-
In einem Fahrzeug wie einem Lkw,
Bus oder Arbeitsfahrzeug wird die Luft für das Bremssystem und/oder
die Radfederung des Fahrzeugs komprimiert. Hierzu dient ein Verdichter,
der oft mit Öl
der gleichen Art wie das für
den Motor geschmiert wird, der das Fahrzeug antreibt. Der Verdichter
wird von diesem Motor angetrieben und liefert bedarfweise Druckluft
an einen oder mehrere Drucktanks (Windkessel) im Fahrzeug. Aus diesen
Behälter
wird Druckluft bei Bedarf an bspw. das Bremssystem ausgegeben.
-
Auf diese Weise hergestellte Druckluft
enthält
suspendierte Öl-
und Wasserteilchen sowie eine Vielzahl von Feststoffteilchen auch
von Kohlenwasserstoffverbindungen (KW-Verbindungen). Die Teilchen
bilden sich in Folge der verhältnismäßig hohen Temperaturen
im Verdichter. Um das Bremssystem und die Federung des Fahrzeugs
benutzbar zu halten, müssen
die Teilchen sowie Wasserdampf aus der Druckluft entfernt werden.
-
Traditionell wird an Bord eines Fahrzeugs hergestellte
Druckluft gereinigt, indem man sie durch ein Filter schickt. Im
Filter werden die festen und flüssigen
Teilchen abgefangen; Wasserdampf wird in einem Teil des Filters
abgetrennt, der ein Bett eines speziell hierfür gedachten Materials aufweist. Üblicherweise wird
die Druckluft auch vor dem Reinigen gekühlt, so dass bestimmte dampfförmige Substanzen
kondensieren. In bestimmten Fällen
wird die gekühlte
Druckluft auch durch einen so genannten Vortrenner – bspw.
einen Zyklon – geschickt,
der sie von den größten suspendierten
Teilchen befreien soll. Zum Aufbereiten des Filters wird letzeres
intermittierend mit einem Teil der Druck-luft, die bereits durch ihn geströmt ist,
rückgespült, wobei
vom Filter absorbiertes Filtrat und Feuchtigkeit aus dem Filter
entfernt und aus der Druckluftanlage des Fahrzeugs entfernt werden.
-
Trotz wiederholter Aufbereitung des
Filtermaterials muss es nach einer bestimmten Arbeitsdauer ausgewechselt
werden, da es von Öl-
und Feststoffteilchen zugesetzt wird, die sich durch das Rückspülen mit
gereinigter Druckluft nicht vollständig beseitigen lassen. Da
das Filtermaterial verhältnismäßig teuer
ist, möchte
man es so selten wie möglich austauschen.
Außerdem
liegt der Wunsch zur Vermeidung zusätzlicher Kosten für den Austausch
des Filterbetts auf der Hand.
-
Ziel der vorliegenden Erfindung ist
es, die Nutzungsdauer eines solchen Filtermaterials zu verlängern, das
primär
zum Trocknen von Druckluft für die
Nutzung in einem Fahrzeug gedacht ist.
-
Erfindungsgemäß erreicht man dieses Ziel, indem
man die Druckluft vor der Zufuhr zu einem Trockenfilter von in ihr
suspendierten Teilchen befreit, indem man sie in einer Trennkammer
mittels eines drehenden Elements in Drehung versetzt. Mit dem drehenden
Element lässt
sich der Druckluft auf einfache Weise eine so kräftige Drehung erteilen, dass
ihr die suspendierten Teilchen im wesentlichen vollständig entzogen
werden. Da im wesentlichen alle festen KW-sowie Ölteilchen sich so von der Luft
trennen lassen, bevor man sie durch das Trockenfilter schickt, lässt die
Dauer bis zum Zusetzen des Trockenfilters sich erheblich verlängern.
-
Durch Verwendung eines drehenden
Elements für
das Drehen der Druckluft kann deren Reinigung auch bei verhältnismäßig niedrigen
Strömungsgeschwindigkeiten
wirksam erfolgen, während sie
vom Verdichter zum Windkessel des Fahrzeugs strömt. Beim Reinigen von Druckluft
in einem Zyklon wird der Reinigungseffekt bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit
der Druckluft stark abgeschwächt – bspw.
am Ende jedes Intervalls, in dem der Verdichter dem Hochdruckbehälter des
Fahrzeugs neue Druckluft zuführt,
da der Druck in diesen Behältern während jedes
dieser Intervalle sukzessive zunimmt. Insbesondere bei bestimmten
Fahrzeugarten – wie bspw.
