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Die Erfindung betruft Abscheidevorrichtungen zum Abtrennen
einer Flüssigkeit aus einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch. Die
Erfindung kann auch dann Anwendung finden, wenn dieses Gemisch
Feststoffteilchen enthält.
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Der Bedarf an einer solchen Abscheidevorrichtung ergibt sich
bei Flugzeugen, bei denen Luft von auBerhalb des
Flugzeugrumpfes genommen wird, um elektronische Geräte innerhalb des
Rumpfes zu kühlen. Unter feuchten oder nassen Bedingungen kann
diese Luft Wasser enthalten, und es ist von wesentlicher
Bedeutung, das gesamte Wasser zu entfernen, bevor die Luft zu den
elektronischen Geräten gelangt. Die Luft kann auch Feststoff
teilchen enthalten, wie Staub und Ruß, deren Entfernung
gleichermaben wichtig ist.
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Ein früherer Vorschlag zum Abtrennen von Wasser aus Luft unter
solchen Bedingungen sah die Verwendung eines Einlasses vor, der
zu einer Koalesziervorrichtung in Form einer vertikal
angeordneten Maschenstruktur führt, an der sich Wassertröpfchen durch
Koaleszenz zu größeren Tropfen vereinigen, die dann zur
Peripherie der Maschenstruktur fließen, von wo sie abgezogen
werden. Hinter der Koalesziervorrichtung ist ein gefälteltes
zylindrisches Filtermedium vorgesehen, um Feststoffe
auszufiltern. Der Auslaß an der Filtereinheit dient zum Herstellen
einer Verbindung zu zu kühlenden elektronischen Geräten.
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Es wurde gefunden, daß eine derartige Abscheidevorrichtung
nicht zufriedenstellend arbeitet, weil die
Koalesziervorrichtung nicht in jedem Fall die Wassertröpfchen in ausreichendem
Umfang entfernt, so daß zu der Filtereinheit hindurchtretende
Luft schwer mit Wassertröpfchen beladen ist. Das in dem Filter
verwendete Filtermedium ist nicht so groß, daß es diese
Wassertröpfchen entfernen könnte, und somit kann Wasser zum Auslaß
hindurchtreten, was ganz offensichtlich unerwünscht ist.
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Die EP-A-0353903 offenbart einen Abscheider mit einer
Flüssigkeits-Gas-Trenn- und Filtrationsvorrichtung mit einem Einlaß zu
einem Filter für Festkörperteilchen, der konzentrisch mit der
Kammer angeordnet ist. Das Flüssigkeits-Gas-Gemisch tritt durch
einen im wesentlichen tangentialen Einlaß in die
Abscheidevorrichtung ein.
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In der US-A-3 953 184 ist ein Zyklon-Staubabscheider offenbart,
der eine gekrümmte Außenwandung aufweist. Ein Primärluftstrom
wird von dem nachfolgend auftretenden Sekundärluftstrom durch
eine innenliegende Wand oder Pralifläche in Form eines sich in
die Abscheidevorrichtung hinein erstreckenden gekrümmten
Elements
getrennt. Die innenliegende Wand endet an dem
Staubtrennpunkt, der auch der Umlenkpunkt für den Luftstrom ist. Die
innenliegende Wand und der entsprechende Bereich der
Außenwandung konvergieren leicht, um eine Beschleunigung des
Primärluftstroms zu bewirken. Ein Auslaßzylinder erstreckt sich nach
unten durch das Oberteil der Abscheidevorrichtung in deren
Inneres hinein und weist einen Einlaß an dem Umlenkpunkt des
Luftstroms auf.
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Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine
Vorrichtung zum Abtrennen einer Flüssigkeit aus einem
Flüssigkeits-Gas-Gemisch geschaffen, wobei die Vorrichtung eine Kammer
umfaßt, welche gegenüberliegende Endwandungen und eine sich
zwischen den Endwandungen erstreckende Seitenwand und einen in
der Seitenwand vorgesehenen Einlaß aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß der Einlaß das Gemisch gegen einen gekrümmten
Abschnitt der Seitenwand richtet, der sich von dem Einlaß weg
erstreckt, daß eine Führungsoberfläche innerhalb der Kammer
angeordnet ist und sich von einem Punkt an der Seitenwandung
weg erstreckt, um mit dem gekrümmten Oberflächenabschnitt einen
Kanal innerhalb der Kammer für das Gemisch zu bilden, der von
dem Einlaß weg führt, wobei in dem Kanal die Flüssigkeit in dem
Gemisch auf den Kanaloberflächen koaleszieren kann, wobei die
Führungsoberfläche an einem Punkt in der Kammer endet, welcher
von der Seitenwandung beabstandet ist, um einen Auslaß für den
Kanal zu bilden, und daß eine Filtereinheit für abgetrennte
Luft in der Kammer vorgesehen ist, welche von der Mitte der
Kammer beabstandet ist, welche auf einer Seite der
Führungsfläche gegenüberliegend zu dem Kanal angeordnet ist und welche
mit einem Kammerauslaß für gefiltertes abgetrenntes Gas in
Verbindung steht, wobei ein Flüssigkeitsauslaß für abgetrennte
Flüssigkeit vorgesehen ist.
