Verfahren und Vorrichtung zum Abscheiden fester Teilchen ans Luft,
Gasen und Dämpfen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich luf ein Verfahren und eine Vorrichtung, Luft, Gase und Dämpfe von festen Teilchen, wie Staub, Russ oder dergleichen, zu reinigen, 30wie auf eine Vorrichtung für die Ausfüh- rung des Verfahrens.
Die Erfindung beruht auf einer Erkennt- nis des Erfinders, welche zunächst an Hand der Fig. 1 der anliegenden Zeichnung er klärt werden soll.
Gemäss Fig. 1 ist ein Zylinder 1, der aus lurchlochtem Blech besteht, mit einem Boden auf der Welle 2 befestigt. Luft wird mittels eines nichtgezeichneten Gebläses durch diesen Zylinder gesaugt, derart, daB die Luft von aussen durch den gelochten Zylindermantel in das Innere des Zylinders strömt und in axialer Richtung durch das offene Ende des Zylinders in das Saugrohr 3 des Gebläses abgesaugt wird.
Wird dieser Zylinder in entsprechend rasche Drehung versetzt, so zeigt sich, dass in der Luft befindlicher Staub nicht durch den Zylinder hindurch gesaugt wird, sondern sich an seiner AuBenfläche ansammelt, trotzdem der Zylindermantel mit so grossen Lochern versehen ist, dass bei stillstehendem Zylinder der durchlochte Zylindermantel keine nennenswerte staubentfernende Wirkung ausübt. Wenn ein so ausserordentlich feines Staubpulver, wie Lycopodium (Bär- lappsamen), auf den sich drehenden Zylinder gestreut wird, entsteht von diesem Pulver ein Staubschleier um den Zylinder herum, und wenn Pulver nicht mehr weiter aufgestreut wird, dauert es noch eine geraume Zeit, bis der Luftstrom das um den Zylinder befindliche Pulver abgesaugt hat.
Hierbei ist bemerkenswert, dass dieses Pulver durch ein Sieb mit 10000 Maschenlcmz hindurchgeht, während das bei dem Versuch verwendete Blech runde Locher von 0, 75 mm Durchmesser aufwies.
Versuche haben auch gezeigt, dass das gleiche Ergebnis erzielt wird, wenn Luft um einen stehenden Zylinder in solcher Weise herum geleitet wird, dass die Relativbewegung zwischen der Luft und dem Zylinder ist wie in dem oben beschriebenen Versuch.
Es ist ferner nicht nötig, dass das gelochte Blech die Gestalt eines Zylinders aufweist.
Dieselbe Wirkung kann auch mit einem ebenen gelochten Blech erreicht werden, wenn der Luftstrom in einer schrägen Richtung gegen die Sieboberfläche geleitet wird. Es hat sich auch gezeigt, dass, wenn das Pulver innen in einen sich drehenden Zylinder eingestreut und die Luft von innen durch den Zylinder hindurch geblasen wird, das Pulver sich als eine ringförmige Schicht in dem Zylinderinnern ansammelt.
Dieser letztere Versuch beweist, dass eine sehr kräftige Wirkung vorliegen muss, da das Pulver durch die Zentrifugalkraft sofort aus dem Zylinder herausgeschleudert werden sollte. Bei diesem Versuch wurde ein Zylinder mit einem Durchmesser von 550 mm mit 925 LTmdrehungen in der Minute gedreht.
Auf das Pulver wirken also Kräfte ein, welche grösser sind als die durch die Drehung um die Achse des Zylinders hervorgerufene Zentrifugalkraft und welche dieser Zentrifugalkraft entgegenwirken.
Die erwähnten Versuche haben auch gezeigt, daB, wenn Pulver ständig dem sich drehenden Zylinder zugeführt wurde, und sich daher in wachsenden Mengen auf der Zylinderfläche ansammelte, schliesslich das Pulver beginnt, durch die Löcher hindurchzutreten.
Die erwähnten Versuche haben erwiesen, dass aerodynamische Kräfte wirksam sind, welche die feinen in die Offnungen eintretenden Teilchen zurückwerfen, aber die Versuche zeigen auch, dass es notwendig ist, die derartig ausgeschiedenen feinen Teilchen kontinuierlich wegzuleiten, um ein auf die er wähnten Beobachtungen gegründetes Filtrierverfahren dauernd durchzuführen.
