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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aerosolabscheider.
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Einrichtungen zur Abscheidung von Tropfen aus Aerosolen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden Aerosolabscheider zur Abscheidung von Kühlschmierstoffen in Werkzeugmaschinen eingesetzt.
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In der Automobilindustrie spielt die Abscheidung von Öl aus Aerosolen, welche in Kurbelgehäusen von Verbrennungsmotoren gebildet werden, eine bedeutende Rolle, da eine Rückführung von Aerosolen in den Ansaugtrakt des Motors zur Verschmutzung und Schädigung von Motorkomponenten führen kann.
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In Personenkraftwagen werden aufgrund eines beschränkten Bauraums zum Beispiel Zyklone eingesetzt. Diese sind jedoch insofern nachteilig, als ihre Abscheideeffizienz von einer optimalen Einstellung des Volumenstroms des Aerosols abhängt. Weicht der Volumenstrom von einem Optimum ab, so kann es zu einer verringerten Tropfenabscheidung und/oder zu einem erhöhten Druckverlust kommen. Es müssen für einen effizienten Betrieb eines Zyklons also aufwendige technische Maßnahmen zur Regelung des Drucks und des Volumenstroms getroffen werden, beispielsweise sind zur Kompensation von Abweichungen im Volumenstrom üblicherweise mehrere Zyklone und ein Steuerungssystem zu deren lastabhängiger Zu- oder Abschaltung vorgesehen. Darüber hinaus hat sich das Potential von Zyklonen für eine Miniaturisierung und Abscheidung von Tropfen im Submikronbereich als unzureichend erwiesen.
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Als Alternative zu Zyklonen werden in Personenkraftwagen Prallabscheider eingesetzt. Bekannte Prallabscheider weisen jedoch lediglich ein moderates Abscheidevermögen und eine ebenfalls unzureichende Effizienz bei der Abscheidung von Tropfen im Submikronbereich auf.
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In Nutzfahrzeugen können aufgrund der höheren Durchsätze und der zur Verfügung stehenden größeren Einbauräume aktive Abscheider, wie beispielsweise Tellerseparatoren oder Elektroabscheider, eingesetzt werden. Diese unterliegen aufgrund vorhandener beweglicher Komponenten jedoch einer höheren Ausfallwahrscheinlichkeit und erfordern höhere Investitionskosten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen wartungsfreundlichen Aerosolabscheider mit einer hohen Abscheideeffizienz bei gleichzeitig einfachem und kompaktem Aufbau bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Aerosolabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Aerosolabscheider weist eine in einem Gehäuse angeordnete Prallplatte auf, wobei im Bereich einer Prallseite der Prallplatte ein Schaumelement angeordnet ist. Dabei ist unter der Prallseite diejenige Seite der Prallplatte zu verstehen, auf welche ein Aerosolstrom zuerst auftrifft.
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Es handelt sich bei dem erfindungsgemäße Aerosolabscheider grundsätzlich also um eine Art von Prallplattenabscheider oder Impaktorabscheider, wobei der Erfindung allgemein der Gedanke zugrunde liegt, im Bereich der Prallseite der Prallplatte ein zusätzliches Abscheidemedium in Form eines Schaumelements vorzusehen, welches aufgrund einer großen spezifischen Oberfläche und eines geringen Druckverlustes bei Durchströmung in einer erhöhten Abscheideleistung resultiert. Das Schaumelement stellt darüber hinaus eine effiziente Drainage von abgeschiedener Flüssigkeit zur Verfügung, so dass die Gefahr eines unerwünschten Mitreißens bereits abgeschiedener Tropfen verringert ist. Zugleich ermöglicht das Prallplattenkonzept einen einfachen, wartungsfreundlichen und kompakten Aufbau des erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders, wodurch sich dieser insbesondere auch für einen Einsatz in einer Umgebung mit geringem Einbauraum eignet, wie beispielsweise in einem Personenkraftwagen.