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Es wurde gefunden, daß bei Verwendung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung in Verbindung mit einem Luft/Wasser-Gemisch ein
sehr großer Anteil des Wassers koalesziert ist, bevor das
Gemisch die Filtereinheit erreicht. Damit kann das Erreichen
sehr hoher Wasserabscheidegrade ermöglicht und gegebenenfalls
auch die Entfernung von Feststoffteilchen unterstützt werden.
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Es folgt eine nähere Beschreibung der beispielhaften
Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen. Es zeigen:
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Fig. 1 eine schematische Darstellung einer
Abscheidevorrichtung zum Abtrennen von Wasser aus Luft mit dem
Luftanschluß zu elektronischen Geräten eines
Flugzeugs, wobei eine Endwandung der Vorrichtung
entfernt ist, um das Innere einer Kammer der
Vorrichtung zu zeigen;
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Fig. 2 einen schematischen Querschnitt der Vorrichtung von
Fig. 1; und
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Fig. 3 eine schematische Darstellung einer
Versuchsanordnung zum Prüfen einer Vorrichtung der in den
Figuren 1 und 2 gezeigten Art.
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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, gemäß welchen
die Vorrichtung eine Kammer 10 umfaßt, die von im wesentlichen
kreisförmigen Endwandungen 11 (von denen in Fig. 1 eine aus
Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen wurde) und einer im
wesentlichen zylindrischen Seitenwandung 12 gebildet ist, die
sich zwischen den Endwandungen erstreckt. Die Seitenwandung 12
istmit einem Einlaß 13 ausgebildet, der mit einem
Einlaßrohr
14 verbunden ist. Das Einlaßrohr 14 ist gegen die
Seitenwandung 12 (siehe Fig. 1) und gegen eine Endwandung 11 (siehe
Fig. 2) hin gerichtet.
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Es ist ein Abzweigrohr 15 zum Anschluß an eine alternative
Quelle vorgesehen.
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Innerhalb der Kammer 10 ist eine Führungsfläche 16 angeordnet,
die bogenförmig um eine zur Achse der zylindrischen
Seitenwandung 12 parallele Achse ausgebildet ist. Die Führungsfläche 16
erstreckt sich von einem dem Ende des Einlasses 17 benachbarten
Punkt der Seitenwandung 12 in Umfangsrichtung und ist zwischen
der Achse der zylindrischen Seitenwandung 12 und dem Bereich
der zylindrischen Seitenwandung, der sich von dem Einlaß 13 weg
erstreckt, angeordnet. Die Führungsfläche 16 endet innerhalb
der Kammer an einem von der Seitenwandung 12 beabstandeten
Punkt.
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Somit bilden die Führungsfläche 16 und der benachbarte
Abschnitt einer Seitenwandung 12 samt den Endwandungen 11 einen
Kanal 21, der sich rund um das Innere der Kammer 10 von dem
Einlaß 13 zu einem zwischen dem Ende der Führungsfläche 16 und
der Seitenwandung 12 gebildeten Auslaß 17 erstreckt. Wie am
besten aus Fig. 1 ersichtlich, verläuft dieser Kanal gegen den
Auslaß 17 hin zunächst divergierend und dann konvergierend.
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In der Kammer ist auch eine Filtereinheit 18 vorgesehen. Die
Filtereinheit 18 ist im wesentlichen zylindrisch gestaltet,
wobei ihre Achse parallel zu der Achse der zylindrischen
Seitenwandung 12 ist. Die Filtereinheit 18 ist eine
herkömmliche Ausführung, die mit einem gefältelten Filterelement
ausgestattet ist, das um einen zylindrischen Innenraum herum
angeordnet
ist, der zu einem in einer Endwandung 11 vorgesehenen
Auslaß 19 führt, und mit einem Auslaßkanal 20 in Verbindung
steht.
