AT526672A4 - Ejector device for a fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ejektorvorrichtung (100) für eine Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Düsenabschnitt (10) mit einem Treibdüsenabschnitt (11) und einer Saugdüse (12) zum Zusammenführen eines primären Fluidstroms und eines sekundären Fluidstroms in der Anodengasrezirkulation. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Sperrelement (15) mit einer Sperrfläche (17), entlang eines Verstellweges (S) verstellbar gelagert, und wenigstens eine aus einer Mehrzahl von Treibdüsen (13) des Treibdüsenabschnittes (11) ist innerhalb des Verstellweges (S) in Überschneidung mit der Sperrfläche (17) des wenigstens einen Sperrelementes (15) angeordnet ist, für ein verstellbares Begrenzen des Gesamtströmungsquerschnittes des Treibdüsenabschnittes (11).The present invention relates to an ejector device (100) for anode gas recirculation in a fuel cell system, having a nozzle section (10) with a drive nozzle section (11) and a suction nozzle (12) for bringing together a primary fluid flow and a secondary fluid flow in the anode gas recirculation. According to the invention, at least one blocking element (15) with a blocking surface (17) is adjustably mounted along an adjustment path (S), and at least one of a plurality of drive nozzles (13) of the drive nozzle section (11) is arranged within the adjustment path (S) in overlap with the blocking surface (17) of the at least one blocking element (15) for adjustably limiting the total flow cross section of the drive nozzle section (11).
Description
Ejektorvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem Ejector device for a fuel cell system
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ejektorvorrichtung zur Dosierung eines Brennstoffgases und eines Anodenabgases in einer Anodengasrezirkulation eines Brenn-The present invention relates to an ejector device for dosing a fuel gas and an anode exhaust gas in an anode gas recirculation of a fuel
stoffzellensystem. material cell system.
Die Ejektorvorrichtung findet Anwendung in der Brennstoffzellentechnik, wobei zur Verbesserung der Effizienz unverbrauchtes Brennstoffgas aus einem Abgas der Brennstoffzellenanode in einer Anodengasrezirkulation mit neuem Brennstoffgas do-The ejector device is used in fuel cell technology, whereby unused fuel gas from an exhaust gas of the fuel cell anode is dosed with new fuel gas in an anode gas recirculation to improve efficiency.
siert angereichert und der Anode erneut zugeführt wird. enriched and fed back to the anode.
Es sind Ejektoren oder Strahlpumpen bekannt, die einen Primärfluidstrom beschleunigen und einen Sekundärfluidstrom mittels eines Unterdrucks ansaugen, der aus einer Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem beschleunigten Primärfluidstrom und dem Sekundärfluidstrom resultiert. Auf diese Weise können zwei Ströme in einer nachgelagerten Mischkammer durch eine Vorrichtung ohne bewegte Teile effektiv vermengt werden, und der rezirkulierende Sekundärmengenstrom auf ein höheres Druckniveau gehoben werden, um die Strömungsverluste innerhalb des Brenn-Ejectors or jet pumps are known which accelerate a primary fluid flow and suck in a secondary fluid flow by means of a negative pressure resulting from a difference in the flow speeds between the accelerated primary fluid flow and the secondary fluid flow. In this way, two flows can be effectively mixed in a downstream mixing chamber by a device without moving parts, and the recirculating secondary flow can be raised to a higher pressure level in order to reduce the flow losses within the combustion chamber.
stoffstapels ein weiteres mal überwinden zu können. to overcome the pile of material once again.
Insbesondere wenn durch Auswahl geeigneter Parameter Strömungscharakteristiken im Bereich der Schallgeschwindigkeit erzielt werden, tritt ferner ein strömungsmechanisches Phänomen auf, durch welches die Effizienz der Pumpenfunktion eines Ejektors im Sinne einer Stahlpumpe deutlich gesteigert wird. Das heißt, lediglich bei Einstellung einer Schallgeschwindigkeit des Primärfluidstroms in der Treibdüse wird eine gute Effizienz des Ejektors in der Funktion als Umwälzpumpe zur Rezirkulation des Anodenabgases und frischen Brenngases erzielt. Eine Dimensionierung der Ejektorgeometrie, insbesondere der Treibdüse, wird demnach herkömmlicherweise so ausgelegt, dass das strömungscharakteristisch günstige Regime unter Schallgeschwin-In particular, if flow characteristics in the range of the speed of sound are achieved by selecting suitable parameters, a fluid mechanics phenomenon occurs which significantly increases the efficiency of the pump function of an ejector in the sense of a steel pump. This means that only when the primary fluid flow in the drive nozzle is set to the speed of sound can a good efficiency of the ejector be achieved in its function as a circulation pump for recirculating the anode exhaust gas and fresh fuel gas. The dimensioning of the ejector geometry, in particular of the drive nozzle, is therefore conventionally designed in such a way that the flow characteristically favorable regime is achieved at the speed of sound.
digkeit unter Strömungsraten im Volllastbetrieb sichergestellt ist. speed under flow rates in full load operation is ensured.
In Konsequenz führt diese Festlegung der Dimensionierung jedoch im Teillastbereich dazu, dass die Effizienz des Ejektors, insbesondere bei Betrieb mit geringer Last des Brennstoffzellensystems erheblich nachlässt. Denn eine axial verstellbare Düsennadel As a consequence, this determination of the dimensioning in the partial load range leads to a significant reduction in the efficiency of the ejector, especially when operating with a low load of the fuel cell system. This is because an axially adjustable nozzle needle
in der Treibdüse kann zwar in Reaktion auf eine Lastanforderung eine erforderliche in the propulsion nozzle, in response to a load request, a required
fluidstroms im Bereich der Schallgeschwindigkeit zu erzielen. fluid flow in the range of the speed of sound.
Neben den Parametern eines Zufuhrdrucks des Primärfluidstroms und einer Regelung der Durchflussmenge, käme grundlegend noch eine variabel verstellbare Dimensionierung des ausgangsseitigen Düsendurchmessers der Düsenöffnung, aus der das Primärfluid stromabwärts der Düsennadel aus der Düse austritt, in Betracht. Eine zylindrisch variable Mechanik, die in Bezug auf einen Düsenspalt um die axial verstellbare Düsennadel herum sehr präzise einstellbar sein muss und in einem strömungsrelevanten, sehr kleinen und ringförmigen Bauraum zu realisieren wäre, erscheint jedoch, zumindest im Rahmen wirtschaftlicher Gesichtspunkte, bislang in keiner zur Serienfertigung geeigneten und in Kontakt mit Wasserstoff langlebigen technischen Um-In addition to the parameters of a supply pressure of the primary fluid flow and a control of the flow rate, a variably adjustable dimensioning of the outlet-side nozzle diameter of the nozzle opening, from which the primary fluid exits the nozzle downstream of the nozzle needle, would also be considered. A cylindrically variable mechanism, which must be very precisely adjustable in relation to a nozzle gap around the axially adjustable nozzle needle and would have to be implemented in a flow-relevant, very small and annular installation space, does not appear to have been implemented, at least from an economic point of view, in any technical environment suitable for series production and durable in contact with hydrogen.
setzung lösbar zu sein. to be solvable.
Mit Blick auf weitere Effekte im Brennstoffzellensystem wäre gerade im Teillastbereich eine hohe Pumpensaugleistung des Ejektors erforderlich, um eine Einschleppung von Feuchtigkeit in das Anodenabgas, die sich im dynamischen Teillastbetrieb noch verstärken kann, effektiv aus den Brennstoffzellen abzutransportieren. Demnach besteht Bedarf an neuartigen Ejektoren, die Abhilfe oder eine Verbesserung der Eigenschaften With regard to further effects in the fuel cell system, a high pump suction capacity of the ejector would be required, especially in the partial load range, in order to effectively remove moisture from the fuel cells in the anode exhaust gas, which can increase in dynamic partial load operation. Accordingly, there is a need for new types of ejectors that can remedy this or improve the properties
zu den genannten Problemen schaffen. to the problems mentioned.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Technik für einen Ejektor in einer Anodengasrezirkulation zu schaffen, die über einen breiten Lastbereich einer Brennstoffzellenanwendung eine hohe Effizienz des Ejektors in der Funktion als Umwälzpumpe zur Rezirkulation des Anodenabgases und frischen Brenngases erzielt. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Aufbau einer Treibdüse in einem Ejektor bereitzustellen, die bis in einen Betrieb der Brennstoffzellenanwendung bei geringer Teillast, d.h. bei einer geringen Strömungsrate des Primärfluidstrom, eine effiziente Strömungscharak-It is an object of the invention to create a technology for an ejector in an anode gas recirculation which achieves a high efficiency of the ejector in the function as a circulation pump for recirculating the anode exhaust gas and fresh fuel gas over a wide load range of a fuel cell application. It is a further object of the invention to provide a structure of a drive nozzle in an ejector which has an efficient flow characteristic up to operation of the fuel cell application at low partial load, i.e. at a low flow rate of the primary fluid flow.
teristik und einen hohen Wirkungsgrad als Strahlpumpe gewährleistet. terialistics and a high efficiency as a jet pump.
Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Ejektorvorrichtung mit den Merk-The above task is solved by an ejector device with the following features:
malen des Anspruchs 1. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich painting of claim 1. Further features and details of the invention will become apparent
aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. from the subclaims, the description and the drawings.
Die erfindungsgemäße Ejektorvorrichtung ist für eine Anodengasrezirkulation in einem Brennstoffzellensystem ausgelegt. Dazu weist die Ejektorvorrichtung einen Düsenabschnitt zum Zusammenführen eines primären Fluidstroms und eines sekundären Fluidstroms in der Anodengasrezirkulation auf. Der Düsenabschnitt umfasst einen Treibdüsenabschnitt zum Zuführen und Erhöhen einer Strömungsgeschwindigkeit des primären Fluidstroms. Der Düsenabschnitt umfasst ferner einen Saugdüsenabschnitt mit einem Düsenspalt, der in einem radial äußeren Bereich des Düsenabschnitts, um den Treibdüsenabschnitt herum angeordnet ist, zum Ansaugen und Zuführen des sekun-The ejector device according to the invention is designed for anode gas recirculation in a fuel cell system. For this purpose, the ejector device has a nozzle section for combining a primary fluid flow and a secondary fluid flow in the anode gas recirculation. The nozzle section comprises a drive nozzle section for supplying and increasing a flow rate of the primary fluid flow. The nozzle section further comprises a suction nozzle section with a nozzle gap, which is arranged in a radially outer region of the nozzle section, around the drive nozzle section, for sucking in and supplying the secondary fluid flow.
dären Fluidstroms. ary fluid flow.
Erfindungsgemäß weist der Treibdüsenabschnitt eine oder mehrere Treibdüsen auf, wobei alle Treibdüsen gemeinsam einen Gesamtöffnungsquerschnitt des Treibdüsenabschnitts bilden. Insbesondere weist der Treibdüsenabschnitt wenigstens ein Sperrelement mit einer Sperrfläche auf, das entlang eines Verstellweges verstellbar gelagert, an dem Düsenabschnitt angeordnet ist. Für ein verstellbares Begrenzen des Gesamtströmungsquerschnittes des Treibdüsenabschnittes mittels einer variablen Überschneidung der Sperrfläche mit einem Strömungsquerschnitt von wenigstens einer Treibdüse entlang des Verstellweges, ist wenigstens eine der Treibdüsen innerhalb des Verstellweges in Überschneidung mit der Sperrfläche des wenigstens einen Sper-According to the invention, the drive nozzle section has one or more drive nozzles, whereby all drive nozzles together form a total opening cross-section of the drive nozzle section. In particular, the drive nozzle section has at least one blocking element with a blocking surface, which is adjustably mounted along an adjustment path and is arranged on the nozzle section. For an adjustable limitation of the total flow cross-section of the drive nozzle section by means of a variable overlap of the blocking surface with a flow cross-section of at least one drive nozzle along the adjustment path, at least one of the drive nozzles is arranged within the adjustment path in overlap with the blocking surface of the at least one blocking element.
relementes angeordnet. relementes arranged.
Die Erfindung sieht somit erstmals einen variabel durchströmbaren Aufbau von meh-The invention thus provides for the first time a variable flow structure of several
reren Treibdüsen in einem Ejektor vor. several propulsion nozzles in an ejector.
Der erfindungsgemäße Aufbau stellt einen alternativen Lösungsweg zu der Anforderung an den technisch schwierig realisierbaren Ejektoraufbau mit einer variablen radialen Dimensionierung einer austrittsseitigen Düsenöffnung an einer mittels Düsennadel verstellbaren, herkömmlichen Treibdüse dar. Dabei legt der erfindungsgemäße Aufbau für die betreffende Anwendung einer Anodengasrezirkulation ein neues funktionales Prinzip zugrunde, welches die Funktion der gewünschte Varianz einer radia-The structure according to the invention represents an alternative solution to the requirement for the technically difficult to implement ejector structure with a variable radial dimensioning of an outlet-side nozzle opening on a conventional drive nozzle that can be adjusted by means of a nozzle needle. The structure according to the invention is based on a new functional principle for the relevant application of anode gas recirculation, which takes the function of the desired variance of a radial
len Dimensionierung der Düsenöffnung, durch eine variable Summe aus einer len dimensioning of the nozzle opening, by a variable sum of a
senöffnungen ersetzt. sen openings replaced.
Im Sinne der Erfindung wird eine Mehrzahl gleicher oder ggf. Auswahl verschiedener Treibdüsen bereitgestellt, die jeweils in Relation zu einer einzigen herkömmlichen, für einen Vollastbetrieb ausgelegten Treibdüse, kleiner dimensioniert sind. Durch Einstellung des Primärstroms durch z.B. eine Treibdüse oder wenige Treibdüsen aus der Mehrzahl von Treibdüsen oder ggf. durch eine kleinste Treibdüse aus der Auswahl von verschiedenen Treibdüsen, wird auch bei einer geringen Strömungsrate des Primärfluids, eine hohe Austrittsgeschwindigkeit aus einer entsprechend kleinen Düsenöff-In accordance with the invention, a plurality of identical or, if appropriate, a selection of different drive nozzles is provided, each of which is smaller in size than a single conventional drive nozzle designed for full-load operation. By adjusting the primary flow, for example, by one drive nozzle or a few drive nozzles from the plurality of drive nozzles or, if appropriate, by a smallest drive nozzle from the selection of different drive nozzles, a high exit speed from a correspondingly small nozzle opening is achieved even with a low flow rate of the primary fluid.
nung erzielt. achieved.
Diese Funktion wird trotz eines Ejektoraufbaus mit starrer radialer Dimensionierung der einzelnen Treibdüsen realisiert, womit der Aufbau eine robuste, langlebige Kon-This function is achieved despite an ejector structure with rigid radial dimensions of the individual jets, which makes the structure a robust, long-lasting construction.
struktion aufweist und günstig herstellbar ist. structure and is inexpensive to manufacture.
Wie eingangs beschrieben wurde herkömmlicherweise eine Varianz der Strömungsraten durch eine axiale Verstellung der Düsennadel realisiert, wobei sich eine Ausweitung von Grenzen eines auszulegenden Strömungskennfeldes an den festen radialen As described above, a variance of the flow rates was traditionally achieved by an axial adjustment of the nozzle needle, whereby an extension of the limits of a flow characteristic field to be designed was achieved at the fixed radial
Dimensionen der Strömungswege erschöpfte. dimensions of the flow paths exhausted.
In Abkehr von diesem Prinzip, sieht ferner die Erfindung durch den neuen Aufbau erstmals den Wegfall der nach herkömmlicher Technik erforderlichen, axial beweglichen Strömungsmengeneinstellung mittels einer Düsennadel vor. Dadurch wird das Problem einer gegenseitigen Beeinflussung zwischen einer mittels der Düsennadel eingestellten Strömungsrate einerseits, und einer von dem Durchmesser der Düsenöffnung abhängigen Strömungsgeschwindigkeit des Primärfluids andererseits, im Bereich der konstruktiven Schnittstelle des herkömmlichen Ringspaltes zwischen Düsennadel und In departure from this principle, the invention also provides for the first time through the new design the elimination of the axially movable flow rate adjustment by means of a nozzle needle, which is required according to conventional technology. This solves the problem of mutual influence between a flow rate adjusted by means of the nozzle needle on the one hand, and a flow speed of the primary fluid dependent on the diameter of the nozzle opening on the other hand, in the area of the structural interface of the conventional annular gap between the nozzle needle and
Düse, durch Wegfall desselben funktional entkoppelt. Nozzle, functionally decoupled by its removal.