Busse im städtischen
Nahverkehr – mit
hohem Druckluftverbrauch kann diese Abschwächung des Reinigungseffekts
bedeutsam sein, da die Intervalle, in denen der Verdichter neue
Druckluft liefert, sich häufig
wiederholen – bspw.
in Abständen
von 30 Sekunden.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
lässt das
drehende Element sich in einem von einem stationären Behälter umschlossenen Raum vorsehen, wobei
die zu reinigende Druckluft durch einen engen bzw. schmalen Zwischenraum
zwischen dem drehenden Element und einer dieses umgebenden ortsfesten
Wandung geführt
und dort gedreht wird. Die wirksamste Trennung erhält man jedoch
erfindungsgemäß, wenn
man die zu reinigende Druckluft durch mindestens eine, innerhalb
des drehenden Elements ausgebildete Kammer führt, die in einem solchen Fall die
Trennkammer darstellt. Dadurch werden die suspendierten Teilchen
von der Druckluft in der Trennkammer im drehenden Element getrennt,
wonach sie durch Öffnungen
in der Wand des umlaufenden Elements an einen umgebenden Raum ausgegeben werden
können,
der ortsfeste Umfangswände
aufweist. Die abgetrennten Teilchen, die mindestens teilweise Flüssigkeitströpfchen sind
und nach der Trennung von der Druckluft zu einer Flüssigkeit
oder einer flüssigen
Suspension zusammenwachsen können, werden
aus dem umgebenden Raum durch einen Teilchenauslass mittels Überdrucks
ausgetragen, der für
die Luft im Raum aufrecht erhalten wird. Hierzu lässt sich
im Teilchenauslass bspw. ein intermittierend zu öffnendes Ventil oder eine kontinuierlich
oder diskontinuierlich arbeitende Absperreinrichtung verwenden.
-
Die von Teilchen befreite Druckluft
lässt sich aus
dem drehenden Element – vorzugsweise
axial – direkt
in ein Aufnahmegefäß oder eine
Rohrleitung oder auch in den das drehende Element umgebenden Raum
und von dort weiter in eine Rohrleitung oder ein anderes aufnehmendes
Gefäß austragen.
-
Das drehende Element kann durch beliebige geeignete
Hilfsmittel in Drehung versetzt und gehalten werden. Vorzugsweise
verwendet man hierzu einen Elektromotor. Möglicherweise lässt sich
zu diesem Zweck auch eine Gas- oder Flüssigkeitsturbine (Reaktions-
oder Impulsturbine) anordnen. Wie bereits festgestellt, verwendet
man eine Antriebsguelle, deren Antriebskraft unabhängig ist
von der Geschwindigkeit, mit der die zu reinigende Druckluft zwischen
dem Verdichter und einem aufnehmenden Hochdruckbehälter im
Fahrzeug strömt.
Bei Verwendung einer Gasturbine sollte deren Antriebsluft eine andere
Druckluft sein als die, die dem drehenden Element zur Reinigung
zugeführt
werden soll.
-
Wenn es die Umstände erlauben, braucht das drehende
Element während
des Fahrzeugbetriebs nicht durchgehend in Drehung gehalten zu werden.
Es kann ausreichen, wenn die Drehung in denjenigen Intervallen erfolgt,
in denen der Verdichter dem Hochdruckbehälter des Fahrzeugs Druckluft zuführt. Insbesondere
lässt,
wenn das Drehen mittels eines Elektromotors erfolgt, dieser sich
bei Bedarf schnell einschalten. Hält man den Verdichter durchgehend
in Betrieb und öffnet
man ein Absperrventil, wenn einem Hochdruckbehälter im Fahrzeug neue Druckluft
zugeliefert werden soll, kann man das drehende Element zur gleichen
Zeit in Drehung versetzen, wie ein solches Sperrventil geöffnet wird.
