DE3703358A1 - Vorrichtung zum abscheiden von feuchtigkeit aus einem luftstrom - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wasserabscheider.

Der kalte Luftstrom, der von dem Kondensationswärmetauscher einer Luftzyklusklimaanlage eines Flugzeuges abgegeben wird, führt Feuchtigkeitströpfchen mit sich, die im allgemeinen durch einen Wasserabscheider entfernt werden. Wenn die Feuch­ tigkeit nicht aus dem Luftstrom entfernt wird, können diese Tröpfchen, wenn sie in die Kabine des Flugzeuges gelangen, eine nebelige oder dunstige Atmosphäre erzeugen oder gelegent­ lich zu Eis gefrieren. Weiter können Wärmetauscher, Turbinen und Kanäle der Klimaanlage durch Eisansatz verstopft werden, wodurch der Anlagenwirkungsgrad reduziert wird und Anlagen­ teile erodiert werden.

Das abzuscheidende Wasser konzentriert sich üblicherweise auf den Kanalwänden stromaufwärts des Wasserabscheiders aufgrund einer Art von Zentrifugalabscheidung, die durch den gewunde­ nen Weg, welchem die Kanäle folgen, bewirkt wird. Derjenige Teil des Luftstroms, der den Kanalwänden am nächsten ist, weist deshalb die höchste Wasserkonzentration auf. Bekannte Abscheider haben sich hinsichtlich des Abscheidens dieser stark feuchtigkeitshaltigen Luft aus dem Hauptstrom der Luftströ­ mung als etwas unwirksam erwiesen.

Bei einer bekannten Anlage wird ein ringartiger Behälter um einen Ringspalt in einem Luftkanal benutzt, um das Wasser zu sammeln, das sich auf den Kanalwänden bewegt. Da es keinen Auslaß in dem Behälter gibt, füllt feuchtigkeitshaltige Luft den Behälter und erzeugt darin ein Gebiet höheren Druckes, wo­ durch das auf den Kanalwänden gebildete Wasser gezwungen wird, den Spalt über der Luft höheren Druckes zu überqueren. Eine solche Anlage kann zwar das meiste Wasser aus einem sich re­ lativ langsam bewegenden Luftstrom (13,7 m/s) entfernen, sie dürfte jedoch nicht in der Lage sein, einen Luftstrom höherer Geschwindigkeit (18,3 bis 30,5 m/s), wie er für moderne Luft­ zykluskälteanlagen typisch ist, ausreichend zu trocknen. Bei diesen höheren Luftströmungsgeschwindigkeiten kann eine serielle Anordnung von mehreren Spalten und Behältern notwendig sein, um den Luftstrom wirksam zu trocknen, was die Anlage aufwendig macht.

Eine in der US-PS 38 34 126 beschriebene Anlage stellt eine Verbesserung gegenüber der vorgenannten bekannten Anlage dar. Ebenso wie die vorgenannte Anlage hat die Anlage gemäß dieser US-Patentschrift einen Ringspalt, der in einem Luftkanal vor­ gesehen und von einem Behälter umgeben ist, um das Wasser zu sammeln, das sich auf den Kanalwänden bewegt. Bei der aus der US-Patentschrift bekannten Anlage werden jedoch auch Lüftungs­ rohre zwischen dem Kanal und dem Behälter stromaufwärts des Spalts benutzt, um den Luftdruck in dem Behälter zu senken und dadurch den Luftstrom und das Wasser zu veranlassen, sich hindurchzubewegen. In manchen Fällen kann es jedoch sein, daß die Luftströmung durch den Behälter nicht ausreicht, um das Wasser am Überqueren des Spalts zu hindern. Tatsächlich gibt diese US-Patentschrift an, daß Wassertröpfchen über den Spalt transportiert werden können, was die Gefahr mit sich bringt, daß übermäßig viel unerwünschtes Wasser in dem Luftstrom bleibt.

Demgemäß ist ein Hochleistungswasserabscheider mit größerem Wirkungsgrad zum Entfernen von Wasser aus einem Hochgeschwin­ digkeitsluftstrom, der aus einer Luftzykluskälteanlagenturbine stammt, erwünscht.