Die erläuterten, erfindungsgemäßen Merkmale tragen effektiv zu der Zielsetzung bei, einen strömungseffizienten Ejektor bei geringer Strömungsrate oder geringem Lastbetrieb zu schaffen. Dabei setzen die Merkmale am wirksamsten an den geringsten Strömungsquerschnitten entlang der Strömungswege des Ejektors an, d.h. am Strömungsquerschnitt der Treibdüse, zur Erzielung einer Überschall-Geschwindigkeit im Primär-The described features of the invention effectively contribute to the objective of creating a flow-efficient ejector at low flow rates or low load operation. The features are most effective at the smallest flow cross-sections along the flow paths of the ejector, i.e. at the flow cross-section of the propellant nozzle, to achieve a supersonic speed in the primary
strom. electricity.
gesteigerten Effizienz des Brennstoffgasverbrauchs. increased efficiency of fuel gas consumption.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können alle Treibdüsen innerhalb des Verstellweges in Überschneidung mit der Sperrfläche von einem und demselben Sperrelement angeordnet sein, für ein verstellbares Begrenzen oder Verschließen des Gesamtströmungsquerschnittes des Treibdüsenabschnittes mittels variabler Überschneidung der Sperrfläche mit den Strömungsquerschnitten aller Treibdüsen entlang des Verstellweges. Dadurch wird ein Verstellbereich erheblich erweitert, von einer maximalen Durchströmung aller Treibdüsen bis hin zu einer Sperrung an allen Treibdü-According to an advantageous aspect of the invention, all the drive nozzles within the adjustment path can be arranged in overlap with the blocking surface of one and the same blocking element, for adjustable limitation or closure of the total flow cross-section of the drive nozzle section by means of variable overlap of the blocking surface with the flow cross-sections of all the drive nozzles along the adjustment path. This significantly expands the adjustment range, from a maximum flow through all the drive nozzles to a blocking at all the drive nozzles.
sen. sen.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann zu einer Seite der Sperrfläche eine stufenförmige Kontur an dem wenigstens einen Sperrelement ausgebildet sein, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Stufen der stufenförmigen Kontur im Wesentlichen einem Abstand zwischen benachbart angeordneten Treibdüsen entspricht, für ein stufenweises Begrenzen oder Verschließen von Strömungsquerschnitten der Treibdüsen. Dadurch wird beispielsweise eine Freigabe oder Sperrung einer Durchströmung einzelner Treibdüsen zur sequentiellen Verstellung einer ganzzahligen Anzahl von einzelnen Strömungsquerschnitten in der Summe des Gesamtströmungs-According to an advantageous aspect of the invention, a step-shaped contour can be formed on the at least one blocking element on one side of the blocking surface, wherein a distance between adjacent steps of the step-shaped contour essentially corresponds to a distance between adjacently arranged drive nozzles, for a step-by-step limitation or closure of flow cross-sections of the drive nozzles. This enables, for example, a release or blocking of a flow through individual drive nozzles for the sequential adjustment of an integer number of individual flow cross-sections in the sum of the total flow.
querschnitts erzielt. cross-section.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann zu einer Seite der Sperrfläche eine Kontur mit gradueller Steigung an dem wenigstens einen Sperrelement ausgebildet sein, für ein graduelles Begrenzen oder Verschließen von Strömungsquerschnitten der Treibdüsen. Somit wird eine kontinuierliche Verstellung des Gesamtströmungs-According to an advantageous aspect of the invention, a contour with a gradual gradient can be formed on one side of the blocking surface on the at least one blocking element for a gradual limitation or closure of flow cross sections of the propulsion nozzles. This enables a continuous adjustment of the overall flow
querschnitts über alle einzelnen Strömungsquerschnitte erzielt. cross-section across all individual flow cross-sections.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine Sperrelement stromaufwärts von den Treibdüsen an dem Düsenabschnitt angeordnet und mit According to an advantageous aspect of the invention, the at least one blocking element can be arranged upstream of the drive nozzles on the nozzle section and with
der Sperrfläche in einem Gleitkontakt mit Enden der Treibdüsen gelagert sein, für ein the locking surface in sliding contact with the ends of the propulsion nozzles, for a
düsen. jets.
Gemäß einem alternativen, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine Sperrelement stromabwärts von den Treibdüsen an dem Düsenabschnitt angeordnet und mit der Sperrfläche in einem Gleitkontakt mit Enden der Treibdüsen gelagert sein, für ein auslassseitiges Begrenzen oder Verschließen von Strömungsquer-According to an alternative, advantageous aspect of the invention, the at least one blocking element can be arranged downstream of the drive nozzles on the nozzle section and can be mounted with the blocking surface in sliding contact with ends of the drive nozzles for limiting or closing flow cross-sections on the outlet side.
schnitten der Treibdüsen. cuts of the propulsion nozzles.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Treibdüsen auf einer Linie zueinander benachbart angeordnet sein, und das wenigstens eine Sperrelement mittels einer Führung verschiebbar gelagert an dem Düsenabschnitt angeordnet sein, According to an advantageous aspect of the invention, the drive nozzles can be arranged adjacent to one another in a line, and the at least one blocking element can be arranged on the nozzle section so as to be displaceable by means of a guide,
für eine lineare Verstellbewegung des Sperrelementes in Bezug zu den Treibdüsen. for a linear adjustment movement of the locking element in relation to the drive nozzles.
Gemäß einem darauf aufbauenden, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann der Verstellweg in einem Winkel, insbesondere quer zu der Linie der benachbarten Treibdüsen verlaufend, ausgebildet sein. Somit kann eine besonders gleichmäßige Einstellung According to an advantageous aspect of the invention based on this, the adjustment path can be designed at an angle, in particular running transversely to the line of the adjacent drive nozzles. This allows a particularly uniform adjustment
über die einzelnen Düsen erfolgen. via the individual nozzles.
Gemäß einem alternativen, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine Sperrelement mittels eines Drehpunktes verschwenkbar gelagert an dem Düsenabschnitt angeordnet sein, für eine verschwenkende Verstellbewegung des Sperrele-According to an alternative, advantageous aspect of the invention, the at least one locking element can be arranged pivotably mounted on the nozzle section by means of a pivot point for a pivoting adjustment movement of the locking element.
mentes in Bezug zu den Treibdüsen. mentes in relation to the propulsion nozzles.
Gemäß einem alternativen, vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Treibdüsen konzentrisch zueinander angeordnet sein, und das wenigstens eine Sperrelement mittels eines konzentrischen Drehpunktes drehbar gelagert an dem Düsenabschnitt angeordnet sein, für eine drehende Verstellbewegung des Sperrelementes in Bezug zu According to an alternative, advantageous aspect of the invention, the drive nozzles can be arranged concentrically to one another, and the at least one locking element can be arranged rotatably mounted on the nozzle section by means of a concentric pivot point, for a rotating adjustment movement of the locking element in relation to
den Treibdüsen. the propulsion nozzles.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine Sperrelement mit einem Stellglied gekoppelt sein, für ein Einstellen des wenigstens einen Sper-According to an advantageous aspect of the invention, the at least one locking element can be coupled to an actuator for adjusting the at least one locking
relementes entlang des Verstellweges (S). relementes along the adjustment path (S).
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung können die Treibdüsen unterschiedliche Strömungsquerschnitte, insbesondere in einer Reihenfolge von benachbart an-According to an advantageous aspect of the invention, the drive nozzles can have different flow cross-sections, in particular in a sequence of adjacent
geordneten Treibdüsen zunehmende Strömungsquerschnitte, aufweisen. Somit ist arranged jet nozzles have increasing flow cross-sections. Thus,
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Primärfluides auf unterschiedliche Anwendungen und Spezifikationen möglich. Primary fluids can be adapted to different applications and specifications.