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Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmen.
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Das Schaumelement ist bevorzugt direkt an einer prallseitigen Oberfläche der Prallplatte angeordnet. Besonders bevorzugt bedeckt das Schaumelement die gesamte Prallseite, was zu einer optimalen Abscheideeffizienz beiträgt.
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Das Schaumelement kann grundsätzlich ein beliebiges Schaummaterial umfassen, beispielsweise einen Kunststoffschaum.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Schaumelement jedoch einen Metallschaum auf. Beispielsweise kann das Schaumelement vollständig aus einem Metallschaum bestehen. Ein Metallschaum besitzt eine hohe mechanische und thermische Beständigkeit und stellt somit ein Abscheidemedium mit einer besonders hohen Lebensdauer dar. Des Weiteren können durch Anpassung der Oberflächeneigenschaften des Metallschaums an die abzuscheidende Flüssigkeit Koaleszenzprozesse unterstützt werden, welche zu einem Wachstum der abgeschiedenen Tropfen führen und deren Drainage erleichtern. Besonders bevorzugt weist der Metallschaum eine Oberfläche auf, welche durch die abzuscheidende Flüssigkeit benetzbar ist. Hierdurch werden die Abscheideleistung und das Tropfenwachstum weiter erhöht und die Gefahr eines unerwünschten Mitreißens bereits abgeschiedener Tropfen weiter reduziert. Die Verwendung eines Metallschaums erlaubt darüber hinaus eine einfache Reinigung des Abscheidemediums, z. B. durch thermische Regeneration, d. h. durch Verbrennen von Substanzresten, oder durch Auswaschen mit geeigneten Lösungsmitteln bis hin zu Sterilisation. Ein Metallschaum weist ferner eine hohe Beständigkeit gegenüber Korrosion unter dem Einfluss von Säuren und Basen auf und ist somit auch zur Abscheidung aus sauren oder basischen Kondensationsaerosolen geeignet.
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Der Metallschaum weist bevorzugt eine nickel- und/oder eine eisenbasierte Legierung auf und besteht insbesondere aus einer nickel- und oder eisenbasierten Legierung. Ein solcher Metallschaum ist korrosionsbeständig gegenüber Aerosolen, welche wenigstens eine Substanz ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phosphorsäure, Schwefelsäure und Natronlauge enthalten.
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Der Metallschaum ist bevorzugt offenporig ausgebildet. Die Verwendung eines offenporigen Metallschaums wirkt sich vorteilhaft auf die Durchströmbarkeit für das Aerosol, die Abscheideleistung und die Drainagewirkung für die abgeschiedene Flüssigkeit aus.
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Eine besonders hohe Abscheideeffizienz lässt sich durch die Verwendung eines offenporigen Metallschaums mit einem mittleren Porendurchmesser von wenigstens 400 μm erzielen. Dabei kann der mittlere Porendurchmesser des Schaums als Mittelwert der Porengrößen einzelner Poren definiert sein, wobei die Porengröße einer einzelnen Pore als Mittelwert aus einem in Porenlängsrichtung und einem in Porenquerrichtung gesehenen Durchmesser der einzelnen Pore berechnet werden kann.
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Das Schaumelement kann aus unterschiedlichen Schäumen gebildet sein. Auch kann das Schaumelement einen mehrlagigen Aufbau aufweisen. Beispielsweise können verschiedene Metallschäume miteinander kombiniert werden. Auch kann z. B. ein Metallschaum mit einem anderen Schaummaterial, beispielsweise mit einem Kunststoffschaum, kombiniert werden. Beispielsweise können Schäume mit unterschiedlichen Oberflächeneigenschaften, wie z. B. Schäume, welche sich in der Benetzbarkeit ihrer Oberfläche unterscheiden, verwendet werden, um die Abscheideleistung, das Tropfenwachstum und die Drainagewirkung aufeinander abzustimmen.
