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Verfahren zur Erzeugung trombenartiger Drehströmungen und Anwendung der in diesen Strömungen wirksamen Relativkräfte zur Trennung von Medien, beispielsweise zur Staub- abscheidung
Trombenartige Drehströmungen sind an sich bekannt, sie treten bisweilen von selbst in der Natur auf und entwickeln Kräfte von ungeheuerer Heftigkeit. Diese Kräfte, im folgenden Relativkräfte benannt, sinnvoll für technische Zwecke anzuwenden, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Unter einer Trombe oder einem Tornado wird allgemein ein heftiger Wirbelsturm verstanden, der sich bei stark instabiler Schichtung (Gewitterlagen) bildet, wobei aus der unteren Seite der Gewitterwolke ein rüsselartiger Wolkenschlauch bis in Bodennähe herabreicht, dessen drehende Bewegung sich auf der Erdoberfläche als Windhose, Sandhose, über See als Wasserhose auswirkt. Der in einer solchen Trombe sich bildende Wirbel, der Durchmesser von 400 m und mehr annehmen kann, weist im Inneren eine starke Druckabnahme auf. Aus Luftdruckmessungen geht hervor, dass der Druck mit steigender Annäherung an das Zentrum der Trombe immer schneller abfällt und im Zentrum sein Minimum erreicht.
Wie die Beobachtungen zeigen, herrschen im Zentrum einer Trombe trotz direkter Sonneneinstrahlung sehr niedrige Temperaturen. Kompressions-und Expansionsvorgänge, Aufwärmung undAbkühlung sind kennzeichnende Merkmale der in einer Trombe auftretenden Strömungen. Ein derartiger Wirbel ist in der Lage, schwere Gegenstände in die Luft zu schleudern und sie kilometerweit fortzutragen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von solchen trombenartigen Drehströmungen bzw. die nutzbare Anwendung der in diesen Strömungen auftretenden Relativkräfte zur Trennung von Medien verschiedener Massenträgheit, beispielsweise zur Staubabscheidung und besteht darin, dass man primär eine der Strömungsrichtung der Medien entgegengerichtete Potentialströmung erregt, z. B. durch schrägtangentiales Eindüsen eines Zweitmediums, beispielsweise Zweitluft, entgegen der Strömungrichtung der Medien oder durch Rührvorrichtungen, die sich in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung der Medien drehen, und dass man diese Potentialströmung durch die Anordnung eines rauhen Grundes, der z.
B. ein Strömungsprofil sein kann, dessen Symmetrieachse in Strömungsrichtung der Medien liegt, dazu veranlasst, eine koaxiale und gleichsinnig umlaufende Rotationsströmung im Inneren der Potentialströmung auszubilden, so dass das spezifisch schwerere Medium, z. B. Staub, der Wirkung der an dieser trombenartigen Drehströmung auftretenden Relativkräfte ausgesetzt ist, welche das spezifisch schwerere Medium in einer Mischzone innerhalb der Drehströmung zusammenführt, von wo das spezifisch schwerere Medium durch Ablenken eines Teiles der Potentialströmung an einer Stelle knapp vor dem Übergang der Potentialströmung in die Rotationsströmung ausgetragen werden kann.
Vorteilhaft wird die primär angeregte Potentialströmung durch eine an sich bekannte Staupunktströmung zur Ausblidung der in ihrem Inneren gleichsinnig umlaufenden Rotationsströmung veranlasst, so dass die erwähnte Staupunktströmung die Funktion eines rauhen Grundes ausübt. Schliesslich ist es vorteilhaft, dass die Erregung der primären Potentialströmung durch einen die Rohgasströmung umschliessenden und zu diesem rotationssymmetrischen sich drehenden Hohlzylinder oder Teile eines solchen vorgenommen wird. Zur Verbesserung des Strömungsverlaufes kann eine Grenzschichtabsaugung und Grenzschichtabdrückung in dem Eintrittsrohr des Mediums in geeigneten Düsenformen, z. B. Flachdüsen od. dgl., vorgenommen werden.