Arbeitet der Verdichter nicht durch, wenn er nicht ständig benötigt wird,
kann man das drehende Element zur gleichen Zeit in Drehung versetzen,
wie der Verdichter wieder eingeschaltet wird.
-
Wie bereits erwähnt, kann das drehende Element
auf vielfältige
Weise konstruiert sein. Vorzugsweise weist es einen Stapel konischer
Trennteller auf, die zwischen sich Durchlässe für den Durchgang zu reinigender
Druckluft bilden. Die Druckluft lässt sich zur Drehachse des
drehenden Elements hin oder von ihr weg führen. Wenn gewünscht, kann
das drehende Element an sich eine Wand aufweisen, die den Trenntellerstapel
vollständig
umgibt; zweckmäßigerweise
stehen die Durchlässe
jedoch in direkter Strömungsverbindung
mit einem Raum, in dem das drehende Element umläuft und den ortsfeste Wände umschließen. In
diesem Fall werden in den Zwischenräumen der Trennteller von der
Druckluft abgetrennte Teilchen direkt in diesen Raum ausgeworfen, aus
dem man sie auf geeignete Weise entfernen kann, ohne dass der Luftdruck
in diesem Raum gesenkt werden muss.
-
Anstelle konischer Trennteller kann
das drehende Element Trennteller aufweisen, die um die Drehachse
verteilt sind und sich sowohl axial als auch von der Drehachse hinweg
erstrecken. Die Erstreckung der Trennteller von der Drehachse kann entweder
radial oder bspw. gekrümmt
sein. In diesem Fall bilden die Trennteller Kanäle, die durch das drehende
Element verlaufen und durch die die Druckluft transportiert wird,
wenn sie um die Achse in Drehung versetzt wird. Nebeneinander liegende
oder gekrümmte
Trennteller dieser Art werden zweckmäßigerweise so nahe beieinander
und unter einem solchen Winkel zueinander angelegt, dass die axialen Kanäle zwischen
ihnen sehr eng bzw. schmal werden. M.a.W.: Ein Teilchen, das von
der Zentrifugalkraft in einem solchen Kanal radial auswärts bewegt wird,
sollte bereits nach einer sehr kurzen radialen Wegstrecke auf einen
der Trennteller aufschlagen.
-
Die Erfindung betrifft auch eine
Vorrichtung zum Einsatz beim Durchführen des oben beschriebenen
Verfahrens zur Luftbehandlung in einem Fahrzeug. Diese in den beigefügten Ansprüchen definierte
Vorrichtung ist sehr gedrängt
aufgebaut und kostengünstig
herstellbar. Folglich weist sie ein ortsfestes Gehäuse, einen
Zentrifugenrotor, der im Gehäuse
drehbar ist, und einen Elektromotor auf, der den Zentrifugenrotor
um eine Achse in Drehung versetzen kann. Der Zentrifugenrotor ist
im Gehäuse
in Lagern drehbar gelagert, die an nur zwei axial beabstandeten
Lagerpunkten angeordnet sind, und er begrenzt eine Vielzahl Durchlässe für zu reinigende Druckhift.
Der Elektromotor hat einen Stator, der mit dem Gehäuse verbunden
ist, und einen Rotor, der Teil des Zentrifugenrotors und nur in
den beiden Lager bezüglich
des Stators drehbar gelagert ist. Der Motor ist daher kein Standardmotor
mit eigenen Lagern; vielmehr nutzt er die Lager mit, die der Zentrifugenrotor
für die
eigene Drehung braucht. In Folge der Integration des Zentrifugenrotors
mit dem Elektromotor wird die gesamte Reinigungsvorrichtung sehr kompakt.
-
Die Erfindung wird nun anhand der
beigefügten
Zeichnung beschrieben, in der die 1 eine Fahrzeug-Druckluftanlage
und die 2 schaubildlich
eine Einrichtung in dieser Anlage zeigen, mit der sich Druckluft
von Schwebeteilchen in ihr – bspw.
festen KW-sowie Öl-
und Wasserteilchen – befreien lässt.
-
Die 1 zeigt
schaubildlich ein Fahrzeug 1 mit einer Verbrennungskraftmaschine 2 zum
Antrieb des Fahrzeugs. Über
ein Getriebe 3 treibt die Maschine 1 einen Luftverdichter 4 an.