Gemäß der Erfindung wird in einem verbesserten Wasserabschei­ der ein Wasserablauf benutzt, um aus einem Luftstrom dessen feuchtigkeitshaltigen Teil abzuscheiden; ein Diffusor, der den Druck senkt und den abgeschiedenen Teil verlangsamt, da­ mit die Feuchtigkeit aus ihm auf natürliche Weise ausgefällt wird; und ein Ejektor stromabwärts des Wasserablaufs und des Diffusors, über den die getrocknete Luft in den Luftstrom zurückgeleitet wird. In der bevorzugten Ausführungsform ist der Wasserablauf in einem radial äußeren Teil eines Kanals angeordnet, der den Luftstrom empfängt, so daß die Strömung relativ trockener Luft in der Mitte des Kanals insgesamt un­ beeinflußt bleibt. Zur Vereinfachung des Aufbaus kann der Wasserablauf ein integraler Bestandteil des Einlasses des Diffusors sein, und der Ejektor kann einstückig mit dem Dif­ fusorauslaß ausgebildet sein.

Der verbesserte Wasserabscheider hat folgende Vorteile: feuchtigkeitshaltige Luft kann den Spalt nicht überqueren, wenn sie aus dem Hauptstrom entfernt wird. Es geht kein Luft­ druck in der Kälteanlage verloren, weil die getrocknete Luft in dem Diffusor über den Ejektor stromabwärts des Wasserab­ laufs zurück in den Hauptluftstrom gesaugt wird. Wasser wird auf äußerst wirksame Weise abgeschieden. Der Abscheider ist durch bauliche Einfachheit und ein Minimum an Bauteilen ge­ kennzeichnet.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Ausführungs­ form des Wasserabscheiders nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1, und

Fig. 3 eine schematische Längsschnittan­ sicht einer weiteren Ausführungs­ form des Wasserabscheiders nach der Erfindung.

Die Zeichnungen zeigen einen Wasserabscheider 1 nach der Er­ findung, der einen ersten Kanal 2 hat, welcher an einem Einlaß­ abschnitt 4 und an einem Auslaßabschnitt 6 mit einem Luft­ kanal 7 in Verbindung steht, in der der Wasserabscheider an­ geordnet ist. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, daß der Luftkanal 7 die Auslaßleitung des Kondensationswärmetauschers einer Luftzyklusklimaanlage ist und einen Strom von gekühlter, feuchtigkeitshaltiger Luft mit Geschwindigkeiten von 18,3 bis 30,5 m/s führt. Der Durchmesser des Einlaßabschnitts 4 des Kanals 2 kann typisch von 2,5 bis 12,7 cm reichen, wobei 3,2 bis 6,4 cm ziemlich repräsentativ sind. Ebenso wie der Einlaß­ abschnitt 4 kann der Auslaßabschnitt 6 des Kanals 2 im Durch­ messer von 2,5 bis 12,7 cm reichen, wobei ebenfalls 3,2 bis 6,4 cm ziemlich typisch sind.

Der Auslaßabschnitt 6 des ersten Kanals 2 weist ein sich nach außen erweiterndes freies Ende 8 auf. Die Erweiterung nach außen ist gegen die Luftströmung gerichtet, die durch Pfeile 9 innerhalb des Wasserabscheiders 1 dargestellt ist. Der Ein­ laßabschnitt 4 des ersten Kanals 2 endigt in einer Wand 10, die in der Richtung der Luftströmung unter einem Winkel zwi­ schen 5 und 12°bezüglich der Richtung der Luftströmung gleich­ mäßig und kontinuierlich divergiert, wobei 10° bei einem Luftstrom höherer Geschwindigkeit bevorzugt werden. Ein Spalt 12 wird durch das erweiterte Ende 8 des Auslaßab­ schnitts 6 und durch ein freies Ende der divergierenden Wand 10 des Einlaßabschnitts 4 gebildet.

