist, so groß ist, dass das Volumen in diesem Bereich größer ist, als das Volumen, das in der Zeit entleert wird, die von der Erfassung der Zustandsänderung bis zur Betätigung des Entleerungsmittels (Ventil 5) vergeht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des Sensors (7) zu dem Bereich, in dem der Behälter (4) überläuft, so groß ist, dass das Volumen in diesem Bereich größer ist, als das maximale Volumen an sich ansammelnder Flüssigkeit, in der Zeit, die von der Erfassung der Zustandsänderung bis zur Betätigung des Entleerungsmittels (Ventil 5) vergeht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeit, welche von der Erfassung der Zustandsänderung bis zur Betätigung des Entleerungsmittels (Ventil 5) vergeht, über eine vorgegebene Zeitverzögerung verändert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (7) ein Füllstandssensor mit einem Schaltpunkt verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (7) ein kapazitiver Sensor verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Entleerungsmittel ein Ventil (5) verwendet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) und/oder der Behälter (4) mit Mitteln zum Dämpfen eines Schwappens der Flüssigkeit versehen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Behälter (4) ein Flüssigkeitsabscheider (1) verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsabscheider (1) als Flüssigkeitsabscheider in einem Brennstoffzellensystem verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischer Energie in einem Transportmittel verwendet wird.
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