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Gemäß einer Ausführungsform sind innerhalb des Gehäuses des Aerosolabscheiders in Strömungsrichtung gesehen nacheinander eine Beschleunigungszone und eine Verzögerungszone vorgesehen, wobei die Prallplatte oder mehrere Prallplatten in der Verzögerungszone angeordnet ist bzw. sind.
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Die Beschleunigungszone weist bevorzugt Düsenelemente auf und ist insbesondere durch eine Düsenplatte gebildet. Die Düsenelemente erlauben eine Ausrichtung des Aerosolstroms auf die Prallplatte und somit auf das an einer Prallseite der Prallplatte angeordnete Schaumelement, wodurch die Abscheideeffizienz optimiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der Beschleunigungszone mehrere Prallplatten nachgeordnet, wobei das Schaumelement zumindest im Bereich der Prallseite der in Strömungsrichtung gesehen ersten Prallplatte vorgesehen ist. Weitere Schaumelemente können im Bereich der Prallseiten weiterer Prallplatten, z. B. im Bereich der Prallseiten aller Prallplatten, vorgesehen sein.
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Der Abstand zwischen jeweils benachbarten Prallplatten ist vorzugsweise größer als der Abstand zwischen der Beschleunigungszone und der in Strömungsrichtung gesehen ersten Prallplatte. Vorteilhafterweise nehmen die Abstände zwischen jeweils benachbarten Prallplatten mit zunehmender Entfernung von der Beschleunigungszone zu. Durch das Vorsehen mehrerer Prallplatten kann die Abscheideeffizienz des Aerosolabscheiders noch weiter gesteigert werden, noch dazu, wenn Schaumelemente im Bereich der Prallseiten mehrerer Prallplatten angeordnet sind.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform umfasst ebenfalls mehrere Prallplatten, welche der Beschleunigungszone nachgeordnet sind, wobei das Schaumelement zumindest im Bereich der Prallseite der in Strömungsrichtung gesehen ersten Prallplatte vorgesehen ist. Weitere Schaumelemente können im Bereich der Prallseiten weiterer Prallplatten, z. B. im Bereich der Prallseiten aller Prallplatten, vorgesehen sein. Bevorzugt sind benachbarte Prallplatten unter Bildung eines labyrinthartigen Strömungskanals abwechselnd mit sich gegenüberliegenden Gehäusewänden verbunden. Durch die Ausbildung eines labyrinthartigen Strömungskanals erfolgt eine mehrfache Umlenkung des Aerosolstroms innerhalb der Verzögerungszone, woraus eine noch höhere Abscheideeffizienz resultiert.
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Vorzugsweise nehmen die Abstände zwischen den Prallplatten und den zu den Prallplatten beabstandeten Gehäusewänden mit zunehmender Entfernung der Prallplatten von der Beschleunigungszone zu.
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Der Aerosolabscheider der vorliegenden Erfindung lässt sich in vorteilhafter Weise zur Abscheidung von Flüssigkeit, beispielsweise Öl, aus Aerosolen einsetzen. Beispielsweise lässt sich mit Hilfe des erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders Öl aus einem Aerosol abscheiden, welches in einem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs gebildet wird. Des Weiteren ist ein Einsatz des erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders in einem Kompressor für eine Druckluftanwendung möglich. Denkbar ist auch ein Einsatz in der chemischen Industrie, beispielsweise als Tröpfchenabscheider in Kolonnen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer möglichen Ausführungsform rein beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigt:
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1 eine schematische Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders.
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1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Aerosolabscheiders 10 zur Abscheidung von Ölnebel aus einem aus einem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors ausströmenden Gas. Der Aerosolabscheider 10 umfasst ein sich in einer Längsrichtung erstreckendes Gehäuse 12, dessen Innenraum einen im Wesentlichen rechteckigen, quadratischen, ovalen oder kreisförmigen Querschnitt aufweist.