Zum Verlangsamen einer Strömung feuchtigkeitshaltiger Luft umschließt ein ringförmiger Luftdiffusor 14 konzentrisch den ersten Kanal 2 an dem Einlaßabschnitt 4 und an dem Aus­ laßabschnitt 6 desselben und ist daran befestigt. Die äußere Diffusorwand besteht zur Erleichterung des Zusammen­ baus aus Abschnitten 16, 18. Ein äußerer Abschnitt des Dif­ fusors 14 bildet eine Absetzkammer 21, in der die Feuch­ tigkeit in dem verlangsamten Luftstrom auf natürliche Wei­ se aus diesem ausgefällt wird. Der Diffusor 14 bildet in Ver­ bindung mit einer im folgenden beschriebenen Luftführung 20 einen gewundenen, Z-förmigen Weg ab der abgewinkelten Wand 10.

Die ringförmige Luftführung 20 hat einen U-förmigen Quer­ schnitt und ist in dem Spalt 12 angeordnet, wobei ein Teil der Luftführung 20 in den ersten Kanal 2 hineinragt und ein anderer Teil sich in dem Diffusor 14 erstreckt. Die Luftführung 20 ist an der Innenoberfläche einer äußeren Wand des Diffusorabschnitts mit Hilfe von mehreren in gegen­ seitigem Umfangsabstand angeordneten Stegen 22 (einer ist gezeigt) befestigt, welche parallel zu der Luftströmungs­ richtung angeordnet sind. Der Z-förmige Weg, der durch die Luftführung 20 und durch die äußere Diffusorwand gebildet ist, ist ein langer Strömungsweg mit allmählich zunehmendem Volumen, was eine beträchtliche Luftstromverlangsamung in­ nerhalb der relativ kurzen axialen und radialen Abmessungen gestattet und gleichzeitig Druckverluste minimiert, wenn die Luft in den Hauptkörper des Diffusors 14 strömt.

Ein zweiter Kanal 25 ist an der Luftführung 20 innerhalb des ersten Kanals 2 befestigt, erstreckt sich von der Luftführung 20 aus stromaufwärts und bildet mit dem ersten Kanal 2 eine engere Wasserablaufmündung an seinem stromaufwärtigen Ende 30. Ein Mittelteil des zweiten Kanals 25 bildet einen stromauf­ wärtigen (radial inneren) Teil 32 des Diffusors 14. Der zwei­ te Kanal 25 erstreckt sich außerdem von der Luftführung 20 aus stromabwärts und bildet einen Ejektor 28 in dem Auslaßab­ schnitt 6 des ersten Kanals 2. Ein Teil 36 des zweiten Kanals 25 verjüngt sich in stromabwärtiger Richtung konisch nach in­ nen, um den Luftstrom zu beschleunigen, der durch ihn hin­ durchgeht, und so die getrocknete Luft aus dem Diffusor 14 durch den Ejektor 28 zu saugen. Der zweite Kanal 25 ist an dem ersten Kanal 2 mit Hilfe von mehreren in gegenseitigem Umfangsabstand angeordneten Stegen 38 (einer davon ist ge­ zeigt) befestigt ,welche an einem Mittelteil des zweiten Kanals an radial entgegengesetzten Randteilen befestigt sind, beispielsweise durch Schrauben, Kleben, od.dgl. Der zweite Kanal 25 ist als Drossel in dem Spalt 12 zwischen dem Ein­ laßabschnitt 4 und dem Auslaßabschnitt 6 des ersten Kanals 2 angeordnet. Die Breite der Öffnung des Ejektors 28 liegt typisch zwischen 1,5 und 4,7 mm. Eine Breite von ungefähr 3,2 mm ist für Luftströme höherer Geschwindigkeit ideal. Die Öffnung des Wasserablaufs 26 liegt zwischen 1,5 und 2,5 mm, wobei 2,0 mm für Luftströme höherer Geschwindigkeit ideal sind.

Ein Wasserreservoir 40 und ein Ablaß 42 sind am unteren En­ de des Diffusors 14 vorgesehen. Die Lage des Ablasses 42 ist allgemein von der Lage des Wasserreservoirs 40 abhängig, damit das Wasser mit natürlichem Gefälle abgelassen werden kann.

Der erste Kanal 2 und der zweite Kanal 25, die Luftführung 20 und der Diffusor 14 können aus irgendeinem Metall oder aus Kunststoff bestehen. Hochfestes Aluminium wird jedoch bevorzugt.

