WO2006136231A1 - Hohlfaseranordnung - Google Patents

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Klaus Leister
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Carl Freudenberg Kg
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    • B01D63/04—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies
    • B01D63/043—Hollow fibre modules comprising multiple hollow fibre assemblies with separate tube sheets

Definitions

  • the invention relates to a hollow fiber arrangement for a humidifier, comprising water vapor permeable hollow fibers, wherein a first air flow within the hollow fibers and a second air flow outside the hollow fibers can be guided.
  • Hollow fiber assemblies are placed in humidifiers, with one air flow inside the fibers and another air flow outside the fibers.
  • An air stream is loaded with water vapor which at least partially passes through the fiber into the other air stream. It is problematic in the case of the hollow-fiber arrangements that the fibers aggregate in some places due to the outward-directed air flow and move apart at other locations. This results in an uneven flow around the fibers and a uniform mass transfer is no longer guaranteed. Presentation of the invention
  • the invention has for its object to provide a hollow fiber assembly having a predetermined pressure loss during operation.
  • the hollow fibers are at least partially spaced from each other by a respective device disposed between the hollow fibers.
  • a respective device disposed between the hollow fibers.
  • the pressure loss can be varied by various configurations of the device and set over wide operating ranges.
  • the hollow fibers can be arranged and fixed by the device such that there is a constant pressure loss over the inflow region. This is especially important for asymmetric flows, which result in different dynamic pressures in the inflow area.
  • the device may be formed by a yarn whose diameter dictates the spacing of the fibers.
  • the device may comprise a nonwoven fabric.
  • the nonwoven fabrics are designed so permeable that they have a low pressure drop.
  • Nonwovens are easy to work with. Due to their flexibility, the nonwovens can be adapted to a variety of geometries.
  • the device may comprise an open-cell foam.
  • the open-cell foam can be formed by a polyurethane foam. Foams are dimensionally stable, whereby the structure of the Hollow fiber assembly is stabilized. The foam has a low pressure loss.
  • the device may comprise a material surrounding the hollow fiber spirally.
  • the material can be made of nonwoven or
  • Foam be formed. Since the device is designed like a ribbon, there is a material savings compared to a flat device. The pressure loss is low in this arrangement, since there are large spaces that are freely flowed through.
  • the device may be arranged such that the hollow fibers are separable in bundles.
  • a number of hollow fibers of the device such as a yarn, enclosed and thus separated into individual chambers.
  • the bundles can be individually exchangeable and can have different properties, for example different diameters.
  • hollow fibers with different diameters can be combined within a bundle.
  • two hollow fibers of a smaller diameter can be combined with hollow fibers of a larger diameter.
  • the bundles may contain different numbers of hollow fibers. This results in bundles of different sizes and in an arrangement of the bundles also results in a high porosity and a low pressure drop.
  • the arranged in the chambers hollow fibers may have different packing densities.
  • the packing density can be adjusted by varying the thickness of the device. Due to the variable packing density, the pressure loss of the chamber can be adapted to the local back pressure, so that, for example, the chambers in areas high Back pressure has a greater packing density than the chambers in areas of lower back pressure.
  • the mass transfer of the hollow fibers can thus be kept constant over all chambers.
  • the arranged in the chambers hollow fibers may have different diameter from each other. Due to the variable diameter, the pressure loss of a chamber is also variable, since with decreasing diameter, the packing density and thus the pressure loss of the chamber increases.
  • the invention also relates to a humidifier, comprising at least one housing with a housing wall and at least one hollow fiber arrangement arranged within the housing.
  • a humidifier comprising at least one housing with a housing wall and at least one hollow fiber arrangement arranged within the housing.
  • the packing density of the hollow fiber arrangement is variable, so that the pressure loss can be adapted to different pressure conditions.
  • the packing density of the hollow fibers can increase from the housing wall in the direction of the housing center. As a result, the packing density in the inflow region of the hollow fiber arrangement is the lowest and increases in the direction of the center of the housing. This results in a uniform course of the pressure loss and a uniform mass transfer.
  • the housing may have an inflow opening through which the second air stream can be supplied to the hollow fibers and the hollow fibers can be spaced least in the region of the greatest dynamic pressure and spaced most widely in the region of the smallest dynamic pressure.
  • the pressure loss in the region of the largest dynamic pressure is greatest and smallest in the region of the smallest dynamic pressure. This results in a uniform flow and thus a uniform mass transfer over the housing cross-section.
  • FIGS. show, in each case schematically:
  • FIG. 2 shows a hollow fiber arrangement with a device consisting of a spiral surrounding the hollow fiber band.
  • FIG. 3 shows a hollow fiber arrangement with chambered hollow fibers; 4 shows a humidifier with asymmetrical flow; Fig. 5 is a humidifier.
  • FIG. 1 shows a hollow fiber arrangement 1, which is suitable in particular for a humidifier 2 of a fuel cell.
  • the hollow fiber arrangement 1 is formed from water vapor permeable hollow fibers 3, wherein a first air flow 4 within the hollow fibers 3 and a second air flow 5 outside the hollow fibers 3 can be guided.
  • the hollow fibers 3 are arranged spaced apart by a device 6.
  • the device 6 is formed in this embodiment from a plane perpendicular to the second air stream 5 sheet-like nonwoven web.
  • the nonwoven web is made of plastic fibers which are interconnected so that the on-resistance is low.
  • the device 6 may be formed in other embodiments also of an open-cell foam, in particular a polyurethane foam.
  • FIG. 2 shows a hollow fiber 3 which is surrounded by the device 6 spirally.
  • the device 6 is formed from a narrow strip of nonwoven fabric.
  • FIG. 3 shows a hollow fiber arrangement 1 in which the device 6 is arranged in such a way that the hollow fibers 3 are separated into bundles 7.
  • the device 6 in each case surrounds a number of hollow fibers 3, wherein the device 6 is formed in this embodiment of a dimensionally stable nonwoven fabric or an open-cell foam.
  • the device may also be formed other porous materials such as perforated plates, mesh, plastic sieves.
  • the chambered in the bundles 7 hollow fibers 3 have different packing densities. This is done by selecting different diameters of the hollow fibers 3 and by additional means 6, for example spirally surrounding the hollow fibers 3 nonwoven bands or a combination of different diameters and additional devices. 6
  • FIG. 4 shows a humidifier 2 which is formed from a housing 8 with a housing wall 9, in which a hollow fiber arrangement 1 according to FIG. 1 is arranged.
  • the device 6 is formed in this embodiment of a spiral band.
  • the housing 8 has an inflow opening 10 through which the second air flow 5 can be supplied to the hollow fibers 3.
  • the hollow fibers 3 are at the smallest distance in the region of the largest dynamic pressure 11 and arranged at the greatest distance from each other in the region of the smallest dynamic pressure 12.
  • FIG. 5 shows a humidifier 2 which is formed from a housing 8 with a housing wall 9, in which arrangement a hollow fiber arrangement 1 according to FIG. 1 is arranged.
  • the device 6 consists in this embodiment of a flat structure.
  • the hollow fibers 3 are arranged in the housing such that the packing density of the hollow fibers 3 increases from the housing wall 9 in the direction of the housing center.