Das auf Grund der oben erwähnten Be obachtungen entwickelte Filtrierverfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das zu filtrierende Medium in einem schrägen Winkel und mit einer derart hohen Geschwindigkeit gegen ein mit Durchtrittsöffnungen versehenes Filter geführt wird, dass nur ein Teil des Mediums durch das Filter wChrend der andere längs des Filters strömt, und dass in sämtlichen Durchtrittsöffnungen des Filters rückwärts gerichtete aerodynamische Kräfte entstehen, die die in die Öffnungen eindringenden feinen Partikel zurüekschleudern, so dass sie mit dem dem Filter entlang strömenden Medium abgeführt werden.
Für den Winkel, unter dem das Medium gegen das Filter strömen soll, damit die beschriebene Wirkung erzielt wird, kann angegeben werden, dass, wenn die Geschwindigkeit des Mediums in zwei Komponenten unterteilt wird, von denen die eine senkrecht zur Filterfläche und die andere parallel zu derselben verläuft, die senkrechte Kom- ponente ein Bruchteil der parallelen Kom- ponente sein soll, z. B.'/,, oder weniger, wenn das Medium um einen feststehenden Filterzylinder herum strömt, 1/4 oder weniger bei einem sich drehenden Filterzylinder, wenn es von aussen nach innen durch das Filter strömt.
1/5 oder weniger bei einem ebenen Filter und I|lo oder weniger bei einem sich drehenden Filterzylinder, wenn das Medium von innen nach aussen durch das Filter strömt. Die Grenzwerte gelten, wenn ein geringer Teil des Staubes durch das Filter hindurch gehen darf. Wenn jedoch praktisch kein Staub durch das Sieb hindurehtreten darf, sollte höchstens die Hälfte dieser Grenzwerte gewählt werden.
Rechteckige Löcher im Blech haben sich als besser wie runde Löcher erwiesen. Noch besser sind schlitzförmige Löcher, deren Längsrichtung quer zur Hauptrichtung des Luft-, Dampf-oder Gasstromes liegt.
Weiterhin ist die Form der Lochkanten, welche entgegen dem Luftstrom gerichtet sind, von sehr gober Bedeutung. Die besten Ergebnisse wurden mit scharfen oder nur wenig abgerundeten Kanten erzielt.
Deshalb ist gewöhnliches Metalldrahtgewebe nicht besonders geeignet ; es lässt einen groBen Teil des Staubes durch. Bessere Ergebnisse werden erreicht, wenn das Gewebe für den besonderen Zweck so hergestellt wird, daB die SchuBdrähte zwischen den Eettendrähten parallel zueinander verlaufen. Es hat sich weiterhin als zweckmäBig herausgestellt, für ein solches Gewebe so wenig Kettendrahte als möglich zu verwenden, das heisst nicht mehr Rettendrähte zu verwenden, als notig sind, um die SchuB- drähte zusammenzuhalten. Ein solches Gewebe wird zweckmäBig so als Filter angebracht, daB die SchuBdrahte quer zur Hauptrichtung des Luftstromes liegen.
Die theoretische Erläuterung für die be schriebenen Erscheinungen wird im folgenden gegeben.
Zunächst mag man geneigt sein, anzunehmen, daB die Staubteilchen bei dem schrägen StoB gegen die Wände der Filter jffnungen zurückgehalten werden. Fig. 2 stellt dies dar. Runde (SchuB-) Drähte 1 sind mit geringen Zwischenräumen in einer Ebene angeordnet. Ein Staubteilchen, das in dem in der Richtung R strömenden Medium am Draht a gerade noch vorbeikommt, trifft auf den Draht b und prallt dort in der Richtung r ab ; es kann also nicht durch das Draht Gewebe hindurehgelangen, vorausgesetzt, daB der Aufprall des Staubteilchens gegen den Draht elastisch ist. Diese Wirkung tritt aber bei Sieben mit scharfkantigen Locher nicht auf.