Die oben beschriebene Ausbildung und Anordnung der Anordnung der Abschnitte der Ejektorvorrichtung kann vorteilhaft zwar ohne eine weitere Veränderung einer Mischkammergeometrie auskommen, es kann allerdings auch von Vorteil sein, wenn ein Mischabschnitt vorgesehen ist, in den der Düsenabschnitt einmündet, zum Mischen The above-described design and arrangement of the sections of the ejector device can advantageously be achieved without any further change in the geometry of the mixing chamber, but it can also be advantageous if a mixing section is provided into which the nozzle section opens for mixing
des zugeführten primären Fluidstroms und des zugeführten sekundären Fluidstroms. the supplied primary fluid stream and the supplied secondary fluid stream.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann ein solcher Mischabschnitt ferner aufweisen: eine Mischkammer mit einem verringerten Strömungsquerschnitt innerhalb des Mischabschnitts, zum Impulsaustausch zwischen dem primären Fluidstrom und dem sekundären Fluidstrom, einen Diffusorabschnitt mit einem zunehmenden Strömungsquerschnitt, zur Diffusion des primären Fluidstroms und des sekundären Fluidstroms durch Verringerung von deren Strömungsgeschwindigkeiten, und / oder einen Vereinigungsabschnitt mit einem im Wesentlichen gleichbleibenden Strömungsquerschnitt, zum Vereinen des primären Fluidstroms und des sekundären Fluidstroms According to an advantageous aspect of the invention, such a mixing section can further comprise: a mixing chamber with a reduced flow cross-section within the mixing section, for the exchange of momentum between the primary fluid flow and the secondary fluid flow, a diffuser section with an increasing flow cross-section, for the diffusion of the primary fluid flow and the secondary fluid flow by reducing their flow velocities, and/or a merging section with a substantially constant flow cross-section, for merging the primary fluid flow and the secondary fluid flow
bei im Wesentlichen gleichbleibenden Strömungsgeschwindigkeiten. with essentially constant flow velocities.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann in dem Mischabschnitt ein schlauchförmiges, strömungsführendes Membranelement angeordnet sein, das in der Mischkammer eine flexible Umfangsfläche mit einem variablen Durchmesser bildet. Als weiterer effektiver Parameter einer variablen Ejektorgeometrie zur Erweiterung eines effizienten Betriebsbereichs mit Wirkung auf den Sekundärfluidstrom, erweist sich prinzipiell eine Verstellmöglichkeit eines Sträömungsdurchmessers in dem nachgelagerten Mischhabschnitt, insbesondere an dessen kleinstem Strömungsquerschnitt in According to an advantageous aspect of the invention, a tubular, flow-guiding membrane element can be arranged in the mixing section, which forms a flexible peripheral surface with a variable diameter in the mixing chamber. Another effective parameter of a variable ejector geometry for expanding an efficient operating range with an effect on the secondary fluid flow is, in principle, the possibility of adjusting a flow diameter in the downstream mixing section, in particular at its smallest flow cross section in
der Mischkammer. the mixing chamber.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann um das strömungsführende Membranelement herum ein ringförmiges, elastisches Element angeordnet sein, mittels dem das strömungsführende Membranelement flexibel gelagert an dem Mischab-According to an advantageous aspect of the invention, an annular, elastic element can be arranged around the flow-guiding membrane element, by means of which the flow-guiding membrane element is flexibly mounted on the mixing device.
schnitts angeordnet ist. section is arranged.
Gemäß einem weitergehenden, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann auch der Mischabschnitt mittels wenigstens eines strömungsführenden Elementes des According to a further advantageous aspect of the invention, the mixing section can also be controlled by means of at least one flow-guiding element of the
Mischabschnittes, das wenigstens in einem Bereich der Mischkammer quer zur Mixing section which, in at least one area of the mixing chamber, is transverse to the
Strömungsrichtung verstellbar gelagert angeordnet ist, wenigstens ein kleinster Strö-Flow direction is adjustable, at least a smallest flow
mungsquerschnitt in der Mischkammer in wenigstens einer radialen Abmessung vari-cross-section in the mixing chamber can be varied in at least one radial dimension.
abel eingerichtet sein. be set up correctly.
Gemäß einem darauf aufbauenden, vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann zumindest in Strömungsrichtung abschnittsweise, ein Profil des Mischabschnitts in zwei strömungsführende Elemente aufgeteilt sein, die zumindest an einer Lagerstelle durch eine lineare Führung und/oder durch eine zentrische Führung quer zur Strömungsrichtung verschiebbar gelagert sind. Diese Ausführungsform stellt eine Variante dar, bei der integrale Bestandteile eines Strömungskanals des Ejektors selbst im Sinne von zwei beweglichen Hälften eines geteilten Kanalprofils die Funktionalität der strömungs-According to an advantageous aspect of the invention based on this, a profile of the mixing section can be divided into two flow-guiding elements, at least in sections in the flow direction, which are mounted at least at one bearing point by a linear guide and/or by a centric guide so that they can be moved transversely to the flow direction. This embodiment represents a variant in which integral components of a flow channel of the ejector itself in the sense of two movable halves of a divided channel profile ensure the functionality of the flow-guiding elements.
führenden Elemente einnehmen. leading elements.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strömungsführende Element des Mischabschnitts mittels wenigstens eines elastischen Elements in der Mischkammer, dem Diffusorabschnitt und/oder in dem Vereinigungsabschnitt flexibel gelagert ist an dem Mischabschnitts angeordnet sein. Analog zu dem ringförmigen elastischen Element für das schlauchförmige Membranelement, wird so eine radiale Verstellung mittels elastischer Rückstellkraft bereitgestellt, die sich in Reaktion auf eine sekundärseitige sowie primärseitige Strömungsrate oder Fluiddruck According to an advantageous aspect of the invention, the at least one flow-guiding element of the mixing section can be arranged on the mixing section by means of at least one elastic element flexibly mounted in the mixing chamber, the diffuser section and/or in the merging section. Analogous to the ring-shaped elastic element for the tubular membrane element, a radial adjustment is thus provided by means of an elastic restoring force, which is in response to a secondary-side and primary-side flow rate or fluid pressure.
selbst reguliert. self-regulated.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann das wenigstens eine strömungsführende Element des Mischabschnitts zur Innenseite eine den Strömungsquerschnitt umschließende Dichtung aufweisen. Somit kann wiederum eine Integrität einer Innenfläche des strömungsführenden Elementes hergestellt oder im Bereich von des-According to an advantageous aspect of the invention, the at least one flow-guiding element of the mixing section can have a seal enclosing the flow cross-section towards the inside. In this way, an integrity of an inner surface of the flow-guiding element can be created or in the area of the
sen Lagerung verbessert werden. storage can be improved.
Gemäß einem vorteilhaften Aspekt der Erfindung kann sich eine Verstellung des strömungsführenden Membranelementes und/oder des wenigstens einen strömungsführenden Elementes des Mischabschnitts mittels eines Gleichgewichts zwischen einer vordefinierten elastischen Rückstellkraft und einem Gesamtdruck aus dem primären Fluidstrom und dem sekundären Fluidstrom, die durch den Mischabschnitt strömen, According to an advantageous aspect of the invention, an adjustment of the flow-guiding membrane element and/or of the at least one flow-guiding element of the mixing section can be achieved by means of a balance between a predefined elastic restoring force and a total pressure from the primary fluid flow and the secondary fluid flow flowing through the mixing section.
selbst regulieren. regulate themselves.
zuleiten. to forward.
Unter dem Begriff „strömungsführendes Membranelement“ oder „strömungsführendes Element“ definiert die vorliegende Offenbarung verschiedene Teile einer einen Fluidstrom umschließenden Struktur des Ejektors mit einer Fläche, insbesondere einer Innenfläche, die direkt oder indirekt z.B. mittelbar über eine dazwischen liegende Dichtungsschicht, zu der Fluidströmung exponiert sind und eine Richtung oder Umleitung des Fluidstroms durch die Form oder Ausrichtung der Fläche festlegen oder gezielt beeinflussen. Ferner umfasst die Definition von strömungsführenden Elementen nicht nur Elemente, die separat zu der den Fluidstrom umschließenden Struktur des Ejektors ausgebildet und an oder dieser angeordnet und gelagert sind, sondern ebenso Elemente, die selbst integraler Bestanteil der den Fluidstrom umschließenden Struktur Under the term "flow-guiding membrane element" or "flow-guiding element", the present disclosure defines various parts of a structure of the ejector that encloses a fluid flow and has a surface, in particular an inner surface, that is directly or indirectly exposed to the fluid flow, e.g. indirectly via a sealing layer lying between them, and that determine or specifically influence a direction or redirection of the fluid flow through the shape or orientation of the surface. Furthermore, the definition of flow-guiding elements includes not only elements that are formed separately from the structure of the ejector that encloses the fluid flow and are arranged and mounted on or in this structure, but also elements that are themselves an integral part of the structure that encloses the fluid flow.
des Ejektors sind, wie z.B. Teilstücke einer Kanalwand eines Strömungskanals. of the ejector, such as parts of a channel wall of a flow channel.