Im Betrieb strömt Luft von dem Einlaßabschnitt 4 aus zu dem Auslaßabschnitt 6 des ersten Kanals 2 durch den Wasserab­ scheider 1. Wasser, das sich auf den Kanalwänden aufgrund der oben erwähnten Zentrifugalabscheidung konzentriert, wandert typisch an den Kanalwänden entlang, angetrieben durch die Luftströmung. Bei dem Erreichen des Einlaßabschnitts 4 schei­ det der Wasserablauf 26 das Wasser an der Kanalwand und die feuchtigkeitshaltige Luft nahe der Wand 4 des ersten Kanals 2 aus dem Hauptluftstrom ab. Das abgeschiedene Wasser und die abgeschiedene Luft strömen außerhalb des zweiten Kanals 25 in den Diffusor 14. Aufgrund des sich längs des Z-förmigen Strömungsweges innerhalb des Diffusors 14 erweiternden Volu­ mens wird die Luftströmung auf unter 3 m/s verlangsamt, und der Druck fällt etwas ab, was zur Folge hat, daß die Wasser­ tröpfchen in der Absetzkammer 21 durch natürliches Gefälle in das Wasserreservoir 40 gelangen, um dann über den Ablaß 42 abgelassen zu werden. Wassertröpfchen, die auf den inne­ ren Diffusorwänden der Abschnitte 16 und 18 verbleiben, wer­ den an diesen Wänden durch die Luftströmung entlanggetrieben, bis sie zwischen das erweiterte Ende 8 und den Diffusorab­ schnitt 16 gelangen, von wo aus sie dann in das Wasserreser­ voir 40 fallen. Das Wasser wird dann zum Kühlen oder Reinigen benutzt oder ausgestoßen.

Die Luft, die durch den Wasserablauf 26 nicht abgeschieden wird, wird innerhalb des zweiten Kanals 25 durch die leichte Konizität des Abschnitts 36 etwas beschleunigt. Die beschleu­ nigte Luft passiert den Ejektor 28 und saugt die getrocknete, sich langsam bewegende Luft aus dem Diffusor 14. Diese An­ saugerscheinung veranlaßt auch mehr Luft, durch den Wasser­ ablauf 26 zu strömen, was bewirkt, daß das Wasser an den Wän­ den und die stark feuchtigkeitshaltige Luft durch den Wasser­ abscheider 1 hindurchgehen, ohne ein Gebiet hohen Druckes in dem Diffusor 14 zu erzeugen, das sonst die Wasserabschei­ dung verhindern würde. Der Diffusor 14 und der Ejektor 28 bewirken gemeinsam, daß die durch den Wasserablauf 26 und den Diffusor 14 hindurchgehende Luft für die Luftzykluskälteanla­ ge nicht verlorengeht und daß es einen minimalen Druckabfall an dem Wasserabscheider 1 gibt. Der Wasserabscheider 1 ent­ fernt effektiv mehr als 99% der Feuchtigkeit an den Wänden und in der Luft.

Falls die Feuchtigkeit nicht an den Kanalwänden konzentriert ist, beispielsweise wegen unzureichender Biegung der Wände, können die stark feuchtigkeitshaltige Luft und die Wasser­ tröpfchen durch Drallbleche 44, die an dem Einlaßabschnitt 4 des ersten Kanals 2 befestigt sind, zu der äußeren Wand des Wasserabscheiders 1 geleitet werden. Die Drallbleche 44 sind gemäß der Darstellung in Fig. 2 mit einem Minimum an Biegung versehen, um den Druckabfall zu minimieren, und mit einer be­ trächtlichen Rückwärtspfeilung, damit eine Oberfläche vorhan­ den ist, die die Wassertröpfchen, welche sich auf den Drall­ blechen 44 bilden, zu den Kanalwänden leitet.