Ein Teilchen, welches die Wandung des Siebloches unterhalb der Kante, gegen welche der Luftstrom anprallt, trifft, wird durch das Zurückprallen nicht verhindert, durch das Siebloch zu gelangen, da in diesem Fall das Zurückprallen im Gegenteil dazu beiträgt, das Teilchen durch die Filter offnungen hindurchzuwerfen.
Die separierende Wirkung des gelochten Bleches muB deshalb auf einem andern Faktor beruhen, welcher bisher noch nicht in Betracht gezogen wurde.
Dieser Faktor kann vielleicht auf folgende Weise mit Hilfe der aerodynamischen Gesetze erklärt werden.
Angenommen, ein Luftstrom wird in der Richtung gegen das gelochte Blech 5 in Fig. 3 gelenkt, und zwar in einen sehr kleinen Winkel zur Blechebene. In dieser Blechplatte sind Locher 4 vorgesehen. Wird nun die Relativbewegungng"W"des Luftstromes gegen die Stirnseite der Platte in zwei Kom- ponenten unterteilt, von denen die eine"w,," parallel zur Plattenfläche läuft und die an dere, wi," seukrecht zur Platte steht, dann ist bei der gewählten Strömungsrichtung der Quotient-=-.Inder Figur geben so
M!l5 genannte Stromlinien die Bewegungen der Luftteilchen in bezug auf die Platte an.
Diese Stromlinien geben in jedem Punkt den Zustand der Strömung an, wobei ihre Richtung mit der Stromrichtung gleichgerichtet ist, während der Abstand zwischen den Stromlinien die Strömungsgeschwindigkeit andeutet, derart, daB konvergierende Linien Geschwindigkeitssteigerung und divergierende Linien Geschwindigkeitsverringerung bedeuten. Die Stromlinien sind unter Beachtung der Lehren über Strömung ohne Wirbel, aber mit der Strömungsablenkung gezeichnet, welche in Wirklichkeit bei dem Fluss an einer scharfen Kante vorbei eintritt. Die Biegung der Stromlinien an den Stegen zwischen den Locher 4 wurde ausserdem zwecks grö- sserer Klarheit etwas übertrieben.
In Fig. 4 ist ein genaueres Strömungs- bild an einem Steg in grösserem MaBstab gegeben. Durch Versuche mit Rauch an einem Modell von grösserem MaBstab wurde bestä- tigt, daB der tatsächliche Strömungsverlauf im wesentlichen mit dem dargestellten Strö- mungsverlauf übereinstimmt. Der Stromverlauf ist derart, dass in demjenigen Abstand von der Platte, wo die Strömung noch nicht gestört ist, die Stromlinien parallel und gerade verlaufen. In der Nähe der Platte wird die Strömung gestört ; der Luftstrom staut sich an der Stirnseite jedes Steges. In einem Punkt x an der Seite des Steges, welche gegen die Stromrichtung gerichtet ist, ist die Strömung vollständig zur Ruhe gekommen.
An diesem Punkt, dem sogenannten Staupunkt, teilt sich der Luftstrom in zwei Teile, von denen der eine nach oben, der andere nach unten abzweigt. Die Stromlinie, welche im Punkt x geteilt wird, wird mit Staulinie bezeichnet. Alle solchen Staulinien sind in der Zeichnung etwas stärker ausgeführt als die übrigen Stromlinien.
Bedingung dafür, dass ein im Luftstrom schwebendes Teilchen nicht durch die Platte hindurchgelangt, ist, dass dasselbe oberhalb des Staupunktes x gegen den Steg prallt, und dass es von der dem Steg entlang aufwärts- strömenden Luft derart beschleunigt wird, dass es infolge seiner Geschwindigkeit durch die Luftschichten hindurch fliegt, welche beim nachsten Loch unterhalb des Staupunktes auf die Stegwandung treffen. Ein kleines Teilchen hat aber eine betrachtliche grössere Oberfläche im Verhältnis zu seiner Masse als ein grösseres Teilchen derselben Form und von gleichem Material. Hinzu kommt, da¯ der Luftwiderstands-Koeffizient sich vergrössert, wenn die Abmessungen des Staubteilchens kleiner werden.
Kleine Teilchen werden deshalb durch Änderung in der Bewegung des Luftstromes erheblich mehr be einflusst als grosse Teilchen.