Abstract

Hohlfaseranordnung (1) für einen Befeuchter (2), umfassend wasserdampfdurchlässige Hohlfasern (3), wobei ein erster Luftstrom (4) innerhalb der Hohlfasern (3) und ein zweiter Luftstrom (5) außerhalb der Hohlfasern (3) führbar ist, wobei die Hohlfasern (3) zumindest teilweise durch eine jeweils zwischen den Hohlfasern (3) angeordnete Einrichtung (6) voneinander beabstandet sind.

Description

Hohlfaseranordnung
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Hohlfaseranordnung für einen Befeuchter, umfassend wasserdampfdurchlässige Hohlfasern, wobei ein erster Luftstrom innerhalb der Hohlfasern und ein zweiter Luftstrom außerhalb der Hohlfasern führbar ist.
Stand der Technik
Derartige Hohlfaseranordnungen sind allgemein bekannt. Die
Hohlfaseranordnungen werden in Befeuchtern angeordnet, wobei ein Luftstrom innerhalb der Fasern und ein anderer Luftstrom außerhalb der Fasern geführt ist. Ein Luftstrom ist dabei mit Wasserdampf beladen, der zumindest teilweise durch die Faser in den anderen Luftstrom übergeht. Bei den Hohlfaseranordnungen ist problematisch, dass sich die Fasern aufgrund des außerhalb geführten Luftstroms an einigen Stellen zusammenballen und an anderen Stellen auseinander bewegen. Dadurch ergibt sich ein ungleichmäßige Umströmung der Fasern und eine gleichmäßige Stoffübertragung ist nicht mehr gewährleistet. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hohlfaseranordnung bereitzustellen, die während des Betriebs einen vorgegebenen Druckverlust aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Auf vorteilhafte Ausgestaltungen nehmen die Unteransprüche Bezug.
Zur Lösung der Aufgabe sind die Hohlfasern zumindest teilweise durch eine jeweils zwischen den Hohlfasern angeordnete Einrichtung voneinander beabstandet. Durch die als Abstandshalter ausgebildete Einrichtung wird verhindert, dass sich durch den Einfluss der Strömung die Hohlfasern lokal zusammenballen können und dass Bereiche mit geringer Packungsdichte entstehen. Der Druckverlust kann durch verschiedene Ausgestaltungen der Einrichtung variiert und über weite Betriebsbereiche festgelegt werden. Die Hohlfasern können durch die Einrichtung derart angeordnet und festgelegt werden, dass sich über den Anströmbereich ein konstanter Druckverlust ergibt. Das ist besonders bei asymmetrischen Anströmungen wichtig, bei denen sich im Anströmungsbereich unterschiedliche Staudrücke ergeben. In einer ersten Ausgestaltung kann die Einrichtung durch ein Garn gebildet sein, dessen Durchmesser den Abstand der Fasern vorgibt.
Die Einrichtung kann einen Vliesstoff umfassen. Dabei sind die Vliesstoffe derart durchlässig ausgebildet, dass sie einen geringen Druckverlust aufweisen. Vliesstoffe sind einfach zu verarbeiten. Aufgrund ihrer Flexibilität können die Vliesstoffe an eine Vielzahl von Geometrien angepasst werden.
Die Einrichtung kann einen offenzelligen Schaumstoff aufweisen. Der offenzellige Schaumstoff kann dabei durch einen Polyurethanschaum gebildet sein. Schaumstoffe sind Formstabil, wodurch die Struktur der Hohlfaseranordnung stabilisiert ist. Der Schaumstoff weist einen geringen Druckverlust auf.
Die Einrichtung kann ein die Hohlfaser spiralförmig umgebendes Material umfassen. Das Material kann dabei beispielsweise aus Vliesstoff oder