Wie Messungen ergeben haben, herrschen im Inneren der nach diesem Verfahren angeregten Strömung ähnliche Druck- und Temperaturverhältnisse wie in einer Trombe, d. h. sehr niedrige Temperaturen und geringe Drücke. Der Übergang von der Potential-in die Rotationsströmung vollzieht sich in Form einer Wirbelsenke, der Übergang von der Rotationsströmung in die Potentialströmung in Form einer Wirbelquelle, so dass diese Drehströmung alle wesentlichen Kennzeichen der in einer Trombe auftretenden Strömungen besitzt. Der hohe Wirkungsgrad des Verfahrens nach der Erfindung bei geringem Energieaufwand ist eine Folge der in dieser Strömung entstehenden Relativkräfte bzw.
Coriolisbeschleunigungen, die dem etwa fünffachen Betrag der Fliehkräfte entsprechen, damit also erheblich grösser sind als die in den bisher bekannten Fliehkraftabscheidern auftretenden Zentrifugalkräfte.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit nicht die Ausnützung der Fliehkraft zu Grunde, sondern es werden erstmalig die um vieles stärkeren Kräfte, die in trombenartigen Drehströmungen wirksam sind, technisch nutzbar gemacht.
An Hand der Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden. Die Figuren zeigen Ausführungs- beispiele der Erfindung in schematischer Darstellung.
Fig. 1 zeigt zunächst nur eine auf einer etwa kreisförmigen Bahn umlaufende Potentialströmung 1, die mit Hilfe einer Zweitlufteinblasung 2 angeregt und mit Hilfe eines sogenannten rauhen Grundes 3 über eine Wirbelsenke in eine zur Potentialströmung koaxiale und gleichsinnig umlaufende Rotationsströmung 4 überführt wird. Die Rotationsströmung 4 läuft über eine Wirbelquelle in die Potentialströmung 1 zurück.
Dabei wird unter einer Potentialströmung eine Strömung verstanden, in welcher die Teilchen keiner inneren Reibung ausgesetzt sind und sich infolgedessen nicht um ihre eigene Achse drehen. In der
Rotationsströmung drehen sich die Teilchen um ihre eigene Achse. Die Potentialströmung stellt eine
Zone hohen, die Rotationsströmung eine Zone niedrigen Druckes dar.
Eine derartig angeregte Strömung wird im folgenden kurz als "Drehströmung" bezeichnet.
In der Fig. 2 sind für gleiche Teile wie in Fig. 1 dieselben Bezugszeichen verwendet. Zwischen der
Potentialströmung 1 und der Rotationsströmung 4 befindet sich die aus einer Wirbelquelle bestehende, durch eine strichpunktierte Linie angedeutete Mischzone 5. In dieser Mischzone treten infolge von
Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen Potential-und Rotationsströmung Relativkräfte bzw. Coriolis- beschleunigungen auf, die das spezifisch schwerere Medium, so weit es sich in der Potentialströmung 1 befindet, radial nach innen, so weit es sich in der Rotationsströmung 4 befindet, radial nach aussen der
Mischzone 5 zuführen. Die in der Mischzone 5 zusammengeführten Teilchen, z. B. Staub, bilden einen sichtbaren Staubring.
Die Strömung in der Mischzone verläuft etwa folgendermassen :
Von der Rotationsströmung 4 spaltet sich am Punkt 6 ein Strömungsast7 ab (Wirbelquelle), der auf einer spiralförmigen Bahn mit sich vergrösserndem Durchmesser zunächst in Richtung der Rotationsströmung 4 verläuft. Dieser Strömungsast 7 läuft entsprechend der Bahn 8 in Richtung der Potentialströmung 1 etwa bei 6 wieder in die Rotationsströmung 4 hinein. Die Mischzone 5 besitzt etwa die Gestalt eines Hohlkegels, aus welchem sich Staubwendeln 9 abspalten, in denen das spezifisch schwerere Medium aus der
Drehströmung heraus nach aussen transportiert und abgeführt wird.
Die Fig. 3 deutet durch eine gestrichelte Linie die Lage der Mischzone 16 in einem Staubabscheider 11 an. Der Rohgasstrom 13 tritt über das Rohgaseintrittsrohr 12 in den Staubabscheider 11 ein. Mit Hilfe der über die Düse A angeregten Drehströmung (der Übersichtlichkeit wegen hier nicht dargestellt) bildet sich die Mischzone 16. Die spezifisch schwereren Teilchen strömen aus der äusseren Potentialströmung entsprechend den Pfeilen 14, aus der Rotationsströmung entsprechend den Pfeilen 15, in die Mischzone 16 ein. Die Pfeile 17 a deuten die Wirbelsenke am Übergang von der Potentialströmung in die Rotationsströmung, die Pfeile 17 b die Wirbelquelle an, aus der die Mischströmung 16 entsteht.