Luft tritt mit Atmosphärendruck
durch eine erste Leitung 5 in den Verdichter 4 ein;
die Druckluft verlässt
ihn durch eine zweite Leitung 6.
-
Beim Durchströmen des Verdichters 4 wird die
Luft mit Ölteilchen
aus dessen Schmiersystem (nicht gezeigt) angereichert. Gleichzeitig
kondensiert Wasserdampf, der der Luft in den Verdichter folgt, zu Wassertröpfchen,
die wie die Ölteilchen
in der Druckluft suspendiert bleiben. Schließlich werden einige Öltröpfchen in
Folge einer verhältnismäßig hohen Temperatur
im Verdichter zu festen KW-Teilchen verwandelt, die ebenfalls der
Druckluft aus dem Verdichter hinaus folgen.
-
Die Druckluft wird durch einen Kühler 7 geführt, indem
ein Hauptanteil des Öl
in die Luft verdampft und ein Teil des Wasserdampfs zu flüssigen Tröpfchen kondensiert,
die der Druckluft weiter aus dem Kühler hinaus folgen.
-
Die gekühlte Druckluft und die in ihr
schwebenden Luft- und Wassertröpfchen
sowie übriger Wasserdampf
werden in der Leitung 6 weiter in eine Trennzentrifuge
geleitet, die einen Rotor aufweist, mit dem sich der Luft eine kräftige Drehung
erteilen lässt (die
Trennzentrifuge ist unten anhand der 2 ausführlicher
beschrieben). In der Trennzentrifuge 6 wird die Druckluft
von festen und flüssigen
Teilchen befreit, die in Form einer flüssigen Suspension/Emulsion
die Trennzentrifuge in deren Unterteil durch eine Leitung 9 verlassen.
Ein Absperrventil 10 in der Leitung 9 wird intervallweise
geöffnet
und geöffnet
gehalten, um die Suspension/Emulsion aus dem druckbeaufschlagten
Innenraum der Trennzentrifuge abzulassen. Die Suspension/Emulsion
fließt
weiter in einen Sammelbehälter 11.
-
Von Teilchen befreite Druckluft verlässt die Trennzentrifuge 6 in
der Leitung 12, die in eine Trockeneinrichtung 13 herkömmlicher
Art mündet.
Die Trockeneinrichtung 13 enthält ein Bett aus Teilchen (Granulat),
die speziell für
die Adsorption von verdampften Wasser und möglicherweise verbleibenden Spuren
von verdampftem Öl
hergerichtet sind. Von dem Wasser und möglicherweise auch Öl befreit
wird die Druckluft dann zu einer Leitung 14 weitergeführt.
-
Ein kleiner Teil der von Teilchen
befreiten Luft wird in einen so genannten Reinigungsluftbehälter 15 geführt und
dort unter Überdruck
vorgehalten. Während
kurzer Unterbrechungen der Drucklufterzeugung des Verdichter 4 wird
im Behälter 15 vorgehaltene
Luft durch die Trockeneinrichtung 13 zurück geführt und
aus dieser durch eine Leitung 16 mit einem Absperrventil 17 ausgetragen.
Die Luft-Rückströmung aus
dem Behälter 15 wird
durch kurzzeitiges Öffnen
des Ventils 17 erreicht. Ein derartiger Rückströmprozess
ist bei Druckluftsystemen der genannten Art bekannt und daher im
gegebenen Zusammenhang nicht ausführlicher beschrieben.
-
Die von Teilchen und Wasserdampf
befreite Druckluft wird zu einer Ventileinheit 18 weitergeleitet, aus
der sie nach Bedarf auf verschiedene Leitungen zu verschiedenen
Windkesseln 19, 20, 21 verteilt wird.
Aus diesen Behältern
geht die Luft dann weiter an verschiedene Fahrzeugbereiche zur bestimmungsgemäßen Verwendung.
Wie in 1 gezeigt, sind
zwei der Behälter
(19, 21) für
Druckluft gedacht, die für
die Bremsanlage des Fahrzeugs benötigt wird. Zwei Radbremsen 22, 23 sind
schaubildlich dargestellt.