Wenn man den Luftwiderstand bei sehr kleinen Teilchen berechnet, so kann man Kräfte infolge der Luftträgheit ganz vernachlässigen und nur Kräfte in Betracht zie hen, welche sich aus der Viskosität der Luft ergeben, das hei¯t Kräfte herrührend von der innern Reibung in der Luft um das Teilchen herum.
Nach Stockes kann man in diesem Fall den Luftwiderstands-Koeffizient c in der Gleichung für den Luftwiderstand
W
T+r= CFr
2g für kugelförmige Teilchen nach der Gleichung berechnen :
24 c= R, dabei bedeutet y = spezifisches Gewicht der Luft, g = Erdbeschleunigung und R = Rey- nold'sche Zahl. v v wo w die Geschwindigkeit, d der Durch- messer des Teilchens und v der kinematische Zähigkeitsbeiwert ist.
In Fig. 5 ist der Wert c als Funktion von R entsprechend Messungen der"Aerodyna- mische Versuehsanstalt"in GSttingen aufge- tragen.
Der seltsame Verlauf der Kurve rechts ist in vorliegendem Fall ohne Bedeutung, da die Werte der Reynold'schen Zahl f r das vorliegende Luftfilter durch den steilen Teil links im Diagramm dargestellt werden, wo die Kurve sich der Geraden anschmiegt, die der Stockes'schen Gleichung für Kugelteilchen entspricht (gestrichelt eingezeichnet).
Der Widerstand kann nach der Stockes'schen Gleichung auch für kleine Werte der Rey nold'schen Zahl annähernd berechnet werden, wo er durch ausgeführte Versuche nicht gedeckt ist.
Da R proportional w, ist im Bereich der Stockes'schen Gleichung der Widerstands Koeffizient umgekehrt proportional der Str¯mungsgeschwindigkeit. Der Luftwiderstand ist dort nicht proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit, sondern der Geschwindigkeit direkt proportional, so dass eine unbedeutende Luftgeschwindigkeit das Staubteilchen erheblich mehr beeinflusst, als wenn der Luftwiderstand proportional dem Quadrat der Geschwindigkeit wäre.
Da R proportional und somit der Luftwiderstand umgekehrt proportional der Teilchen grosser ist, ist es auf dynamischem Wege schwieriger, kleinere Staubteilchen als grö- ssere zu entfernen.
Die in der Praxis am meisten angewendete Vorrichtung, auf dynamischem Wege Staubteilchen aus der Luft zu entfernen, ist das sogenannte Zyklongebläse, bei welchem die Staubteilchen durch die Zentrifugalkraft gegen die Wand des Gebläsegehäuses geworfen werden und dann zu Boden sinken.
Mit solchen Vorrichtungen ist es jedoch nicht möglich, feine Staubteilchen zu entfernen, da dieselben trotz der auf sie wirkenden Zentrifugalkraft vom Luftstrom wieder aus der Vorrichtung herausgetragen werden. Für das Entfernen solch feiner Staubteilchen sind Tuchfilter üblich, deren Maschenweite geringer ist als die zu filternden Staubteilchen.
Solche Filter benötigen jedoch einen sehr gro Ben Platz, da ein Filtertuch bei geringem Widerstand nur verhältnismässig geringe Luftmengen je Flächeneinheit durchlassen kann.
Beim Abscheiden von Russ aus Heizgasen werden, da Tuchfilter hier nicht üblich sind, elektrische Filter verwendet, deren Wirkung auf der elektrischen Ladung der Teilchen beruht. Solche Vorrichtungen benötigen jedoch ebensoviel Platz und sind teuer.
Die vorliegende Erfindung erfüllt also ein lang empfundenes Bedürfnis ; denn sie er möglicht, solche feine Staubteilchen mittels eines gelochten Bleches oder eines Metalldrahtgewebes bei verhältnismässig grosser Durchlässigkeit zu entfernen.
Bei einer Luftströmung um eine scharfe Kante ohne Wirbelung würde theoretisch eine unendlich groBe Luftgeschwindigkeit dicht an der Lochkante entstehen. Tatsächlich ist aber die Geschwindigkeit endlich und ihre Grosse ist abhängig von der Strömungsablenkung (Fig. 3 und 4) und der Reibung.
