DE102005028718A1

DE102005028718A1 - Hohlfaseranordnung

Info

Publication number: DE102005028718A1
Application number: DE102005028718A
Authority: DE
Inventors: Klaus Leister; Harald Dr. Ehrentraut
Original assignee: Carl Freudenberg KG
Current assignee: Carl Freudenberg KG
Priority date: 2005-06-20
Filing date: 2005-06-20
Publication date: 2006-12-28
Also published as: CA2611997A1; US8104748B2; CA2611997C; WO2006136231A1; US20090115078A1; EP1893319A1

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

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:
1 eine Hohlfaseranordnung mit einer Einrichtung bestehend aus einer Lage;
2 eine Hohlfaseranordnung mit einer Einrichtung bestehend aus einem spiralförmig die Hohlfaser umgebendem Band;
3 eine Hohlfaseranordnung mit gekammerten Hohlfasern;
4 einen Befeuchter mit asymmetrischer Anströmung;
5 einen Befeuchter.
Ausführung der Erfindung
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 Vliesstoffbahn 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.
2 zeigt eine Hohlfaser 3 die von der Einrichtung 6 spiralförmig umgeben ist. Die Einrichtung 6 ist aus einem schmalen Streifen aus Vliesstoff gebildet.
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.
4 zeigt einen Befeuchter 2 der aus einem Gehäuse 8 mit einer Gehäusewand 9 gebildet ist, wobei in dem eine Hohlfaseranordnung 1 gemäß 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.
5 zeigt einen Befeuchter 2 der aus einem Gehäuse 8 mit einer Gehäusewand 9 gebildet ist, wobei in dem eine Hohlfaseranordnung 1 gemäß 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

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.
Hohlfaseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) einen Vliesstoff umfasst.
Hohlfaseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) einen offenzelligen Schaumstoff aufweist.
Hohlfaseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (6) ein die Hohlfaser (3) spiralförmig umgebendes Material umfasst.
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.
Hohlfaseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kammern (7) angeordneten Hohlfasern (3) voneinander abweichende Packungsdichten aufweisen.
Hohlfaseranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Kammern (7) angeordneten Hohlfasern (3) voneinander abweichende Durchmesser aufweisen.
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.
Befeuchter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Packungsdichte der Hohlfasern (3) von der Gehäusewand (9) in Richtung der Gehäusemitte zunimmt.
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.