Teile der Mischzone 16 werden als Staubwendeln nach Art eines Schälvorganges abgespalten und entsprechend den Pfeilen 18 in Abwärtsrichtung abgeführt. Diese Staubwendeln können durch die Staubabführleitung 19 aus dem Abscheider abgesaugt werden.
Der rauhe Grund wird einerseits durch dasAustrittsendeB des Rohgaseintrittsrohres 12, anderseits durch eine Staupunktströmung gebildet, die durch den Stau zwischen dem Rohgasstrom 13 und der Potentialströmung entsteht. Zur Erzielung eines breiteren rauhen Grundes ist das Rohgaseintrittsrohr 12 an seinem Ende B erweitert.
Die Fig. 4 zeigt einen Rauchgasentstauber 20 mit einem Rauchgaseintrittsrohr 21 und Zweitluftdüsen 22. In dem Rauchgaseintrittsrohr 21 können hier nicht dargestellte Leitschaufeln vorgesehen sein, die dem Rauchgasstrom einen Vordrall aufzwingen. Die Zweitluft wird tangential und entgegen der Richtung des Rauchgasstromes in den Abscheider 20 eingeblasen. Auf diese Weise entsteht eine dem Rauchgasstrom entgegengerichtete primäre äussere Potentialströmung 23, die über einem rauhen Grund 21 a etwa an der Stelle 25 in eine Rotationsströmung 24 überführt wird. Etwa am Punkt 26 spaltet sich ein weiterer Strömungsast 27 ab, der zunächst mit sich vergrösserndem Bahndurchmesser in Richtung der Rotationsströmung 24, anschliessend aber entsprechen der Bahn 28 mit sich verkleinerndem Bahndurchmesser entgegen der Richtung dieser Rotationsströmung verläuft.
Die Wendeln 27 und 28 bilden die Mischzone. Die aus der Mischzone abgeschälten Staubwendeln werden mit Hilfe des Astes 29 der Potentialströmung 23 aus dem Staubabscheider 20 abgeführt.
Die Fig. 5 zeigt einen Staubabscheider, bei dem durch Erzeugung zweier spiegelbildlicher Drehströmungen eine Hintereinanderschaltung, z. B. in Stufen, und damit eine wesentliche Verbesserung der Gesamtwirkung des Verfahrens nach der Erfindung erzielt werden kann. Die Potentialströmung 46 wird durch Zweitlufteinblasung mit Hilfe der Düsen 40 angeregt. Die Zweitluft wird schrägtangential entgegen der Richtung des Rohgasstromes 42 eingeblasen. Die Figur zeigt zwei gespiegelte Mischzonenpaare 43 und 44, die jeweils einen gemeinsamen rauhen Grund 45 besitzen. Die aus dem oberen Mischzonenpaar abgeschälten Staubwendeln 48 a werden von der Potentialströmung 46 an der Stelle 47 a aufgenommen und mit den aus dem unteren Mischzonenpaar abgeschälten Staubwendeln 48 b bei 47 b zusammengeführt. Die staubführenden Wendeln verlassen den Abscheider auf der Bahn 49.
Zwischen dem oberen und unteren Mischzonenpaar 43/44 befindet sich ein Drahtnetz 50 und bildet einen zweiten rauhen Grund, über dem die Potentialströmung in eine Rotationsströmung umgesetzt wird.
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Drahtnetze 50 befinden sich auch oberhalb des oberen und unterhalb des unteren Mischzonenpaares.
Die Fig. 6 zeigt eine Wirbelkammer 60 mit durch Netze 61, 62 gebildeten rauhen Grunden. Durch einander entgegengerichtete Zweitluftdüsen 63 und 64 wird das spezifisch schwerere Medium in einem Staubring gehalten oder dieser Staubring durch unterschiedliche Beaufschlagung der Zweitluftdüsen auf- gerissen. Werden alle Zweitluftdüsen 63 und 64 mit einer gleich grossen Zweitluftmenge beaufschlagt, so bildet sich ein horizontaler Staubring 65. Durch Veränderung der Zweitluftzufuhr in einzelnen dieser Düsen kann die Lage des Staubringes entsprechend der Form 66 verändert oder der Staubring entsprechend dem Verlauf 67 bzw. 68 aufgerissen werden.