Die Strömung folgt den Gesetzen für potentiale Strömung bis auf eine Luftschicht, die sich dicht bei der Oberfläche des Körpers befindet und deren Bewegung durch Reibung verzögert wird. Die tatsächlichen Geschwindigkeiten der Strömung um eine scharfe Kante sind durch Versuchsergebnisse bisher noch nicht bekannt geworden. Jedoch wurde die Luftgeschwindigkeit an der vordern gante von Flugzeugtragflächen mehr als zweimal so gross als die Geschwindigkeit der Tragfläche in der Luft gemessen. Für einen Zylinder wurde das entsprechende Verhältnis zu etwa 1, 75 gemessen.
Wahrscheinlich wird die grösste Ge schwindigkeit um eine gante erreicht, wenn die Kante etwas abgerundet ist ; die Abrundung sollte jedoch nicht gober sein, als es zur Vermeidung des Abreissens des Luftstro- mes von der Oberfläche notig ist. Dabei ist von Interesse, dass der aufwärts gerichtete Teilstrom eine grössere Geschwindigkeit aufweisen kann als die Geschwindigkeit, mit welcher die Luft dem Blech entlang strömt.
Das Teilchen wird dabei einer sehr scharfen Bewegungsänderung unterworfen. Ein Teilchen, welches über die gante eines"Ste- ges"im Blech, welche gegen den Luftstrom gekehrt ist, flutet, wird durch den dort herr schenden"Aufwind"nach oben geschleudert.
Bedingung dafür, dass das Teilchen nicht durch das nächstfolgende Loch im Blech hindurchfällt, ist, dass das Teilchen einen derart starken nach oben gerichteten Stoss erhält, daB es infolge seines Beharrungsvermögens über die nächste oben liegende Staulinie gelangt, Dieser Vorgang ist in Fig. 3 durch eine gestrichelte Linie erläutert. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jedem Steg, so dass das Teilchen eine wellenförmige Bewegung entlang der Blechfläche ausführt, ohne dass es durch eine Filteröffnung im Blech hindurchdringen kann.
Diese Wirkung wird noch verstärkt, wenn die Strömungslinien um die Stege 5 (Fig. 3) herum eine sehr scharfe Krümmung erhalten.
Die in Fig. 2 gezeigten runden Stege erfüllen nicht diese Bedingung, jedoch sind reehteckige Stege gemäss Fig. 3 hierfür geeignet.
Die Dicke des Bleches ist zweckmäBig mindestens gleich der Lochabmessung. Man kann aber auch Stege verwenden, welche im Verhältnis zur Lochabmessung dicker sind und auf der EinlaBseite abgerundete Kanten aufweisen.
Fig. 6 bis 11 zeigen Schnitte durch Ausführungsbeispiele des Filters.
In Fig. 6 sind die Stege dreieckig.
In Fig. 7 haben die Stege rechteckigen Querschnitt, und die obere, dem Strome zugewandte Kante ist schwach abgerundet.
In Fig. 8 ist der Querschnitt der Stege oben durch einen Kreisbogen begrenzt.
In Fig. 9 ist der Querschnitt der Stege oben halbkreisförmig abgerundet.
In Fig. 10 besitzt das Filter ebene Lamellenplatten, die auf einer Hülse angebracht sind.
Fig. 11 besitzt Lamellenplatten, die auf einer Hülse angebracht und auf der Einlassseite umgebogen sind.
Eine Ausführungsform des Filters gemäss Fig. 10 hat gegenüber den andern angegebenen Ausführungsformen den Vorteil, dass B der Widerstand gegen Strömung geringer ist, da die Stärke der Lamellenplatten im Ver hältnis zur Abmessung der Offnungen gering ist. Weiter bewirkt der zwischen den Platten fliessende Luftstrom eine gewisse Ejektorwirkung. Die Ausführungsformen gemäss Fig. 6 und 11 haben den Vorteil, dass die Luft in einem grosseren Winkel angeblasen werden kann als bei den übrigen Filtern.
Sei die Strömungsgeschwindigkeit um die Kante des Stabes 5 in Fig. 3, cv = 20 m/sec., der Radius betrage r = 0, 5 mm. Die Winkelgeschwindigkeit errechnet sich dann zu 40 000 entsprechend einer Normalbeschleunigung a = r2 = 800 000 m% sec. 2.