Schaumstoff gebildet sein. Da die Einrichtung dabei bandartig ausgebildet ist, ergibt sich gegenüber einer flächig ausgebildeten Einrichtung eine Materialersparnis. Der Druckverlust ist bei dieser Anordnung gering, da es große Zwischenräume gibt, die frei durchströmbar sind.
Die Einrichtung kann derart angeordnet sein, dass die Hohlfasern in Bündel separierbar sind. Dabei wird eine Anzahl von Hohlfasern von der Einrichtung, beispielsweise einen Garn, umschlossen und damit zu einzelnen Kammern separiert. Daraus ergibt sich die Möglichkeit eines modularen Aufbaus eines Befeuchters. Die Bündel können einzeln austauschbar sein und können unterschiedliche Eigenschaften, beispielsweise unterschiedliche Durchmesser, aufweisen. Dazu können innerhalb eines Bündels Hohlfasern mit unterschiedlichen Durchmessern zusammengefasst sein. Dabei können zwei Hohlfasern eines kleineren Durchmessern mit Hohlfasern eines größeren Durchmessers zusammengefasst sein. Bei dieser Ausgestaltung ergibt sich eine stochastische, gleichmäßige Verteilung von Hohlfasern verschiedener Durchmesser und es ergibt sich eine hohe Porosität und ein geringer Druckverlust. In anderen Ausgestaltungen können die Bündel unterschiedliche Anzahlen von Hohlfasern enthalten. Dadurch ergeben sich Bündel verschiedener Größe und bei einer Anordnung der Bündel ergibt sich ebenfalls eine hohe Porosität und ein geringer Druckverlust.
Die in den Kammern angeordneten Hohlfasern können voneinander abweichende Packungsdichten aufweisen. Die Packungsdichte kann durch variieren der Dicke der Einrichtung angepasst werden. Durch die variable Packungsdichte kann der Druckverlust der Kammer an den lokalen Staudruck angepasst werden, so dass beispielsweise die Kammern in Bereichen hohen Staudruckes eine größere Packungsdichte als die Kammern in Bereichen geringeren Staudruckes aufweisen. Die Stoffübertragung der Hohlfasern kann damit über alle Kammern konstant gehalten werden.
Die in den Kammern angeordneten Hohlfasern können voneinander abweichende Durchmesser aufweisen. Durch den variablen Durchmesser ist der Druckverlust einer Kammer ebenfalls variabel, da mit sinkendem Durchmesser die Packungsdichte und damit der Druckverlust der Kammer ansteigt.
Die Erfindung betrifft auch einen Befeuchter, umfassend mindestens ein Gehäuse mit einer Gehäusewand und zumindest einer innerhalb des Gehäuses angeordneten Hohlfaseranordnung. Dabei ist die Packungsdichte der Hohlfaseranordnung variabel, so dass der Druckverlust an unterschiedliche Druckverhältnisse anpassbar ist.
Die Packungsdichte der Hohlfasern kann von der Gehäusewand in Richtung der Gehäusemitte zunehmen. Dadurch ist die Packungsdichte im Anströmbereich der Hohlfaseranordnung am geringsten und steigt in Richtung der Gehäusemitte an. Dadurch ergibt sich ein gleichmäßiger Verlauf des Druckverlustes und ein gleichmäßiger Stoffaustausch.
Das Gehäuse kann eine Zuströmöffnung aufweisen durch die der zweite Luftstrom den Hohlfasern zuführbar ist und die Hohlfasern können im Bereich des größten Staudrucks am geringsten beabstandet und im Bereich des kleinsten Staudrucks am größten voneinander beabstandet angeordnet sein. Dabei ist der Druckverlust im Bereich des größten Staudrucks am größten und im Bereich des kleinsten Staudruckes am kleinsten. Daraus ergibt sich eine gleichmäßige Durchströmung und dadurch ein gleichmäßiger Stoffaustausch über den Gehäusequerschnitt. Kurzbeschreibung der Zeichnung
Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Hohlfaseranordnung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine Hohlfaseranordnung mit einer Einrichtung bestehend aus einer
Lage;
Fig. 2 eine Hohlfaseranordnung mit einer Einrichtung bestehend aus einem spiralförmig die Hohlfaser umgebendem Band;
Fig. 3 eine Hohlfaseranordnung mit gekammerten Hohlfasern; Fig. 4 einen Befeuchter mit asymmetrischer Anströmung; Fig. 5 einen Befeuchter.
Ausführung der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Hohlfaseranordnung 1 , die insbesondere für einen Befeuchter 2 einer Brennstoffzelle geeignet ist. Die Hohlfaseranordnung 1 ist aus wasserdampfdurchlässigen Hohlfasern 3 gebildet, wobei ein erster Luftstrom 4 innerhalb der Hohlfasern 3 und ein zweiter Luftstrom 5 außerhalb der Hohlfasern 3 führbar ist. Die Hohlfasern 3 sind durch eine Einrichtung 6 voneinander beabstandet angeordnet. Die Einrichtung 6 ist in dieser Ausführung aus einer senkrecht zum zweiten Luftstrom 5 angeordneten flächigen Vliesstoff bahn gebildet. Die Vliesstoffbahn besteht aus Kunststoff- Fasern die derart miteinander verbunden sind, dass der Durchlasswiderstand gering ist. Die Einrichtung 6 kann in anderen Ausführungen auch aus einem offenzelligen Schaumstoff, insbesondere einem Polyurethan-Schaumstoff gebildet sein.
Figur 2 zeigt eine Hohlfaser 3 die von der Einrichtung 6 spiralförmig umgeben ist. Die Einrichtung 6 ist aus einem schmalen Streifen aus Vliesstoff gebildet. Figur 3 zeigt eine Hohlfaseranordnung 1 bei der die Einrichtung 6 derart angeordnet ist, dass die Hohlfasern 3 in Bündel 7 separiert sind. Dabei umgibt die Einrichtung 6 jeweils eine Anzahl von Hohlfasern 3, wobei die Einrichtung 6 in dieser Ausführung aus einem formstabilen Vliesstoff oder einem offenzelligen Schaumstoff gebildet ist. In anderen Ausführungen kann die Einrichtung auch andere poröse Materialien wie Lochbleche, Gitter, Kunststoff- Siebe gebildet sein. Die in den Bündeln 7 gekammerten Hohlfasern 3 weisen unterschiedliche Packungsdichten auf. Dies erfolgt durch Wahl unterschiedlicher Durchmesser der Hohlfasern 3 und durch zusätzliche Einrichtungen 6 beispielsweise spiralförmig die Hohlfasern 3 umgebende Vliesstoffbänder oder einer Kombination aus unterschiedlichen Durchmessern und zusätzlichen Einrichtungen 6.
Figur 4 zeigt einen Befeuchter 2 der aus einem Gehäuse 8 mit einer Gehäusewand 9 gebildet ist, wobei in dem eine Hohlfaseranordnung 1 gemäß Figur 1 angeordnet ist. Die Einrichtung 6 ist in dieser Ausführung aus einem spiralförmigen Band gebildet. Das Gehäuse 8 weist eine Zuströmöffnung 10 auf durch die der zweite Luftstrom 5 den Hohlfasern 3 zuführbar ist. Die Hohlfasern 3 sind dabei im Bereich des größten Staudrucks 11 am geringsten beabstandet und im Bereich des kleinsten Staudrucks 12 am größten voneinander beabstandet angeordnet.
Figur 5 zeigt einen Befeuchter 2 der aus einem Gehäuse 8 mit einer Gehäusewand 9 gebildet ist, wobei in dem eine Hohlfaseranordnung 1 gemäß Figur 1 angeordnet ist. Die Einrichtung 6 besteht in dieser Ausführung aus einem flächigen Gebilde. Die Hohlfasern 3 sind in dem Gehäuse derart angeordnet, dass die Packungsdichte der Hohlfasern 3 von der Gehäusewand 9 in Richtung der Gehäusemitte zunimmt.