Eine Anregung der entgegen der Richtung des Mediums verlaufenden Potentialströmung kann ausser durch schrägtangential angeordnete Zweitluftdüsen verschiedener Querschnittsform auch durch Rührvorrichtungen, umlaufende Teile, z. B. rotierende Wandungsteile, und Schaufeln erfolgen, deren Profile - im Gegensatz zu Rührvorrichtungen, die zur Anregung einer Rotationsströmung dienen, z. B. Propeller mit feststehenden Schaufelflächen-ihre Stellung im Raum während der Drehbewegung nicht ändern.
Die Rührvorrichtungen sind derart ausgebildet, dass sie ausser der Umlaufbewegung zusätzlich eine Bewegung in axialer Richtung erzeugen. Es können auch zusätzliche Mittel, z. B. rotierende Scheiben, vorgesehen sein, die einen der Umlaufströmung entgegengesetzten Drehsinn anregen, so dass eine Relativbewegung zu andern Wandungsteilen oder Flächen entsteht.
Als Medien können gasförmige, flüssige oder auch feste Substanzen bzw. Gemische derselben verwendet werden, die mindestens aus zwei Komponenten verschiedener Massenträgheit, d. h. unterschiedlichen spezifischen Gewichtes, bestehen. Der Strom der Medien kann durch Grenzschichtabsaugung verbreitert werden.
Das Verfahren nach der Erfindung kann für die verschiedenartigsten technischen Zwecke Anwendung finden, etwa bei chemischen Reaktionen, um Stoffe und Stoff mischungen (z. B. aus Gasgemischen usw.) zusammenzuführen oder zu trennen. Da die spezifisch schwereren Teilchen in der Drehströmung nicht mit der Wandung in Berührung kommen, ist das Verfahren nach der Erfindung für chemische Verfahren besonders geeignet. Die Drehströmung kann ferner zum Transport feiner Teilchen, z. B. Staub in Rohrleitungen, zur Oberflächenbehandlung, zur Minderung des Schalles, zur Beeinflussung des Wärmeüberganges, zur Verbesserung der Verbrennungsvorgänge, z. B. in Zyklon- und Eckenfeuerungen, Verwendung finden.
Die Staubabscheidung stellt nur eines von vielen möglichen Ausführungsbeispielen der für alle oben angegebenen, nur beispielhaft genannten Zwecke anwendbaren Erfindung dar, wobei die schwereren Teilchen aus dem die Mischung bildenden staubbeladenen "Rohgas" abgeführt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Erzeugung von trombenartigen Drehströmungen und Anwendung der in diesen Strömungen wirksamen Relativkräfte zur Trennung von Medien verschiedener Massenträgheit, beispielsweise zur Staubabscheidung, dadurch gekennzeichnet, dass man primär eine der Strömungsrichtung der Medien entgegengerichtete Potentialströmungen erregt, z. B. durch schrägtangentiales Eindüsen eines Zweitmediums, beispielsweise Zweitluft, entgegen der Strömungsrichtung der Medien, oder durch Rührvorrichtungen, die sich in einer Ebene senkrecht zur Strömungsrichtung der Medien drehen, und dass man diese Potentialströmung durch die Anordnung eines rauhen Grundes, der z.
B. ein Strömungsprofil sein kann, dessen Symmetrieachse in Strömungsrichtung der Medien liegt, dazu veranlasst, eine koaxiale und gleichsinnig umlaufende Rotationsströmung im Inneren der Potentialströmung auszubilden, so dass das spezifisch schwerere Medium, z. B. Staub, der Wirkung der in dieser trombenartigen Drehströmung auftretenden Relativkräfte ausgesetzt ist, welche das spezifisch schwerere Medium in einer Mischzone innerhalb der Drehströmung zusammenführt, von wo das spezifisch schwerere Medium durch Ablenken eines Teiles der Potentialströmung an einer Stelle knapp vor dem Übergang der Potentialströmung in die Rotationsströmung ausgetragen werden kann.