-
Erwünschtenfalls kann Suspension/Emulsion
aus der Trennzentrifuge 6 einer speziellen Flüssigkeit-Abtrenneinrichtung
(nicht offenbart) zugeführt werden,
die das Öl
von dem Wasser und möglichen Feststoffteilchen
abtrennt. Ist das Öl
von der gleichen Art wie das Schmieröl der Verbrennungskraftmaschine 2,
kann es deren Schmiersystem stetig oder chargenweise zugeführt werden,
während
das Wasser und die Teilchen im Behälter 11 gesammelt
werden. Die eigentliche Ölabtrennung
erfolgt dann intermittierend oder kontintüerlich während des Verdichterbetriebs.
Für die Ölabtrennung
lässt sich
ein so genannter statischer Lamellen-Separator, der bspw. im Behälter 11 angeordnet
ist, oder eine kleine Trennzentrifuge beliebiger Art einsetzen.
-
Die oben zum Befreien der Druckluft
von Teilchen genannte Trennzentrifuge 8 ist als schaubildlicher
Längsschnitt
in 2 gezeigt.
-
Die Trennzentrifuge 8 weist
ein ortsfestes (nicht drehbares) Gehäuse 24 auf. Die oben
erwähnte
Leitung 6, durch die gekühlte Druckluft aus der Kühleinrichtung 7 (1) herangeführt wird,
ist an den Oberteil des Gehäuse 24 angeschlossen,
die oben erwähnten
Auslassleitungen 9, 12 für abgetrennte Teilchen bzw.
saubere Luft an dessen unteren Teil.
-
Das Gehäuse 24 umschließt in seinem
Oberteil eine Zulaufkammer 25 und in seinem Unterteil eine
Trennkammer 26. Die Kammern 25, 26 sind durch
eine Zwischenwand 27 getrennt, stehen aber miteinander über eine
Vielzahl von Öffnungen 28 in der
Zwischenwand 27 in Verbindung. Ein Zentrifugenrotor 29 ist
in der Trennkammer 26 um eine vertikale Drehachse R drehbar.
Der Zentrifugenrotor hat eine zentrale Stützwelle, die in zwei Lagern 31,
bzw. 32 am oberen und unteren Ende läuft. Das obere Lager 31 wird
von einer Abdeckung 33 getragen, die Teil der Zwischenwand 27 ist
und die Öffnungen 28 enthält. Das
untere Lager 32 wird von einer unteren Endwand 34 des
Gehäuses 24 getragen.
Beide Lager 31, 32 sind auf diese Weise innerhalb
des Gehäuses 24 angeordnet,
in dem bei arbeitender Trennzentrifuge ein überatmosphärischer Druck herrscht.
-
Die Stützwelle 33 trägt in der
Trennkammer 26 einen Stapel konischer Trennteller 35,
die koaxial mit der Drehachse R angeordnet sind und zwischen sich
enge Durchlässe 26 für den Durchfluss
von von Teilchen zu reinigender Druckluft belassen. Abstandhalter
(nicht gezeigt) zwischen den Trenntellern halten diese auf einem
gegenseitigen Abstand von bspw. 1 mm. Der oberste und der unterste
Trennteller 37 bzw. 38 sind etwas dicker als die übrigen Trennteller
und halten den Trenntellerstapel zusammen – bspw. mittels axialer Stäbe (nicht
gezeigt), die durch Löcher
in allen Tellern verlaufen.
-
Alle Trennteller – außer dem untersten 38 – enthalten
eine Vielzahl von um die zentrale Stützwelle 30 herum verteilten
Durchgangslöchern.
Diese Löcher
und die Zwischenräume
zwischen den Mittelbereichen der konischen Trennteller bilden im
Rotor einen zentralen Raum 39. Der Raum 39 steht
einerseits durch die Öffnungen
in der Zwischenwand 27, 33 des Gehäuses mit
der Zulaufkammer 25 im Oberteil des Gehäuses und andererseits mit den
radial inneren Bereichen aller Durchlässe 36 zwischen den Trenntellern
in Strömungsverbindung.
Die radial äußeren Bereiche
der Durchlässe 36 stehen
in Strömungsverbindung
mit einem Raum, der den Zentrifugenrotor 29 im Gehäuse 24 umgibt
und seinerseits in Strömungsverbindung
mit der Auslassleitung 9 für abgetrennte Teilchen sowie
mit der Auslassleitung 12 für saubere Druckluft steht.