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Das Filterelernent der Filtereinheit 18 ist bevorzugt hydrophob
und kann einen absoluten Kennwert von 5 µm aufweisen.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Positionierung der
Filtereinheit 18, von denen nur eine in den Figuren aufgezeigt
ist. Aus Fig. 1 ist zu ersehen, daß der Einlaß 13 und der
Kanal 21 in zwei benachbarten Quadranten des durch die
zylindrischen Seitenwandung 12 definierten Raumes angeordnet sind.
Die Achse der Filtereinheit 18 ist in einem dritten Quadranten
angeordnet, der dem den Einlaß enthaltenen Quadranten
benachbart ist. Diese Achse kann beliebig innerhalb dieses Quadranten
angeordnet sein, einschließlich auf irgendeinem der Radien 23a,
23b, die den Quadranten definieren.
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Im Gebrauch ist das Einlaßrohr 14 mit einer Öffnung an einem
Flugzeugrumpf verbunden. Die Abscheidevorrichtung ist so
angeordnet, daß die Achse der Kammer 10 vertikal steht und die
Entwässerung 22 sich an der tiefsten Stelle befindet. Der Auslaß
kanal 20 ist mit zu kühlenden elektronischen Geräten innerhalb
des Rumpfes verbunden. Unter der Annahme, daß die Luft
außerhalb des Rumpfes mit Wasser befrachtet ist, tritt ein Gemisch
von Luft und Wasser (möglicherweise mit partikulären
Beimengungen wie Ruß und Staub) in das Einlaßrohr 14 ein. Das Gemisch
wird sodann gegen die Endwandung 11 und die Seitenwandung 12
hin gerichtet und durch Zentrifugalkraft um die Krümmung der
Seitenwandung 12 herum geschleudert. Gleichzeitig wird infolge
der divergierenden Beschaffenheit des ersten Bereichs des
Kanals 21 die Geschwindigkeit der Luft gemindert. Dies
begünstigt
die Koaleszenz von Wassertröpfchen in der Luft auf den
Oberflächen des Kanals 21, die von der Seitenwandung 12, der
Führungsfläche 16 und den Endwandungen 11 gebildet sind.
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Dieses koaleszierte Wasser fließt weiter um die
Seitenwandung 12 herum und aus dem Auslaß 17 heraus, um sich durch
Einwirkung der Schwerkraft am tiefsten Punkt der Kammer zu
sammeln, von wo es durch eine Entwässerung 22 entfernt wird (siehe
Fig. 2). Die Länge der Führungsfläche 16 ist bevorzugt so, daß
kein Wasser von der hinteren Kante der Führungsfläche 16
abtropft.
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Die Luft strömt weiter zur Filtereinheit 18, wobei jegliche
Restwassertröpfchen in der Luft durch das hydrophobe
Filtermedium in der Filtereinheit 18 zurückgewiesen werden. Das
Filtermedium neigt ferner dazu, Feststoffteilchen zu entfernen,
die sich nicht durch Koaleszenz mit dem Wasser vereinigt haben.
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Den Auslaßkanal 20 verlassende Luft ist somit im wesentlichen
frei von Wasser und Feststoffteilchen und wird zu den
elektronischen Geräten geleitet.
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Eine Abscheidevorrichtung der vorstehend unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschriebenen Art wurde unter Verwendung der in
Fig. 3 gezeigten Versuchsanordnung geprüft.
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Die Versuchsanordnung umfaßt eine gekrümmte Platte 25 mit einem
Radius von 3,96 m, mit der ein Flugzeugrumpf simuliert wird. An
einem Punkt außerhalb des Rumpfes, 1,83 m über dem Boden 26,
werden durch ein Rohr 27 in einem Winkel von 45º zur
Horizontalen Wassertröpfchen mit einer Rate von 450 l/h und einem
Sprühwinkel von 35º auf die Oberfläche der Platte 25 gesprüht. Auf
der Oberfläche der Platte 25 ist in einer Höhe von 0,3 m über
dem Boden das Ende des Einlaßrohrs 14 der
Abscheidevorrichtung 24 angeordnet, an welches sich die restliche
Abscheidevorrichtung 24, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1
und 2 beschrieben wurde, anschließt. Der Auslaßkanal 20 der
Abscheidevorrichtung 24 ist mit einer Meßstrecke 28 verbunden,
die mit Manometern 29 zum Messen des Druckabfalls ausgestattet
ist. Die Meßstrecke 28 ist mit einer Koalesziervorrichtung 30
verbunden, die in Form einer Kammer von beträchtlichem Volumen
mit innenliegenden Prallflächen 31 vorgesehen ist. Ein
Auslaß 32 an der Koalesziervorrichtung 30 ist mit einer
Staubsammelplenumkammer 33 verbunden, deren Auslaß wiederum mit
einer Massenstrom-Meßstrecke 34, einem
Strömungskontrollventil 35 und einem Gebläse 36 verbunden ist, welches Luft mit
einer Rate von 1,25 kg/s durch die Versuchsanordnung saugt.
