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SchleuderkammerzurtrennungphysikalischerGemische.
Die Erfindung betrifft eine Verbesserung von Schleuderkammern mit tangentialem Einlauf und zentraler Auslassöffnung zur Trennung physikalischer Gemische durch Einwirkung von Fliehkräften, durch welche deren Leistungsfähigkeit namentlich in bezug auf die Ausscheidung auch kleinster Teilchen gesteigert wird.
Bevor auf die nähere Kennzeichnung der Erfindung eingegangen wird, soll zunächst der Strömungs-und Scheidungsvorgang bei einer der bisher gebräuchlichen als "Zyklone" bezeichneten Schleuderkammer behandelt werden.
In den Fig. l und 2 der Zeichnung ist ein solcher Zyklon schematisch dargestellt. In der Schleuderkammer A wird dem zu trennenden Gemisch durch bekannte Mittel, z. B. durch tangentialen Zulauf bei I, eine Umlaufströmung mit hohem Geschwindigkeitsmoment K = (re. ve) aufgezwungen. Unter der Wirkung der Fliehkräfte streben die spezifisch schwereren Gemisehteilchen nach aussen an die Wand der Kammer A, wo sie nach unten sinken und gesammelt werden. Der mehr oder weniger gereinigte Gemischträger aber verlässt die Schleuderkammer meist durch eine zentrale Austrittsöffnung 0.
Die Erzeugung genügend hoher Fliehkräfte verlangt hohe Umfangsgeschwindigkeiten auf kleinen Halbmessern. Im Idealfall der reibungslosen Umlaufströmung nach dem Gesetz unveränderlichen Geschwindigkeitsmomentes müssten also. die nach der Achse zu gelegenen inneren Gebiete einer Schleuder- kammer die wirkungsvollsten sein. In einer idealen reibungslosen Flüssigkeit würde nämlich ein Gemischteilchen mit unveränderlichem Geschwindigkeitsmoment (r. vu = K) etwa die Bahn Bi zurücklegen (s. Fig. 2). Bei der Annäherung an die zentrale Austrittsöffnung der Schleuderkammer würde die Fliehkraft an einem auszuschleudernden Teilchen von der Masse"eins"entsprechend ( : r) = (K2 : r3) rasch wachsen.
Durch passende Wahl des Halbmessers ra der Austrittsöffnung 0 (Fig. 1) könnte also auch allerfeinsten Teilchen der Austritt durch die Öffnung 0 verwehrt werden.
Zu der idealen Umlaufströmung (r. =constant = K), d. h. zu dem Potentialwirbel, muss in der Schleuderkammer noch eine radiale Strömung, eine ,,Senkströmung" treten, um den Durchfluss aufrechtzuerhalten. Wenn dann die Flüssigkeit ohne Richtungsumkehr der achsialen Geschwindigkeitskomponente vom Einlaufquersehnitt zur Auslassöffnung durch die Schleuderkammer strömt, so bildet sie im hydrodynamischen Sinne eine Wirbelsenke". Die Erfindung geht dahin, die Auslassbedingungen aus der S hleuderkammer den Einlaufbedingungen so anzupassen, dass die Voraussetzungen einer idealen Wirbelsenke soweit wie möglich geschaffen werden.
Das Gesetz (r. Vu = constant) gilt aber selbst für reibungslose Flüssigkeit nur bis zu einem unteren kritischen Wert von r ; innerhalb eines Kerns vom Durchmesser Di = 2 ri folgt die Strömung nicht mehr diesem Gesetz. Es bildet sich ganz selbsttätig eine wirksame kreisringförmige Austrittsöffnung vom Aussendurchmesser 2ra und von der radialen Breite aus, wobei für ein bestimmtes ra der Kernhalbmesser ri in erster Linie vom Einlaufquerschnitt te und von dessen mittleren Achsenabstand re (vgl. Fig. 2) abhängt.
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Es ist bereits versucht worden, die Störung des Schleudervorganges im Kernraum der Schleuderkammer dadurch auszuschalten, dass der"flüssige"Kern vom Durchmesser/), durch einen festen" Kern vom gleichen oder annähernd gleichen Durchmesser ersetzt wird. Bei sehr hohen Anforderungen bezüglich der Reinheit des abziehenden Gemischträgers macht sich aber dabei die Reibung am feststehenden Kernmantel insofern störend bemerkbar, als sich um den Kernmantel eine Grenzschicht ausbildet, in der wieder die Umfangsgeschwindigkeit der abzuschleudernden Teilchen gegenüber dem Sollwert des idealen Vorganges stark abgebremst wird.