Unter dem Wortlaut „quer zur Strömungsrichtung verstellbar gelagert“ definiert die vorliegende Offenbarung eine Beweglichkeit von strömungsführenden Elementen, die sowohl in einer senkrechten Ebene zum Fluidstrom, z.B. eine diametrale oder frontale Bewegung aufeinander zu, eine zangenartige Bewegung mit einem Schwenkverlauf, eine Bewegung im Sinne einer verstellbaren Verschlussblende, oder ein radiales gleichmäßiges Dehnungsverhalten eines flexiblen Umfangs in einer senkrecht zum Fluidstrom gerichteten Ebene, als auch eine Beweglichkeit in einer Ebene, die lediglich in Bezug auf eine Achse senkrecht zum Fluidstrom ausgerichtet ist. Ferner umfasst die Definition Schwenk- oder Kippbewegungen sowie elastische Verformungen, deren Rotationsachse oder zentrale Achse eines Biegeradius der Verformung senkrecht zum Fluidstrom ausgerichtet ist. Als „verstellbar gelagert“ sind Lagerungen zwischen zwei Elementen zu verstehen, die eine Beweglichkeit lediglich eines Elements zu einem benachbarten ortsfesten Element, oder eine Beweglichkeit beider oder aller benachbarten Elemente gewähren, wie z.B. lineare oder gekrümmte Führungen, Aufhängungen mit einem oder mehreren Freiheitsgraden der Beweglichkeit, eine elastische Auf-Under the wording "mounted so as to be adjustable transverse to the flow direction", the present disclosure defines a mobility of flow-guiding elements that can be in a plane perpendicular to the fluid flow, e.g. a diametrical or frontal movement towards each other, a pincer-like movement with a swiveling course, a movement in the sense of an adjustable shutter, or a radial uniform expansion behavior of a flexible circumference in a plane perpendicular to the fluid flow, as well as a mobility in a plane that is only aligned with respect to an axis perpendicular to the fluid flow. The definition also includes swiveling or tilting movements as well as elastic deformations whose axis of rotation or central axis of a bending radius of the deformation is aligned perpendicular to the fluid flow. “Adjustable bearings” are understood to mean bearings between two elements which allow the movement of only one element relative to an adjacent stationary element, or the movement of both or all adjacent elements, such as linear or curved guides, suspensions with one or more degrees of freedom of movement, an elastic suspension.
hängung, elastische Lagerung oder eine elastische Anlenkung als Teil einer teils suspension, elastic bearing or an elastic linkage as part of a partially
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elastischen und teils geführten Lagerung. Die zueinander beweglich gelagerten Ele-elastic and partially guided bearings. The elements are movably mounted relative to each other
mente umfassen eine Beweglichkeit eines Elementes in sich, z.B. zwischen separaten elements include a mobility of an element within itself, e.g. between separate
Segmenten eines gegliederten Elementes oder zwischen kontinuierlich fortlaufenden Segments of a structured element or between continuously running
Segmenten eines flexiblen Elementes wie z.B. Windungen einer spiralförmigen Feder. Segments of a flexible element such as coils of a spiral spring.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, Ausfüh-Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description, in which, with reference to the drawings,
rungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch: Examples of implementation of the invention are described in detail. They show schematically:
Fig. 1 zwei schematische Längsschnitte in einer x-y Ebene und einer x-z Ebene durch in Strömungsrichtung zugeordnete Abschnitte eines Ejektors gemäß Fig. 1 two schematic longitudinal sections in an x-y plane and an x-z plane through sections of an ejector according to
einer Ausführungsform der Erfindung; an embodiment of the invention;
Fig. 2A einen schematischen Querschnitt in einer z-y Ebene durch einen Düsenabschnitt eines Ejektors mit einem stufenförmigen Sperrelement gemäß einer Fig. 2A is a schematic cross-section in a z-y plane through a nozzle section of an ejector with a step-shaped blocking element according to a
anderen Ausführungsform der Erfindung; another embodiment of the invention;
Fig. 2B einen schematischen Querschnitt in der z-y Ebene durch einen Düsenabschnitt eines Ejektors mit einem linearen Sperrelement gemäß einer ande-Fig. 2B is a schematic cross-section in the z-y plane through a nozzle section of an ejector with a linear blocking element according to another
ren Ausführungsform der Erfindung; embodiment of the invention;
Fig. 3 einen schematischen Längsschnitt in der x-y Ebene zur Darstellung des Ejektors mit einem schlauchförmigen, strömungsführenden Membranelementen, dessen Strömungsquerschnitt in der Mischkammer des Mischabschnitts flexibel verstellbar ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 is a schematic longitudinal section in the x-y plane showing the ejector with a tubular, flow-guiding membrane element, the flow cross-section of which is flexibly adjustable in the mixing chamber of the mixing section, according to a further embodiment of the invention;
Fig. 4 einen schematischer Längsschnitt in der x-y Ebene durch den Ejektor aus Fig. 3, der eine Krafteinwirkung auf das strömungsführende Membranele-Fig. 4 is a schematic longitudinal section in the x-y plane through the ejector from Fig. 3, showing a force acting on the flow-guiding membrane element.
ment zeigt; ment shows;
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt in der x-y Ebene zur Darstellung eines Profils des Mischabschnitts des Ejektors mit einem repräsentativen strömungsführenden Elementen, das über die gesamte Länge des Ejektors va-Fig. 5 is a schematic longitudinal section in the x-y plane showing a profile of the mixing section of the ejector with a representative flow-guiding element which is distributed over the entire length of the ejector.
riabel verstellbar ist, gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; is riably adjustable, according to a further embodiment of the invention;
Fig. 6 einen schematischen Querschnitt in der z-y Ebene des Mischabschnittes Fig. 6 a schematic cross-section in the z-y plane of the mixing section
des Ejektors aus Fig. 5 mit zwei strömungsführenden Elementen, gemäß of the ejector from Fig. 5 with two flow-guiding elements, according to
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; a further embodiment of the invention;
Fig. 7 einen schematischen Querschnitt in der z-y Ebene eines Mischabschnittes und von Strömungsquerschnitten, die sich aus einer Verstellung der strömungsführenden Elemente resultieren, gemäß einer weiteren Ausführungs-Fig. 7 shows a schematic cross-section in the z-y plane of a mixing section and of flow cross-sections resulting from an adjustment of the flow-guiding elements, according to a further embodiment.
form der Erfindung; und form of the invention; and
Fig. 8 einen schematischen Querschnitt in der z-y Ebene eines Mischabschnittes und von Strömungsquerschnitten, die sich aus einer Verstellung von alternativ geformten strömungsführenden Elemente resultieren, gemäß einer Fig. 8 is a schematic cross-section in the z-y plane of a mixing section and of flow cross-sections resulting from an adjustment of alternatively shaped flow-guiding elements, according to a
weiteren Ausführungsform der Erfindung. further embodiment of the invention.
Fig. 1 zeigt oben schematisch einen entlang der Mittelachse halbierten Längsschnitt einer Kontur einer Ejektorvorrichtung 100 in einer x-y Ebene und unten, in einer senktrechten Ansicht hierzu, den vollen Längsschnitt der Kontur der Ejektorvorrichtung 100 in einer x-z Ebene. Die Ejektorvorrichtung 100 dient einerseits zur Dosierung und Eindüsung von frischem Brennstoffgas in einer Anodengasrezirkulation als auch als Strahlpumpe zur Umwälzung des Gasvolumens in der Anodengasrezirkulation. Die Kontur lässt sich in x-Richtung sowie funktional übergeordnet in zwei Abschnitte, d.h. einen Düsenabschnitt 10 und einen Mischabschnitt 20, unterteilen. Ferner lässt sich die Kontur des Mischabschnitts 20 in der x-Richtung sowie funktional in weitere Unterabschnitte, d.h. eine Mischkammer 21, einen Diffusorabschnitt 22 und einen Vereinigungsabschnitt 23 unterteilen, deren radiale Abmessungen des Querschnitts in der y-Fig. 1 schematically shows a longitudinal section of a contour of an ejector device 100 in an x-y plane, halved along the central axis, at the top, and the full longitudinal section of the contour of the ejector device 100 in an x-z plane at the bottom, in a perpendicular view. The ejector device 100 serves both for metering and injecting fresh fuel gas in an anode gas recirculation and as a jet pump for circulating the gas volume in the anode gas recirculation. The contour can be divided in the x-direction and functionally into two sections, i.e. a nozzle section 10 and a mixing section 20. Furthermore, the contour of the mixing section 20 can be divided in the x-direction and functionally into further subsections, i.e. a mixing chamber 21, a diffuser section 22 and a merging section 23, the radial dimensions of the cross section in the y-
Richtung variieren, wie später weiter erläutert wird. direction, as explained later.
Der Düsenabschnitt 10 umfasst in einem radial zentralen Bereich einen Treibdüsenabschnitt 11 mit mehreren Treibdüsen 13, die parallel in einer Reihe in z-Richtung angeordnet sind, und deren Strömungsquerschnitte in Summe einen Gesamtströ-The nozzle section 10 comprises in a radially central region a drive nozzle section 11 with several drive nozzles 13, which are arranged parallel in a row in the z-direction and whose flow cross sections in total form a total flow
mungsquerschnitt des Treibdüsenabschnittes 11 bilden. cross-section of the drive nozzle section 11.