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Ein Einlass 14 für das aus dem Kurbelgehäuse ausströmende ölnebelhaltige Gas ist an einer vorderen Stirnseite 16a des Gehäuses 12 vorgesehen, und ein Auslass 18 für gereinigtes Gas ist an einer der vorderen Stirnseite 16a gegenüber liegenden hinteren Stirnseite 16b des Gehäuses 12 vorgesehen. Das Gehäuse 12 wird in der Figur also von links nach rechts von dem Gas durchströmt.
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Der Innenraum des Gehäuses 12 ist durch eine Düsenplatte 20, welche parallel beabstandet zu den Stirnseiten 16a und 16b und senkrecht zur Längserstreckung des Gehäuses 12 angeordnet ist, in eine Einlasszone 22 und eine Verzögerungszone 24 unterteilt. In einem oberen Abschnitt der Düsenplatte 20 sind Düsen 26 zur Beschleunigung des in die Einlasszone 22 eingetretenen ölnebelhaltigen Gases vorgesehen. Die Düsenplatte 20 definiert also eine Beschleunigungszone.
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Parallel beabstandet zu der Düsenplatte 20 und senkrecht zu der Längserstreckung des Gehäuses 12 ist innerhalb der Verzögerungszone 24 eine erste Prallplatte 30a angeordnet, welche mit einer oberen Gehäusewand 32a verbunden ist und zu einer der oberen Gehäusewand 32a gegenüberliegenden unteren Gehäusewand 32b beabstandet ist. Eine der Düsenplatte 20 zugewandte Oberfläche definiert eine Prallseite 34a der ersten Prallplatte 30a. Die Düsen 26 der Düsenplatte 20 sind so ausgerichtet, dass sie das ölnebelhaltige Gas auf die Prallseite 34a der ersten Prallplatte 30a lenken.
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An der Prallseite 34a der ersten Prallplatte 30a ist ein Schaumelement 28 angeordnet, welches bei dieser Ausführungsform aus einem offenporigen Metallschaum gebildet ist.
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Der ersten Prallplatte 30a ist innerhalb der Verzögerungszone 24 zwischen der ersten Prallplatte 30a und der hinteren Stirnseite 16b eine zweite Prallplatte 30b parallel zur Düsenplatte 20 und senkrecht zur Längserstreckung des Gehäuses 12 nachgeordnet, welche mit der unteren Gehäusewand 32b verbunden und zu der oberen Gehäusewand 32a beabstandet ist. Dabei ist ein minimaler Abstand A zwischen der ersten Prallplatte 30a und der zweiten Prallplatte 30b größer als ein minimaler Abstand B zwischen der ersten Prallplatte 30a und der Düsenplatte 20. Des Weiteren ist ein minimaler Abstand C zwischen der ersten Prallplatte 30a und der unteren Gehäusewand 32b kleiner als ein minimaler Abstand D zwischen der zweiten Prallplatte 30b und der oberen Gehäusewand 32a. Die Abmessungen der Prallplatten 30a, 30b quer zur Längserstreckung des Gehäuses 12 gesehen sind so gewählt, dass sich die Prallplatten 30a, 30b in Längsrichtung gesehen in einem Überlappungsbereich 36 überlappen. Auf diese Weise bilden die Prallplatten 30a, 30b einen labyrinthartigen Strömungskanal innerhalb der Verzögerungszone 24, dessen Querschnittsfläche in Strömungsrichtung gesehen zunimmt.
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Ein Auslass 38 für abgeschiedenes Öl ist von der Düsenplatte 20 aus gesehen vor der zweiten Prallplatte 30b in der unteren Gehäusewand 32b vorgesehen. Wird der Aerosolabscheider 10 so verbaut, dass das Gehäuse 12 in Richtung des Auslasses 38 leicht abwärts geneigt ist, kann das an den Prallplatten 30a, 30b abgeschiedene und sich auf der unteren Gehäusewand 32b ansammelnde Öl in Richtung des Auslasses 38 fließen und durch diesen ablaufen.