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Die Wirksamkeit der Vorrichtung 24 wird gemessen, indem das
durch das Rohr 27 bereitgestellte Wasservolumen mit dem
Wasservolumen in der Koalesziervorrichtung 30 verglichen wird.
Zusätzlich wird der Nachweis des Systems geführt (der die
Genauigkeit der Messung der Wirksamkeit repräsentiert), indem das
durch die Rohr 27 zugespeiste, von der Vorrichtung 24 jedoch
nicht aufgenommene Wasser, das durch die Entwässerung 22
abgeführte Wasser, die Gewichtsdifferenz der Filtereinheit 18 vor
und nach der Prüfung und das in der Koalesziervorrichtung 30
aufgefangene Wasser gesammelt und mit dem durch das Rohr 27
zugeführten Wasser verglichen wird. Es wird erkennbar sein, daß
je höher die Prozentzahl, in der der Nachweis ausgedrückt wird,
desto genauer die Messung der Wirksamkeit.
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Die Abscheidevorrichtung 24 wurde in 5 Zusammenstellungen wie
folgt geprüft:
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1. Mit entfernter Führungsfläche 16 und mit der
Filtereinheit 18 so angeordnet, daß deren Achse koaxial mit
der Achse der zylindrischen Seitenwandung 12
angeordnet war.
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2. Wie Versuch 1, jedoch mit der Leitfläche.
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3. Wie Versuch 2, wobei jedoch die Achse der
Filtereinheit von der Achse der zylindrischen Seitenwand
seitlich versetzt (d.h. entlang des Radius 23a) angeordnet
war.
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4. Wie Versuch 3, wobei jedoch die Achse der
Filtereinheit 18 bezogen auf die Achse der zylindrischen
Seitenwand 12 sowohl seitlich wie in Längsrichtung
versetzt (d.h. in der in Fig. 1 gezeigten Position)
angeördnet war.
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5. Wie Versuch 4, wobei jedoch das Filterelement mit
einem hydrophoben Filtermedium ausgestattet war.
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6. Wie Versuch 3, wobei jedoch die Leitfläche entfernt
worden war.
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Die Ergebnisse dieser Prüfungen sind nachfolgend dargelegt.
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Es wird ersichtlich sein, daß durchvorhandensein der
Leitfläche eine erhebliche Verbesserung erzielt wird. Ein seitliches
Versetzen der Filtereinheit bringt eine zusätzliche
Verbesserung, und wird sie seitlich und in Längsrichtung versetzt, so
daß sie die in Fig. 1 gezeigte Position einnimmt, wird eine
noch größere Verbesserung erhalten. Wenn das Filtermedium
zusätzlich behandelt wird, um es hydrophob zu machen, wird eine
weitere Verbesserung erhalten. Selbst wenn auf die Leitfläche
verzichtet wird, wird durch seitliches Versetzen der
Filtereinheit eine deutliche Verbesserung erzielt.
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Es wird erkennbar sein, daß die vorstehend unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschriebene Abscheidevorrichtung auf
verschiedene Weise modifiziert werden könnte.
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Die Seitenwandung 12 der Kammer 10 muß nicht zylindrisch sein;
sie könnte einfach durch eine gekrümmte Oberfläche gebildet
sein, die sich entlang der Länge des Kanals erstreckt, um einen
Zentrifugaleffekt zu bewirken. Der Rest der Seitenwandung 12
könnte eine andere Gestalt aufweisen. Selbstverständlich muß
die Krümmung der Seitenwandung 12 keine zylindrische oder
teilweise zylindrische Krümmung sein, sondern könnte eine beliebige
andere geeignete Krümmung sein.
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Die Führungsfläche 16 muß kein Kreisbogen im Querschnitt sein;
auch sie könnte eine beliebige geeignete Krümmung aufweisen.
Wie bereits erwähnt, wurde gefunden, daß verbesserte Resultate
erzielt werden können, wenn die Führungsfläche 16 weggelassen
und lediglich die Filtereinheit 18 von der Mitte der Kammer 10
weg gegen den Einlaß 13 hin angeordnet wird. Diese
Positionierung muß keine seitliche Positionierung sein, es könnte jede
beliebige vorteilhafte Positionierung weg von der Mitte der
Kammer sein.
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Die Abscheidevorrichtung muß nicht zur Abtrennung von Wasser
aus Luft verwendet werden, sie könnte zum Trennen jedes
beliebigen geeigneten Flüssigkeits-Gas-Gemischs Anwendung finden.