Hiezu kommt, dass infolge der unvermeidlichen Reibung und anderer Strömungsstörungen in der Schleuderkammer die tatsächliche Bahn B2 eines
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werdendem Halbmesser r bleibt das Geschwindigkeitsmoment (r. vu) und damit auch die Fliehkraft hinter dem Sollwert zurück. Die Folge davon ist, dass die inneren Gebiete der Sehleuderkammer A für die Ausscheidung mehr/) der weniger wirkungslos bleiben, und dass zahlreiche auszuscheidende Teilchen den Weg durch die Öffnung finden.
Gemäss der Erfindung wird zur Vermeidung dieser Nachteile die Schleuderkammer so ausgebildet, dass die Strömungsberandungen im Austrittsquerschnitt oder unmittelbar vor dem Austritts-
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Einerseits ist nämlich, z. B. vom Flettnerrotor her bekannt, dass sich in der Umgebung eines in eine Flüssigkeit getauchten, geraden, rasch umlaufenden Kreiszylinders, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, bald eine Umlaufströmung ausgebildet, die mit grosser Näherung dem Gesetz unveränderlichen Dralls der Bedingung (r. Vu = constant) folgt, wobei das auszunützende Strömungsgebiet axial zweckmässig noch durch Stirnscheiben E des umlaufenden Zylinders-begrenzt sein kann.
Von innen ausgehend, lässt sich aber anderseits auch noch auf eine zweite einfache Art eine Umlaufströmung schaffen, oder einer von aussen eingeleiteten Umlaufströmung zu Hilfe kommen. Es bilden sich nämlich auch vor einer festen Leitvorrichtung (wie in den Fig. 5 und 6 gezeigt) mit einer oder mehreren Leitzungen L zwischen festen Wänden W1 und W2 und mit einer zentralen Austritts- öffnung alsbald eine Umlaufströmung aus, u. zw. umso ausgeprägter, je flacher die Leitzungen an ihrem äusseren Ende S gegenüber dem Umfang angestellt sind, und je grösser die Eintrittsgeschwindigkeit in die Leitzellen ist.
Schon eine Schaufelstellung unter 300 zwischen Schaufelanfang und Umfang erzeugt in anfänglich radial zuströmender Umgebung bald eine nach aussen abklingende Umlaufströmung vor der Leitvorrichtung.
Wird aber die Flüssigkeit schon mit einem anfänglichen Geschwindigkeitsmoment K = (re. ve) vom Einlass 1 aus durch einen Querschnitt von der Grösse te auf dem mittleren Abstand re von der Achse in die Kammer A eingeführt, so wird diese Umlaufströmung vom Kerngebiet her wirksam unterstützt, wenn die tatsächliche Eintrittsöffnung aller Leitkanäle, also die Summe aller ao. bo, (s. Fig : 5 und 6), kleiner als etwa : re) ist.
Es sind Fliehkraftreiniger bekannt, die vor dem zentralen Ausführungsrohr eine Leitvorrichtung mit Leitschaufeln aufweisen. Im völligen Gegensatz zu der Erfindung, bei der die Ausbildung der Leitzungen der Rückwirkung in die Strömung von innen nach aussen, d. h. der Erzeugung einer Umlaufströmung vor der Leitvorrichtung, angepasst ist, liegt die Aufgabe dieser bekannten Leitvorrichtungen im Sinne der Strömung zur Austrittsöffnung hin. Sie sollen die vor dem Austritt ankommende Bewegungsenergie zum Teil wieder in. Druckenergie umsetzen, vor allem eine noch vorhandene Umlaufströmung in eine rein axiale Strömung im Abführungsrohr überführen, also eine Umlaufströmung hinter der Leitvorrichtung verhindern.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen schematisch zwei beispielsweise Ausführungsformen von Fliehkraftreinigern, in denen die von aussen eingeleitete Umlaufströmung von innen her unterstützt wird. Die Fig. 7 ist ein Längsschnitt durch eine Vorrichtung, in der diese Auffrischung von innen her durch einen umlaufenden Strömungskern J mit aufgesetzter Stirnscheibe E erfolgt. Bei weniger hohen An-
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forderungen kann an Stelle der umlaufenden Scheibe auch eine mit dem Gehäuse festverbundene Wand treten. Der Antrieb des Kernes J erfolgt in Fig. 7 von aussen, z. B. mit einem Riemenantrieb R. Der Antrieb kann aber auch beispielsweise durch ein Turbinenschaufelrad erfolgen, das auf dem Kern J sitzend etwa das Druckgefälle zwischen der Schleuderkammer A und der Austrittskammer Al ausnützt.