Aufgrund eines geringeren Strömungsquerschnitts der Treibdüsen 13 als in einem eingangsseitigen Teil des Treibdüsenabschnittes 11, wird ein eingeleiteter Primärfluidstrom beschleunigt, wobei zur Erlangung eines strömungsmechanischen Phäno-Due to a smaller flow cross-section of the drive nozzles 13 than in an inlet-side part of the drive nozzle section 11, an introduced primary fluid flow is accelerated, whereby in order to achieve a fluid mechanical phenomenon
mens für eine größtmögliche Effizienz der Ejektorvorrichtung 100, der Primärfluidstrom mens for maximum efficiency of the ejector device 100, the primary fluid flow
schwindigkeit des Primärfluids oberhalb der Schallgeschwindigkeit erzielen. velocity of the primary fluid above the speed of sound.
Die eine Gesamtströmungsrate des Brennstoffgases oder Primärfluidstroms durch einen Gesamtströmungsquerschnitt aller Treibdüsen 13 des Treibdüsenabschnittes 11 sowie indirekt auch eine Beschleunigung in Abhängigkeit des Strömungsquerschnittes, lässt sich durch eine variable Verstellung eines Sperrelementes 15 einstellen, das quer zur Strömungsrichtung entlang eines Verstellweges S verschoben wird. Mit einer den Treibdüsen13 zugewandten Sperrfläche 17 überdeckt das Sperrelement 15 die Strömungsquerschnitte der Treibdüsen 13, wobei eine teilweise oder vollständige Überschneidung der Strömungsquerschnitte und der Sperrfläche 17, und somit ein Durchfluss durch die einzelnen Treibdüsen 13 bei einer Verstellung des Sperrelemen-The total flow rate of the fuel gas or primary fluid flow through a total flow cross-section of all the drive nozzles 13 of the drive nozzle section 11 and indirectly also an acceleration depending on the flow cross-section can be set by a variable adjustment of a blocking element 15, which is moved transversely to the flow direction along an adjustment path S. With a blocking surface 17 facing the drive nozzles 13, the blocking element 15 covers the flow cross-sections of the drive nozzles 13, whereby a partial or complete overlap of the flow cross-sections and the blocking surface 17, and thus a flow through the individual drive nozzles 13 when the blocking element is adjusted.
tes 15 entlang eines Verstellweges S variabel begrenzt oder gesperrt wird. tes 15 is variably limited or locked along an adjustment path S.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausgestaltung verläuft der Verstellweg S entlang der Reihe der parallel angeordneten Treibdüsen 13, d.h. in z-Richtung der Darstellung, sodass diese in Reihenfolge nacheinander in Überschneidung mit der Sperrfläche 17 In the embodiment shown in Fig. 1, the adjustment path S runs along the row of parallel arranged propulsion nozzles 13, i.e. in the z-direction of the illustration, so that these are arranged in sequence one after the other in overlap with the blocking surface 17
gelangen und begrenzt oder gesperrt werden. and be restricted or blocked.
Die Figuren 2A und 2B zeigen in einer z-y Ebene andere Ausführungsformen, bei denen das Sperrelement 15 mittels einer Führung linear verstellbar an dem Treibdüsenabschnitt 11 des Düsenabschnitts 10 geführt ist, wobei der Verstellweg S quer zu der Reihe der parallel angeordneten Treibdüsen 13, d.h. in y-Richtung der Darstellung ausgerichtet ist. Somit gelangen an einer Position des Verstellweges S, je nach Ausgestaltung des Sperrelementes 15, mehrere Treibdüsen zeitgleich und ggf. in unterschiedlichem Maße in Überschneidung mit der Sperrfläche 17. Dabei unterscheiden sich die dargestellten Ausführungsformen durch eine Kontur 16 an einer Seite oder Figures 2A and 2B show other embodiments in a z-y plane, in which the blocking element 15 is guided by means of a guide in a linearly adjustable manner on the drive nozzle section 11 of the nozzle section 10, wherein the adjustment path S is aligned transversely to the row of parallel drive nozzles 13, i.e. in the y-direction of the illustration. Thus, at a position of the adjustment path S, depending on the design of the blocking element 15, several drive nozzles overlap with the blocking surface 17 at the same time and possibly to different degrees. The embodiments shown differ in that they have a contour 16 on one side or
Außenkante der zu den Treibdüsen 13 gewandten Sperrfläche 17. Outer edge of the blocking surface 17 facing the drive nozzles 13.
An der in Fig. 2A gezeigten Ausführungsform ist eine im Wesentlichen stufenförmige In the embodiment shown in Fig. 2A, a substantially step-shaped
Kontur 16A ausgebildet, deren Abstände zwischen den Stufen den Abständen Contour 16A is formed, the distances between the steps corresponding to the distances
zwischen den benachbarten Treibdüsen 13 entspricht. Somit ist eine stufenweise mo-between the adjacent jets 13. This allows a step-wise mo-
dulierte Überschneidung oder strömungsoptimierte Ausrichtung von Überschneidun-ulated overlap or flow-optimized alignment of overlaps
gen des Sperrelementes 15 und den Treibdüsen 13 entlang des Verstellweges S rea-of the locking element 15 and the drive nozzles 13 along the adjustment path S
lisierbar. izable.
An der in Fig. 2B gezeigten Ausführungsform ist eine im Wesentlichen linear ansteigende Kontur 16B ausgebildet, durch die je nach Steigung eine kontinuierliche Begrenzung allen oder an aufeinanderfolgenden Strömungsquerschnitten der benach-In the embodiment shown in Fig. 2B, a substantially linearly rising contour 16B is formed, which, depending on the gradient, provides a continuous limitation of all or successive flow cross sections of the adjacent
barten Treibdüsen 13 entlang des Verstellweges S bewirkt. bearded propulsion nozzles 13 along the adjustment path S.
Wie in den Figuren 3 und 4 in der x-y Ebene gezeigt ist, umfasst der Düsenabschnitt 10 ferner in einem radial äußeren Bereich eine Saugdüse 12 mit einem ringförmigen Düsenspalt 14, der einen abnehmenden Strömungsquerschnitt, um die freien Enden As shown in Figures 3 and 4 in the x-y plane, the nozzle section 10 further comprises in a radially outer region a suction nozzle 12 with an annular nozzle gap 14 having a decreasing flow cross-section around the free ends
der Treibdüsen 13 des Treibdüsenabschnitts 11 herum angeordnet, aufweist. the drive nozzles 13 of the drive nozzle section 11.
Durch einen Geschwindigkeitsunterschied zwischen der Strömungsgeschwindigkeit des beschleunigten Primärfluidstroms aus dem Treibdüsenabschnitt 11 und einer Strömungsgeschwindigkeit, insbesondere eingangsseitigen Rezirkulationsgeschwindigkeit des Sekundärfluidstroms, entsteht ein Unterdruckfeld, das zu einem Ansaugen des rezirkulierenden Anodenabgases, d.h. des Sekundärfluidstroms durch den ring-A difference in speed between the flow velocity of the accelerated primary fluid flow from the drive nozzle section 11 and a flow velocity, in particular the inlet-side recirculation velocity of the secondary fluid flow, creates a negative pressure field which leads to a suction of the recirculating anode exhaust gas, i.e. the secondary fluid flow through the ring-
förmigen Düsenspalt 14 der Saugdüse 12 führt. shaped nozzle gap 14 of the suction nozzle 12.
Eine erforderliche Differenz oder Überschuss der Strömungsraten zwischen dem Primärfluidstrom und dem Sekundärfluidstrom in dem Düsenabschnitt 10 bestimmt dabei die Dosierung von zugeführtem frischem Brennstoffgas in dem Anodenabgas. Eine Differenz der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen dem Primärfluidstrom und dem Sekundärfluidstrom in dem Düsenabschnitt 10 bestimmt eine Pumpenleistung nach dem Strahlpumpenprinzip zur Umwälzung des rezirkulierenden Anodenabgases, wobei eine Effizienz des Ejektors basierend auf einem strömungsmechanischen Phänomen maßgeblich davon abhängt, ob die Strömungsgeschwindigkeit des aus der Treib-A required difference or excess of the flow rates between the primary fluid flow and the secondary fluid flow in the nozzle section 10 determines the dosage of fresh fuel gas supplied in the anode exhaust gas. A difference in the flow rates between the primary fluid flow and the secondary fluid flow in the nozzle section 10 determines a pump output according to the jet pump principle for circulating the recirculating anode exhaust gas, wherein an efficiency of the ejector based on a fluid mechanical phenomenon depends significantly on whether the flow rate of the fuel gas from the propellant
düse 11 austretenden Primärfluidstroms mindestens Schallgeschwindigkeit erreicht. nozzle 11 exiting primary fluid stream reaches at least the speed of sound.