Ein Staubteilchen wäre also, wenn es vom Luftstrom mitgenommen wird, einer Zentrifugalkraft ausgesetzt, welche etwa 80000 mal so gross ist wie sein eigenes Gewicht. Es ist also die ausserordentlich grosse Zentrifugalkraft, welche das Staubteilchen verhindert, dem Luftstrom zu folgen, und bewirkt, dass es die Stromlinien derart schneidet, dass es endlich einen Punkt ausserhalb der Staulinie der nächstfolgenden Filteröffnung erreicht.
Demgegenüber ist der durchschnittliche Radius des Strömungsweges in einem Zyklongebläse beispielsweise 0, 5 m. Um die gleiche Zentrifugalkraft wie oben zu erreichen, wäre eine Luftgeschwindigkeit von 630 m/sec. notig. Es ist also unmöglich, in einem Zyklongebläse eine auch nur annähernd gleiche Wirkung der oben beschriebenen Art zu erreichen. Bei der gleichen Strömungs- geschwindigkeit (10 m/sec.) im Zyklon, wie auf der Stirnseite des Siebes in dem vorher beschriebenen Beispiel, betrwgt die Zentrifugalkraft nur 1 des obigen Wertes.
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Die Vorrichtung gemäss vorliegender Erfindung weicht hinsichtlich ihrer Wirkungsweise von allen bekannten Arten von Sieben oder Filtern ab, bei welchen das Filtermaterial aus Tuch oder anderem Gewebe besteht. Die Siebwirkung solcher Vorrichtungen ist nämlich nicht aerodynamisch sondern lediglich mechanisch.
Zweekmässig wird bei Verwendung einer ruhenden ebenen Filterfläehe als Staub abschneider, die Luft in einem genügend kleinen Winkel gegen die gesamte Filterfläche und nicht nur gegen einen Teil derselben geführt, damit vermieden wird, dass der durch den Luftstrom gegen das Filterende geleitete Staub dort durch das Filter dringen und die Filterwirkung beeinträchtigen kann.
Eine derartige Filteranordnung ist in Fig. 12 beispielsweise angegeben. Die Vorrichtung besitzt ein Filter 7 in dem Füh- rungsrohr 6 für das zu reinigende Gas. Das Filter ist in einem kleinen Winkel zur Xiangs- richtung des Führungsrohres 6 angebracht und aus durchlochtem Blech hergestellt. Das Filterblech ist in einem Rahmen 8 seitlich geführt und kann far Prüfung, Reinigung oder zum Auswechseln leicht herausgezogen werden. Das Filhrungsrohr 6 hat zweckmässig quadratischen oder rechteckigen Querschnitt.
Unter diesem Führungsrohr befindet sich ein Behälter 9, in welchem ein Teil des der Vorrichtung zugeführten Gasstromes an dem Ende 10 des Filters abgeleitet wird, welches sich am weitesten entfernt von dem Luftein lass befindet. Der durch das Filter zurtickgehaltene Staub wird durch diesen Sekundär- strom in den Behälter 9 gebracht, wo ein Teil des Staubes sich niederschlägt. Der Sekun därstrom kehrt auf der Einlassseite des Filters bei 11 wieder zum Hauptstrom zurück.
Diese Konstruktion erfordert nur einen kleinen Sekundärstrom.
Befinden sich schwerere Teilchen, wie Sandkörner oder dergleichen, im Staub, wie sie zum Beispiel beim Absaugen an Schleif- maschinen, Standstrahlgebläsen und dergleichen auftreten, so ist der EinlaB für den Gasstrom zweckmäBig schräg nach abwärts gerichtet, damit diese schweren Teilchen im Gas nicht direkt gegen die Filterfläche prallen. Das verringert die Abnutzung des Filters.
Fig. 13 und 14 zeigen eine Vorrichtung, bei welcher bei gleicher Filterfläche die Länge des Filters nur halb so gross ist, wie in Fig. 12, da das Filter aus drei Filterflachen zusammengesetzt ist, welche zusammen mit dem Boden des Führungsrohres einen sich pyramidenförmig verengenden Durchgang bilden. Die Filterflächen könnten auch einen Durchgang von vieleck-, oval-oder kreisförmigem Querschnitt bilden.