-
Die Abdeckung 33, die Teil
der Zwischenwand 27 ist, hat einen im wesentlichen zylindrischen Teil 40 und
mit diesem verbunden einen umlaufenden ebenen Teil 41.
Der zylindrische Teil 40 der Abdeckung umgibt einen oberen
Teil der zentralen Stützwelle 30 des
Zentrifugenrotors und trägt
auf seiner Innenseite einen Stator 42 eines Elektromotors. Ein
dem gleichen Motor zugeordneter Rotor 43 sitzt auf dem
oberen Teil der zentralen Stützwelle 30 radial
innerhalb des Stators 42. Eine elektrische Zu1eitung 44 verläuft von
außen
durch die Außenwand
des Gehäuses 24 und
die Abdeckung 33 in den Stator 42 des Motors.
-
Wie beschrieben, sind nicht nur der
Zentrifugenrotor 29 und seine Lager 31, 32,
sondern auch der Elektromotor 42, 43 im Gehäuses 24 angeordnet, in
dem bei arbeitender Trennzentrifuge 8 ein überatmosphärischer
Druck herrscht. Daher kann entlang des Antriebs und der Stützwelle 30 des
Zentrifugenrotors keine Druckluft entweichen.
-
Ein Zentrifugenrotor der beschriebenen
Art lässt
sich im wesentlichen aus Kunststoff herstellen und wird daher sehr
leicht. Ein Elektromotor der beschriebenen und mit dem Zentrifugenrotor
zusammengefassten Art braucht daher nicht besonders schwer zu sein,
um dem Rotor rasch die erforderliche Drehung zu erteilen. Der Elektromotor
kann im Prinzip einer beliebigen Art angehören und bspw. ein GS- oder
ein WS-Motor (Synchron- oder Asynchronmotor) sein. Vorzugsweise
verwendet man einen Synchronmotor mit permanentmagnetischem Rotor.
-
Die in 2 gezeigte
Trennzentrifuge arbeitet wie folgt.
-
Sobald der Zentrifugenrotor 29 um
seine Drehachse R dreht, wird zu reinigende Druckluft über die
Leitung 6 in die Aufnahmekammer 25 eingespeist und
durch die Öffnungen 28 weiter
in die Trennkammer 26 geleitet. Sie wird direkt in die
zentrale Kammer 39 des Zentrifugenrotor und von dort in
die verschiedenen Durchlässe 36 zwischen
den konischen Trenntellern 35 geführt.
-
Die zuströmende Druckluft wird vom Zentrifugenrotor
in Drehung versetzt und durch diesen hindurch von der zentralen
Kammer 39 durch die Durchlässe 36 in den den
Zentrifugenrotor 29 umgebenden Teil der Trennkammer 26 gepumpt.
In den Durchlässen
werden in der Luft suspendierte Öl-,
Wasser- und Feststoffteilchen
zentrifugal von der Luft getrennt, indem sie auf die Innenseiten
der konischen Trennteller 35 geschleudert und dort abgelagert
werden. Sie bewegen sich auf den Innenseiten der Trennteller in Folge
der Zentrifugalkräfte
radial weiter auswärts,
bis sie die Außenkanten
der Trennteller erreichen, von wo sie zur Umfangswand des Gehäuses 24 geschleudert
und dort abgelagert werden. Von dort fließen sie in Form einer flüssigen Suspension
abwärts und
durch die Auslassleitung 9.
-
Damit keine gereinigte Druckluft
im Bereich um den Zentrifugenrotor 29 radial einwärts in den Raum
zwischen dem obersten konischen Trennteller 37 und der
Zwischenwand 27 des Gehäuses 24 zurück fließt und sich
dort wieder mit nicht gereinigter Druckluft mischt, sollte der genannte
Raum möglichst klein
sein. Evetuell kann in einem beliebigen Teil dieses Raums ein Abdichtungselement
vorgesehen sein, das jedoch nicht nötig ist, da eine bestimmte schwache
Druckluftströmung
durch diesen Raum keine wesentlichen Folgen hat.
-
Gereinigte Druckluft wird durch die
Auslassleitung 12 aus der Trennkammer 26 ausgetragen.