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Bei der gezeigten Ausführungsform weist die zweite Prallplatte 30b kein Schaumelement 28 an ihrer Prallseite 34b auf. Es wäre im Prinzip aber möglich auch hier ein Schaumelement 28 vorzusehen.
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Darüber hinaus können zwischen der zweiten Prallplatte 30b und der hinteren Stirnseite 16b des Gehäuses 12 weitere Prallplatten vorgesehen und abwechselnd mit der oberen und unteren Gehäusewand 32a bzw. 32b verbunden sein, so dass sich der Strömungskanal weiter labyrinthartig fortsetzt. Dabei können die Abstände A zwischen jeweils benachbarten Prallplatten mit zunehmender Entfernung von der Düsenplatte 20 zunehmen. Ebenso können die Abstände C bzw. D zwischen den Prallplatten und den zu diesen beabstandeten Gehäusewänden 32b bzw. 32a mit zunehmender Entfernung der Prallplatten von der Düsenplatte 20 zunehmen. Ferner sind auch die weiteren Prallplatten bevorzugt so dimensioniert, dass sie mit jeweils benachbarten Prallplatten überlappen. Des Weiteren können prallseitig vor den mit der unteren Gehäusewand 32b verbundenen Prallplatten weitere Auslässe für abgeschiedenes Öl in der unteren Gehäusewand 32b vorgesehen sein. Auch die weiteren Prallplatten können prallseitig mit Schaumelementen versehen sein.
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Im Betrieb strömt ein zu behandelndes Aerosol, in diesem Fall ein aus einem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors ausströmendes ölnebelhaltiges Gas, durch die Einlassöffnung 14 in das Gehäuse 12 des Aerosolabscheiders 10 ein. Das Aerosol wird durch die Düsen 26 der Düsenplatte 20 beschleunigt und trifft auf das an der Prallseite 34a der ersten Prallplatte 30a angeordnete Schaumelement 28, an bzw. in welchem Öltröpfchen aus dem Aerosol abgeschieden werden. Der durch das Schaumelement 28 abgebremste und umgelenkte Aerosolstrom erfährt anschließend durch die untere Gehäusewand 32b und die zweite Prallplatte 30b weitere Abbremsungen und Umlenkungen, wodurch eine weitere Abscheidung von Öltröpfchen erfolgt, bevor gereinigtes Gas das Gehäuse 12 durch die Auslassöffnung 18 verlässt.
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Aufgrund von Koaleszenzprozessen vor allem an bzw. in dem Schaumelement 28 unterliegen abgeschiedene Öltröpfchen einem Tropfenwachstum. Die gebildeten Tropfen werden durch die Poren des Metallschaums abgeleitet und tropfen auf die untere Gehäusewand 32b. Entsprechend können an der zweiten Prallplatte 30b abgeschiedene Tropfen zur unteren Gehäusewand 32b abfließen. Das sich an der unteren Gehäusewand 32b ansammelnde Öl fließt aufgrund der Abwärtsneigung des Aerosolabscheiders 10 im eingebauten Zustand in Richtung des Auslasses 38 und wird durch diesen entnommen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Aerosolabscheider
- 12
- Gehäuse
- 14
- Einlass
- 16a, 16b
- Stirnseite
- 18
- Auslass für Aerosol
- 20
- Düsenplatte
- 22
- Einlasszone
- 24
- Verzögerungszone
- 26
- Düse
- 28
- Schaumelement
- 30a, 30b
- Prallplatte
- 32a, 32b
- Gehäusewand
- 34a, 34b
- Prallseite
- 36
- Überlappungsbereich
- 38
- Auslass für abgeschiedene Flüssigkeit
- A, B, C, D
- Abstand