Die Fig. 8 und 9 zeigen im Längsschnitt und Querschnitt eine Vorrichtung mit einer der Austrittsöffnung aus der Schleuderkammer A vorgeschalteten Leitvorrichtung mit zwei flach gegen den Umfang angestellten Leitzungen L.
Die Wirkungsweise dieser Fliehkraftreiniger ist nun folgende : Unter der Wirkung eines auf beliebige Art erzeugten Druckunterschiedes zwischen Einlassstutzen I und Auslassstutzen 11, z. B. also unter der Wirkung eines auf J sitzenden Lüfterschaufelrades, strömt das zu trennende Gemisch in die Schleuderkammer A Soweit die Fliehkräfte in den äusseren Gebieten der Kammer A ausreichen, werden die spezifisch schwereren Gemischteilchen an die Wand der Kammer A streben und dort absinken, um im Stutzen D gesammelt und von hier abgezogen zu werden.
Besonders kleinen und leichten Teilchen aber gelingt der radiale Ausweg in die Randzone der Kammer A nicht. Sie werden vielmehr von der Strömung in die inneren Zonen gegen die Öffnung 0 hin mitgeschleppt. Sie gelangen aber hier in den Bereich der von innen her aufgepeitschten Umlaufströmung, d. h. zunehmender Fliehkräfte und schliesslich auf einen Parallelkreis, über den sie radial nicht weiter nach innen vordringen können. Sie sinken also ebenfalls allmählich nach unten, d. h. es werden in den beschriebenen Vorrichtungen dank der von innen her erfolgten Unterstützung der von aussen eingeleiteten Umlaufströmung insbesondere auch die inneren Gebiete der Sehleuderkammer A zur Ausscheidung herangezogen.
Es gelingt die Ausscheidung auch allerfeinster Teilchen, der Ausscheidungsgrad wird verbessert.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Schleuderkammer zur Trennung physikalischer Gemische durch die Einwirkung von Fliehkräften mit tangentialem Einlauf und zentraler Auslassöffnung, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsberandungen im Austrittsquerschnitt oder unmittelbar vor dem Austrittsquerschnitt der Umlaufströmung (r. Vu = constant) der idealen Wirbelsenkströmung angepasst sind.
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Centrifugal chamber for the separation of physical mixtures.
The invention relates to an improvement of centrifugal chambers with tangential inlet and central outlet opening for the separation of physical mixtures by the action of centrifugal forces, through which their efficiency is increased, in particular with regard to the separation of even the smallest particles.
Before going into the more detailed characterization of the invention, the flow and separation process in one of the hitherto customary centrifugal chambers referred to as "cyclones" will first be dealt with.
Such a cyclone is shown schematically in FIGS. 1 and 2 of the drawing. In the centrifugal chamber A is the mixture to be separated by known means, e.g. B. by tangential inflow at I, a circulating flow with high velocity moment K = (re. Ve) forced. Under the effect of centrifugal forces, the specifically heavier vegetable particles strive outwards to the wall of chamber A, where they sink down and are collected. The more or less purified mixture carrier, however, usually leaves the centrifugal chamber through a central outlet opening 0.
The generation of sufficiently high centrifugal forces requires high circumferential speeds on small radii. In the ideal case of a smooth circulating flow according to the law of unchangeable speed torque, the inner regions of a centrifugal chamber, which are situated along the axis, are the most effective. In an ideal, frictionless fluid, a mixture particle with an unchangeable moment of velocity (r. Vu = K) would travel approximately the path Bi (see FIG. 2). When approaching the central outlet opening of the centrifugal chamber, the centrifugal force on an ejected particle of mass "one" would grow rapidly according to (: r) = (K2: r3).
By a suitable choice of the radius ra of the outlet opening 0 (FIG. 1), even the finest particles could be prevented from exiting through the opening 0.
To the ideal circulating flow (r. = Constant = K), i.e. H. In addition to the potential vortex, a radial flow, a "sinking flow", has to occur in the centrifugal chamber in order to maintain the flow Vertebral depression ". The aim of the invention is to adapt the outlet conditions from the centrifugal chamber to the inlet conditions in such a way that the conditions for an ideal vertebral depression are created as far as possible.
The law (r. Vu = constant) applies even for frictionless fluids only up to a lower critical value of r; within a core of diameter Di = 2 ri the flow no longer follows this law. An effective circular outlet opening of the outer diameter 2ra and the radial width forms automatically, with the core radius ri primarily depending on the inlet cross-section te and on its mean axis distance re (see FIG. 2) for a specific ra.
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Attempts have already been made to eliminate the disruption of the centrifugal process in the core space of the centrifugal chamber by replacing the "liquid" core of diameter /) with a solid core of the same or approximately the same diameter As the mixture carrier is withdrawn, the friction on the stationary core jacket is noticeable in so far as a boundary layer is formed around the core jacket in which the peripheral speed of the particles to be thrown off is again strongly decelerated compared to the nominal value of the ideal process.