Wie in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigt ist, mündet der Düsenabschnitt 10 stromabwärts in den Mischabschnitt 20 ein. An den Düsenabschnitt 10 schließt sich zunächst in Form eines kurzen, annähernd zylindrischen Abschnitts eine Mischkammer 21 des Mischab-As shown in Fig. 3 and Fig. 4, the nozzle section 10 opens downstream into the mixing section 20. The nozzle section 10 is initially followed by a mixing chamber 21 of the mixing section in the form of a short, almost cylindrical section.
schnittes 20 an, welche in der y-Richtung der Darstellung den geringsten section 20, which has the smallest in the y-direction of the representation
dem Primärfluidstrom und dem Sekundärfluidstrom führt. the primary fluid flow and the secondary fluid flow.
An den Diffusorabschnitt 22 des Mischabschnittes 20 schließt sich in Strömungsrichtung ein Vereinigungsabschnitt 23 an, der mit einem im Wesentlichen gleichbleibenden Strömungsquerschnitt D23 ausgestaltet ist. In dem Vereinigungsabschnitt 23 schreitet eine in dem Diffusorabschnitt 22 eingeleitete Vergleichmäßigung der Strömung und Durchmischung fort, während die beiden Fluidströme in einem gemeinsamen Gasvolumen zum Austritt in die Anodenabgasrezirkulation vereint werden. Der Vereinigungsabschnitt 23 bildet somit einen ausgangsseitigen Teilabschnitt der Ejektorvorrichtung 100 mit moderaten Strömungsgeschwindigkeiten, um eine nicht weiter dargestellte The diffuser section 22 of the mixing section 20 is followed in the direction of flow by a merging section 23 which is designed with a substantially constant flow cross-section D23. In the merging section 23, a homogenization of the flow and mixing initiated in the diffuser section 22 continues, while the two fluid flows are combined in a common gas volume for exit into the anode exhaust gas recirculation. The merging section 23 thus forms an outlet-side section of the ejector device 100 with moderate flow velocities in order to achieve a flow rate not shown in more detail.
Umlenkung zu Eintritt in den Brennstoffstapel in verlustarmer Weise zu ermöglichen. To enable diversion to enter the fuel stack in a low-loss manner.
Fig. 3 zeigt ebenfalls die längs der Strömungsrichtung angeschnittene Kontur der Ejektorvorrichtung 100 in Bezug auf eine Ausführungsform, bei der innerhalb der Mischkammer 21 ein schlauchförmiges, strömungsführendes Membranelement 24 mit einer flexiblen Kontur vorgesehen ist. Das schlauchförmige strömungsführende Membranelement 24 stellt zusätzlich zu dem verstellbaren Treibdüsenabschnitt 11 auch eine radiale Verstellung des kleinsten Strömungsquerschnitts D21 des Mischabschnittes 20 bereit. Dadurch wird der Teillastbetrieb begünstigt, indem man für kleine Mengenströme das Geschwindigkeitsniveau in der Mischkammer 21 erhöht, und auch den Sekundärmassenstrom näher an den Primärmassenstrom aus der Treibdüse 13 bringt, Fig. 3 also shows the contour of the ejector device 100 cut along the flow direction in relation to an embodiment in which a tubular, flow-guiding membrane element 24 with a flexible contour is provided within the mixing chamber 21. In addition to the adjustable drive nozzle section 11, the tubular flow-guiding membrane element 24 also provides a radial adjustment of the smallest flow cross-section D21 of the mixing section 20. This promotes partial load operation by increasing the speed level in the mixing chamber 21 for small mass flows and also bringing the secondary mass flow closer to the primary mass flow from the drive nozzle 13.
um eine Energieübertragung zu begünstigen. to promote energy transfer.
Hierzu ist das Membranelement 24 mit einem nicht näher dargestellten ringförmigen, For this purpose, the membrane element 24 is provided with a not shown annular,
elastischen Element umgeben oder einem umgreifenden Stellglied gekoppelt. surrounded by an elastic element or coupled to an encompassing actuator.
ner elastischen Hülle oder gegen ein äußeres konstantes Luftpolster bewirken. an elastic shell or against an external constant air cushion.
Fig. 5 zeigt im Längsschnitt eine alternative Ausführungsform, welche eine gemeinsame Verstellung aller Strömungsquerschnitte des Mischabschnittes 20 einschließlich Dz21 und Ds, d.h. in einer radialen Abmessung über die gesamte Länge einer Innenkontur der Ejektorvorrichtung 100 gleichermaßen, bereitstellt. Diese erfolgt über wenigstens zwei als Hälften eines Injektorkörpers ausgebildeten, strömungsführenden Elementen 24A und 24B, 24C und 24D, oder 24E und 24F, die in der einen variablen radialen Abmessung linear zueinander verstellbar sind, wie im Zusammenhang mit Fig. 5 shows a longitudinal section of an alternative embodiment which provides a common adjustment of all flow cross sections of the mixing section 20 including Dz21 and Ds, i.e. in a radial dimension over the entire length of an inner contour of the ejector device 100. This is done via at least two flow-guiding elements 24A and 24B, 24C and 24D, or 24E and 24F, which are designed as halves of an injector body and which are linearly adjustable to one another in the one variable radial dimension, as in connection with
den nachfolgenden Figuren 6 bis 8 erläutert wird. as explained in the following figures 6 to 8.
Fig. 6 zeigt ein Profil des Mischabschnitts 20, das im Diffusorabschnitt 22 oder auch im Vereinigungsabschnitt 23 angeordnet sein kann. Dabei ist das Profil eines Strömungskanals in zwei Hälften, d.h. als zwei strömungsführenden Elemente 24A, 24B aufgeteilt, die durch Führungen 26, 27 zueinander verschiebbar gelagert sind. Zu illustrativen Zwecken möglicher Varianten von Führungen 26, 27 wurde dabei an den beiden Lagerstellen eine lineare Führung 26 einerseits und eine zentrische oder gekrümmte Lagerung 27 gewählt. Als Teil der Führungen 26, 27 ist ein elastisches Element 25 wie, z.B. eine Zugfeder oder eine mittels eines Führungsstifts beaufschlagte Druckfeder eingesetzt, deren Rückstellkraft einer strömungsbedingten Aufweitung des Fig. 6 shows a profile of the mixing section 20, which can be arranged in the diffuser section 22 or in the merging section 23. The profile of a flow channel is divided into two halves, i.e. as two flow-guiding elements 24A, 24B, which are mounted so that they can be moved relative to one another by guides 26, 27. For illustrative purposes of possible variants of guides 26, 27, a linear guide 26 on the one hand and a centric or curved bearing 27 were selected at the two bearing points. As part of the guides 26, 27, an elastic element 25 is used, such as a tension spring or a compression spring acted upon by a guide pin, the restoring force of which is responsible for a flow-related expansion of the
Strömungsquerschnitts entgegenwirkt. flow cross-section.
Zuständen der linearen Verstellung in einer radialen Abmessung aktiv umzuschalten. Actively switch between states of linear adjustment in a radial dimension.
Fig. 7 zeigt ein ähnliches Profil eines Strömungskanals des Mischabschnitts 20 aus Fig. 6, dessen Innenflächen der strömungsführenden Elemente 24C, 24D so gewählt sind, dass sich in einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems eine kreisrunde Kontur des Strömungsquerschnitts D21 in der Mischkammer 21 oder des Strömungsquerschnitts D23 in dem Vereinigungsabschnitt 23 ergibt. Nach einer Verstellung der strömungsführenden Elemente 24C, 24D im Vollastbetrieb des Brennstoffzellensys-Fig. 7 shows a similar profile of a flow channel of the mixing section 20 from Fig. 6, the inner surfaces of the flow-guiding elements 24C, 24D of which are selected such that a circular contour of the flow cross-section D21 in the mixing chamber 21 or the flow cross-section D23 in the merging section 23 results in a partial load operation of the fuel cell system. After an adjustment of the flow-guiding elements 24C, 24D in full load operation of the fuel cell system,
tems ergibt sich die Kontur eines Langlochs. tems results in the contour of a long hole.