In einer weiteren Ausführungsform des Wasserabscheiders, die in Fig. 3 gezeigt ist, divergiert die Wand 10 des ersten Ka­ nals. Der zweite Kanal 46 nimmt jedoch im Durchmesser von ei­ nem maximalen Durchmesser an seinem Eingangsende 48 auf einen minimalen Durchmesser an seinem Ausgangsende 50 ständig ab und bildet so einen Kegelstumpf. Der zweite Kanal 46 bildet mit der Richtung der Luftströmung einen Winkel zwischen 5 und 12°, wobei 10° für Luftströme höherer Geschwindigkeit typisch sind. Der kegelstumpfförmige zweite Kanal 46 beschleunigt die durch ihn hindurchgehende Luft, um das Einsaugen der getrock­ neten Luft in den Diffusor 14 durch den Ejektor 28 zu unter­ stützen.

Der Wasserabscheider nach der Erfindung ist extrem wirksam, denn er scheidet mehr als 99% des Wassers aus Luft ab, die sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 30,5 m/s bewegt. Der Wasserabscheider ist durch bauliche Einfachheit und ein Mini­ mum an Bauteilen gekennzeichnet. Es werden keine Hochdruck­ oder Turbulenzzonen beim Entfernen von feuchtigkeitshaltiger Luft aus der Hauptströmung erzeugt. Strömungsverluste werden minimiert, weil die in dem Diffusor 14 getrocknete Luft durch den Ejektor 28 zurück in den Hauptstrom gesaugt wird.

Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungs- und Mo­ difizierungsmöglichkeiten gegeben. Beispielsweise ist nach dem Entfernen des zweiten Kanals 25 ein Wasserablauf zwischen einer stromaufwärtigen Seite der Luftführung 20 und der di­ vergierenden Wand 10 gebildet, und ein Ejektor ist zwischen einer stromabwärtigen Seite der Luftführung 20 und dem sich erweiternden freien Ende 8 des Auslaßabschnitts 6 gebildet.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Feuchtigkeit aus einem Luftstrom (9), der durch einen Kanal (2) mit einer Geschwin­ digkeit hindurchgeht, gekennzeichnet durch:
einen Wasserablauf (26) in Strömungsverbindung mit dem Kanal (2) zum Ableiten eines feuchtigkeitshaltigen Teils des Luft­ stroms (9) aus dem Kanal (2);
einen Diffusor (14), der um den Kanal (2) angeordnet und mit dem Wasserablauf (26) in Verbindung ist, um die Geschwindig­ keit des Luftstromteils für das Abscheiden der Feuchtigkeit aus diesem zu reduzieren; und
einen Ejektor (28), der mit dem Diffusor (14) und mit dem Ka­ nal (2) stromabwärts des Wasserablaufs (26) in Verbindung steht, um den Luftstromteil zurück in den Luftstrom zu lei­ ten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Spalt (12) in dem Kanal (2) und durch eine Luftführung (20), die in dem Spalt (12) in dem Kanal (2) angeordnet ist und den Luftstromteil von dem Wasserablauf (26) zu dem Diffusor (14) und von dem Diffusor (14) zu dem Ejektor (28) leitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftführung (20) ein stromaufwärtiges Ende (30) in dem Kanal (2) aufweist, das den Wasserablauf (26) bildet, und ein stromabwärtiges Ende (34) in dem Kanal (2) das den Ejektor (28) bildet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stromaufwärtige Ende (30) und das stromabwärtige Ende (34) der Luftführung (20) durch einen sich radial nach innen konisch verjüngenden Abschnitt verbunden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der konische Abschnitt von dem stromaufwärtigen Ende (48) bis zu dem stromabwärtigen Ende (50) kontinuierlich ko­ nisch verjüngt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das stromaufwärtige und das stromabwärtige Ende (30, 34) der Luftführung (20) in dem Kanal auf der von dem Spalt (12) abgewandten Seite der Luftführung angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wand (10) des Kanals (2), die das stromaufwärtige Ende (30) der Luftführung (20) umgibt, sich radial nach außen zu dem Spalt (12) hin konisch erweitert.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Luftführung (20) ringförmig ist und ei­ nen U-förmigen Querschnitt hat, von welchem ein Teil in dem Kanal (2) und ein zweiter Teil außerhalb des Kanals angeord­ net ist, um den Luftstromteil zu leiten.