Fig. 15 zeigt zwei solche parallel nebeneinander im Führungsrohr liegende Filter.
Das verkürzt die Filterlänge noch mehr.
Fig. 16 zeigt eine Vorrichtung, bei welcher ein gebogenes Filter 7 in einem gebogenen Führungsrohr 6 angebracht ist.
Schwere Teilchen im Staub werden nach auBen geschleudert, so daB sie die Filterfläche nicht abnutzen.
Nach Fig. 17 bildet die Filterfläche 7 einen kegeligen Einsatz im Führungsrohr 6.
Der Filterkegel 7 geht in dem Führungsrohr 6 mit sanft geschwungener Kurve 12 in die Einlassöffnung über. Hierdurch soll die Wirkung der Reibung auf die Randschichten des Luftstromes an der Wand des Führungsrohres, in welchem das Filter eingebracht ist, neutralisiert werden, so dass das Verhältnis zwischen axialer und radialer Geschwindigkeit der Strömung in dieser Randschicht beim EinlaB nicht zu gross ist.
Auch Fig. 18 zeigt eine Vorrichtung mit rundem Führungsrohr. Ein kegeliges Filter 7 ist mit seiner Spitze gegen die Einlassöffnung 12 gerichtet befestigt. In dieser Einlass- öffnung sind Leitflügel 13 angeordnet, welche, was die Zeichnung nicht zeigt, dem Luftstrom eine Drehbewegung geben. Hierdurch werden die schwereren Teilchen durch die Zentrifugalkraft nach auBen geworfen, so dass sie das Filter nicht abnutzen können.
Der sekundäre Luftstrom wird zusammen mit dem mitgeführten Staub durch einen Ringkanal 10 am Ende des Filters abgeleitet.
Fig. 19 zeigt eine Vorrichtung, welche für Maschinenwerkstätten geeignet ist, um den Staub von Schleifmaschinen und andern, Staub erzeugenden Aggregaten zu entfernen.
Die vom Absauggebläse kommende Luft wird durch ein senkrechtes zylindrisches Rohr 12 in ein senkrechtes zylindrisches Filterrohr 7 geführt, unterhalb welchem ein zylindrischer verhältnismässig tiefer Behälter angeordnet ist.
Um den Luftstrom überall unter dem gleichen Winkel gegen die Filterfläche zu führen, ist ein Einsatz 14 von im Axialschnitt parabolischer Form und mit seiner Spitze gegen die Einlassöffnung gerichtet, zentral in dem Filterrohr angebracht. Ist die axiale Einlassgeschwindigkeit des Luftstromes gleichmässig verteilt, so wird durch diesen Einsatz eine gleichbleibende radiale Strö- mungsgeschwindigkeit durch das Filter auf den gesamten Filterflächen erreicht.
Um die Verzögerung durch Luftreibung an der Wand des EinlaBrohres 12 auszu- gleichen, ist der parabolische Einsatz mit seiner Spitze etwas unter dem obern Rand des zylindrischen Filters angeordnet. Soll das Filter unmittelbar hinter der Auslassoffnung des Gebläses angeordnet sein, dann ist zweckmässig ein sogenannter Gleichrichter oder Rektifikator zwischen Filter und Gebläse angeordnet. Dadurch wird das Entstehen von Wirbeln vermieden, welche für die Filterwirkung schädlich sind. Ein solcher Gleichrichter kann aus einer Zahl von parallelen, in dem EinlaBrohr des Filters axial angeordneten Platten bestehen.
Ein Gleichrichter ist zweckmässig auch bei den andern Vorrichtun- gen eingeschaltet, falls diese dicht bei der Auslassoffnung eines Gebläses oder unmittelbar hinter einer se, harfen Rohrkrümmung angeordnet sind.