Fig. 8 zeigt ein entsprechendes Profil des Strömungskanals des Mischabschnitts 20, dessen Innenflächen der strömungsführenden Elemente 24E, 24F alternativ als Kreisbögen mit größerem Radius gewählt sind. Dabei ergibt sich sowohl im Teillastbetrieb als auch nach einer Verstellung der strömungsführenden Elemente 24E, 24F im Vollastbetrieb des Brennstoffzellensystems eine zur Trennungsachse symmetrische Kontur des Strömungsquerschnitts D21 in der Mischkammer 21 oder des Strömungsquerschnitts Dz3 in dem Vereinigungsabschnitt 23, die im Vergleich zur Formgebung aus Fig. 7 ähnlicher einem Kreisquerschnitt kommt und damit eine größere Durchlassflä-Fig. 8 shows a corresponding profile of the flow channel of the mixing section 20, the inner surfaces of the flow-guiding elements 24E, 24F of which are alternatively selected as circular arcs with a larger radius. This results in a contour of the flow cross-section D21 in the mixing chamber 21 or the flow cross-section Dz3 in the merging section 23 that is symmetrical to the separation axis, both in partial load operation and after an adjustment of the flow-guiding elements 24E, 24F in full load operation of the fuel cell system, which, compared to the shape in Fig. 7, is more similar to a circular cross-section and thus has a larger passage area.
che bei ähnlich kompakten Außenabmessungen oder geringerem Verstellweg zulässt. che with similarly compact external dimensions or smaller adjustment range.
Eine radiale Verstellung der strömungsführenden Elemente 24A-F kann in einer beliebigen Richtung in der dargestellten Querschnittsebene, vorzugsweise wie in Fig. 8 dargestellt, in einer Richtung senkrecht in Bezug zu der Reihenanordnung der Treibdüsen 13, d.h. in Bezug zu der Konfiguration in den Figuren 2A und 2B in der y-Rich-A radial adjustment of the flow-guiding elements 24A-F can be carried out in any direction in the cross-sectional plane shown, preferably as shown in Fig. 8, in a direction perpendicular to the row arrangement of the drive nozzles 13, i.e. in relation to the configuration in Figures 2A and 2B in the y-direction.
tung erfolgen. tion.
Fig. 7 und Fig 8 sind auch mit einer einzelnen Treibdüse 13 ausführbar, mit dem ein-Fig. 7 and Fig 8 can also be designed with a single drive nozzle 13, with the single
geschränkten Vorteil einer geringeren Mischkammerdimension im Teillastbetrieb. limited advantage of a smaller mixing chamber dimension in partial load operation.
17737 17737
In einer alternativen, nicht weiter dargestellten Ausführungsform können zu den Figu-In an alternative embodiment not shown in detail, the figures
ren 1 bis 4 abweichende Anordnungen der Treibdüsen 13 und einer Form sowie La-ren 1 to 4 different arrangements of the driving nozzles 13 and a shape as well as la-
gerung des Sperrelementes 15 ausgestaltet sein. locking element 15.
Beispielsweise kann das Sperrelement 15 über einen Lagerung an einem Drehpunkt an dem Treibdüsenabschnitt oder dem Düsenabschnitt 10 schwenkbar befestigt sein, wodurch der Verstellweg S einen Kreisbogen beschreibt. Ferner können alternativ die Treibdüsen in mehreren Reihen und über- und untereinander sowie nebeneinander, versetzt, oder einer sonstigen beliebigen zweidimensionalen Anordnungen in Bezug For example, the locking element 15 can be pivotally attached to the drive nozzle section or the nozzle section 10 via a bearing at a pivot point, whereby the adjustment path S describes a circular arc. Furthermore, alternatively, the drive nozzles can be arranged in several rows and above and below each other as well as next to each other, offset, or in any other two-dimensional arrangement with respect to
zu einer Ebene der Sperrfläche 17 benachbart angeordnet sein. be arranged adjacent to a plane of the blocking surface 17.
Alternativ können eine Anordnung der Treibdüsen 13 sowie ein Drehpunkt zur Lagerung des Sperrelementes und dessen Verstellweg S konzentrisch zueinander ausge-Alternatively, an arrangement of the drive nozzles 13 as well as a pivot point for supporting the locking element and its adjustment path S can be arranged concentrically to each other.
richtet sein, ähnlich einer Konfiguration eines Revolvers. similar to a revolver configuration.
Alternativ können die Treibdüsen eine Auswahl verschiedener, insbesondere in einer Alternatively, the propulsion nozzles can be a selection of different, especially in a
benachbarten Reihenfolge zunehmender Strömungsquerschnitte aufweisen. adjacent sequence of increasing flow cross-sections.
Zudem können alternativ mehrere, insbesondere gemeinsam gekoppelte Sperrelemente 15 für die Mehrzahl von Treibdüsen 13 entlang eines gemeinsamen oder eines jeweiligen Verstellweges S bewegt werden. Zudem kann die Sperrfläche 17 des Sperrelementes 15 Öffnungen im Sinne einer Lochblende aufweisen, deren Durchmesser auf eine Freigabe oder Begrenzung von gleichen oder verschiedenen Strömungsquer-In addition, alternatively, several, in particular jointly coupled, blocking elements 15 for the plurality of drive nozzles 13 can be moved along a common or a respective adjustment path S. In addition, the blocking surface 17 of the blocking element 15 can have openings in the sense of a perforated diaphragm, the diameter of which can be adjusted to release or limit the same or different flow cross-sections.
schnitten der Treibdüsen 13 abgestimmt sind. sections of the drive nozzles 13.
Ergänzend wird angemerkt, dass sich der ringförmige Strömungsquerschnitt der dargestellten Saugdüse 12 verjüngt, wodurch die Strömungscharakteristik der Ejektorvorrichtung 100 begünstigt wird. Diese Ausgestaltung ist jedoch prinzipiell für das Funktionsprinzip einer Strahlpumpe nicht zwingend notwendig, sodass in einer alternativen Ausführungsform auch ein abnehmender Strömungsquerschnitt im Bereich der Saugdüse 12 und ein zunehmender Strömungsquerschnitt im Bereich des Diffusorabschnitts 22 unter Kompromissen der resultierende Strömungscharakteristik entfallen In addition, it is noted that the annular flow cross-section of the suction nozzle 12 shown tapers, which favors the flow characteristics of the ejector device 100. However, this design is not absolutely necessary for the functional principle of a jet pump, so that in an alternative embodiment, a decreasing flow cross-section in the area of the suction nozzle 12 and an increasing flow cross-section in the area of the diffuser section 22 are omitted with compromises in the resulting flow characteristics.
kann. can.
Die voranstehenden Erläuterungen der Ausführungsformen beschreiben die vorlie-The above explanations of the embodiments describe the present
gende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen invention exclusively within the framework of examples
Bezugszeichenliste List of reference symbols
10 Düsenabschnitt 10 Nozzle section
11 Treibdüsenabschnitt 11 Driving nozzle section
12 Saugdüse 12 Suction nozzle
13 Treibdüsen 13 propulsion nozzles
14 Düsenspalt 14 Nozzle gap
15 Sperrelement 15 Locking element
16 Kontur des Sperrelementes 16 Contour of the locking element
17 Sperrfläche des Sperrelementes 17 Locking surface of the locking element
20 Mischabschnitt 20 Mixing section
21 Mischkammer 21 Mixing chamber
22 Diffusorabschnitt 22 Diffuser section
23 Vereinigungsabschnitt 23 Unification Section
24 strömungsführendes Membranelement 24 flow-guiding membrane element
24A strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24B strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24C strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24D strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24E strömungsführendes Element des Mischabschnitts 24F strömungsführendes Element des Mischabschnitts 25 elastisches Element 24A flow-guiding element of the mixing section 24B flow-guiding element of the mixing section 24C flow-guiding element of the mixing section 24D flow-guiding element of the mixing section 24E flow-guiding element of the mixing section 24F flow-guiding element of the mixing section 25 elastic element
26 lineare Führung 26 linear guide
27 zentrisch gekrümmte Führung 27 centrically curved guide
100 Ejektorvorrichtung 100 Ejector device
D21 Strömungsquerschnitt in der Mischkammer D21 Flow cross section in the mixing chamber
Dz23 Strömungsquerschnitt im Vereinigungsabschnitt Dz23 Flow cross section in the merging section
Ss Verstellweg des Sperrelementes Ss Adjustment range of the locking element
Claims (23)
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Citations (2)
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2024
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Also Published As
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|---|---|
| AT526672B1 (en) | 2024-06-15 |
| DE102024106730A1 (en) | 2024-09-12 |
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