Claims

Patentansprüche
1. Hohlfaseranordnung (1 ) für einen Befeuchter (2), umfassend wasserdampfdurchlässige Hohlfasern (3), wobei ein erster Luftstrom (4) innerhalb der Hohlfasern (3) und ein zweiter Luftstrom (5) außerhalb der
Hohlfasern (3) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlfasern (3) zumindest teilweise durch eine jeweils zwischen den Hohlfasern (3) angeordnete Einrichtung (6) voneinander beabstandet sind.
2. Hohlfaseranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) einen Vliesstoff umfasst.
3. Hohlfaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) einen offenzelligen Schaumstoff aufweist.
4. Hohlfaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) ein die Hohlfaser (3) spiralförmig umgebendes Material umfasst.
5. Hohlfaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) derart angeordnet ist, dass die Hohlfasern (3) in Bündel (7) separierbar sind.
6. Hohlfaseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kammern (7) angeordneten Hohlfasern (3) voneinander abweichende Packungsdichten aufweisen.
7. Hohlfaseranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kammern (7) angeordneten Hohlfasern (3) voneinander abweichende Durchmesser aufweisen.
8. Befeuchter (2), umfassend mindestens ein Gehäuse (8) mit einer Gehäusewand (9) und zumindest einer innerhalb des Gehäuses (8) angeordneten Hohlfaseranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche.
9. Befeuchter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichte der Hohlfasern (3) von der Gehäusewand (9) in Richtung der Gehäusemitte zunimmt.
10. Befeuchter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (8) eine Zuströmöffnung (10) aufweist durch die der zweite Luftstrom (5) den Hohlfasern (3) zuführbar ist und dass die Hohlfasern (3) im Bereich des größten Staudrucks (11 ) am geringsten beabstandet und im Bereich des kleinsten Staudrucks (12) am größten voneinander beabstandet angeordnet sind.
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