In addition, as a result of the inevitable friction and other flow disturbances in the centrifugal chamber, the actual path B2 of a
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As the radius r increases, the speed torque (r. vu) and thus also the centrifugal force remain behind the nominal value. The consequence of this is that the inner areas of the Sehleuderkammer A remain more /) ineffective for the elimination, and that numerous particles to be eliminated find their way through the opening.
According to the invention, in order to avoid these disadvantages, the centrifugal chamber is designed in such a way that the flow boundaries in the outlet cross-section or immediately before the outlet
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On the one hand is namely, z. For example, it is known from the Flettner rotor that in the vicinity of a straight, rapidly rotating circular cylinder immersed in a liquid, as shown in FIGS. 3 and 4, a circulating flow soon develops which, with a close approximation, follows the law of unchangeable swirl of the condition ( r. Vu = constant) follows, whereby the flow area to be used can expediently be axially limited by end disks E of the rotating cylinder.
On the other hand, starting from the inside, a circulating flow can also be created in a second simple way, or a circulating flow introduced from outside can be assisted. This is because a circulating flow soon forms in front of a fixed guide device (as shown in FIGS. 5 and 6) with one or more guide tongues L between fixed walls W1 and W2 and with a central outlet opening, and the like. the more pronounced, the flatter the guide tongues are made at their outer end S in relation to the circumference, and the greater the speed of entry into the guide cells.
Even a blade position below 300 between the beginning of the blade and the circumference soon creates a circulating flow in front of the guide device that decays outwards in an initially radially inflowing environment.
If, however, the liquid is introduced into chamber A at an initial velocity K = (re. Ve) from inlet 1 through a cross section of size te at a mean distance re from the axis, this circulating flow is effectively supported from the core area , if the actual inlet opening of all guide channels, i.e. the sum of all ao. bo, (see Fig: 5 and 6), smaller than about: re).
Centrifugal cleaners are known which have a guide device with guide vanes in front of the central execution pipe. In complete contrast to the invention, in which the formation of the guide tongues of the reaction in the flow from the inside to the outside, i. H. the generation of a circulating flow in front of the guide device is adapted, the task of these known guide devices is in the sense of the flow towards the outlet opening. They are intended to convert part of the kinetic energy arriving before the exit back into pressure energy, above all to convert a circulating flow that is still present into a purely axial flow in the discharge pipe, i.e. to prevent a circulating flow behind the guide device.
7 to 9 show schematically two exemplary embodiments of centrifugal cleaners in which the circulating flow introduced from the outside is supported from the inside. FIG. 7 is a longitudinal section through a device in which this refreshment takes place from the inside through a circumferential flow core J with an end disk E attached. With less high
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A wall firmly connected to the housing can take the place of the rotating pane. The drive of the core J takes place in Fig. 7 from the outside, for. B. with a belt drive R. However, the drive can also take place, for example, by a turbine blade wheel which, sitting on the core J, uses approximately the pressure gradient between the centrifugal chamber A and the outlet chamber A1.
8 and 9 show in longitudinal section and cross-section a device with a guide device connected upstream of the outlet opening from the centrifugal chamber A with two guide tongues L positioned flat against the circumference.
The mode of action of this centrifugal cleaner is as follows: Under the action of a pressure difference generated in any way between inlet port I and outlet port 11, e.g. B. So under the action of a fan impeller seated on J, the mixture to be separated flows into the centrifugal chamber A As far as the centrifugal forces in the outer areas of chamber A are sufficient, the specifically heavier mixture particles will strive to the wall of chamber A and sink there around to be collected in the nozzle D and withdrawn from here.
Particularly small and light particles, however, fail to find the radial way out into the edge zone of chamber A. Rather, they are dragged along by the flow in the inner zones towards opening 0. But here you get into the area of the circulating flow whipped up from the inside, i.e. H. increasing centrifugal forces and finally to a parallel circle over which they cannot penetrate radially further inward. So they also gradually sink down, i.e. H. In the described devices, thanks to the support provided from the inside by the circulating flow introduced from the outside, the inner areas of the Sehleuderkammer A in particular are also used for separation.
Even the finest particles are eliminated and the degree of elimination is improved.
PATENT CLAIMS:
1. Centrifugal chamber for separating physical mixtures through the action of centrifugal forces with tangential inlet and central outlet opening, characterized in that the flow boundaries in the outlet cross-section or immediately before the outlet cross-section of the circulating flow (r.Vu = constant) are adapted to the ideal vortex flow.
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