Nach Fig. 19 strömt die gereinigte Luft nach allen Richtungen gleichmäBig aus dem zylindrischen Filter, ohne irgendeine Zug- wirkung hervorzurufen. Deshalb ist diese Vorrichtung zum Aufstellen in Maschinen räumen geeignet. Um auch hierbei einen Sekundärstrom zu erhalten, ohne welchen der Staub durch die untern Filterflächen dringen würde, ist der parabolische Körper hohl und endigt in einem bestimmten Abstand oberhalb des untern Randes des zylindrischen Filters. Dadurch entsteht im untern Filterteil ein Wirbel, wodurch die axiale Ge schwindigkeitskomponente des Stromes durch das Filter auch an diesem untern Rand des Filters aufrecht erhalten wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 20 sind der Sekundärstrom durch einen ringförmigen Schlitz am obern Ende des Einsatzes in den Hauptstrom zurückgeleitet.
Von den beschriebenen Filtern können zwei oder mehrere hintereinander geschaltet sein, wodurch auch die höchsten Ansprüehe an die Reinigung der Luft befriedigt werden können. Bei derartigen Vorrichtungen kann die Anforderung an die einzelnen Filter herabgemindert werden. Wenn zum Beispiel jedes Filter 90% der zugeführten Staubmenge filtriert, dann können zwei Filter in Serie angeordnet 99% und drei Filter 99, 9% der gesamten Staubmenge entfernen, vorausgesetzt, dass die Staubteilchen von etwa gleicher Abmessung sind.
Sind die Staubteilchen verschieden grogs, so kann durch die Anordnung von hintereinander geschalteten Filtern ein Sortieren des Staubes vorgenommen werden, zum Beispiel bei einer Getreidemühle kann so ein Sortieren des gemahlenen Gutes gemäss der Feinheit des Mehls erzielt werden. Ein solches Sortieren konnte bisher infolge der Kleinheit der Teilchen des behandelten Gutes lediglich durch Beuteln erreicht werden. Dieses Verfahren ist ausserordentlich zeitraubend, wenn es von Hand geschieht, und erfordert teure und platzraubende Vorrichtungen, wenn es in grösserem Massstabe mechanisch ausgeführt wird.
Es ist möglich, ein derartiges Sortieren des Gutes mit der pneumatischen Förderung desselben zur Siloanlage zu verbinden. Zu diesem Zwecke sind nur einige der oben beschriebenen Filter in Serienanordnung in dem ltörderrohr nötig, von denen jedes hinsichtlich seines aerodynamischen Effektes so bemessen ist, dass nur Teilchen über einer bestimmten Grösse mit Sicherheit am Mitströ- men im Luft-oder Gasstrom durch den Filter hindurch verhindert werden. Eine solche Sortiervorrichtung zeigt die Fig. 21. Das gemahlene Gut strömt aus der Mühle durch die Einlassöffnung 12 in ein horizontal liegendes Rohr 6, in welchem vier schräg liegende Filter 7 angeordnet sind. Diese Filter sind wie in Fig. 12 ausgeführt.
Das Filter, welches dem Einlass am nächsten liegt, hat den geringsten Effekt, und die übrigen Filter haben der Reihe nach einen immer grösseren Effekt. Unter drei der Filter liegen Behälter oder Silos 9 zur Auf nahme des abgesiebten Gutes. Das erste Filter am Einlass des Führungsrohres 6 kann lediglich grobes Mehl abscheiden, welches zum Nachmahlen wieder zur Mühle zurückge- bracht wird. Um zu vermeiden, dass zu feines Gut in den für ein gröberes Gut bestimmten Behälter gelangt, ist zweckmässig der sekundäre Luftstrom besonders stark. Ferner sind Leitschirme 15, 16 vorgesehen, welche die Zirkulation des Sekundärstromes erleichtern, so dass lediglich die schwersten der in dem Sekundärstrom befindlichen Teilchen in den Behälter abgeschieden werden.
Beim letzten Filter fehlen solche Leitschirme.
Fig. 22 und 23 zeigen eine Vorrichtung mit Zyklongebläse und Filter. Diese Aus führungsform ist dann angezeigt, wenn der grössere Teil des Gutes so schwer ist, da. er im Zyklongebläse abgeschieden werden kann, und ausserdem auch feiner Staub vorhanden ist, welcher aus der Förderluft abgeschieden werden muss. Die Vorrichtung besitzt ein zylindrisches Filter 7, welches zentral oben im Zyklon 17 angeordnet ist. Das Filter ist zweckmässiger grob, und das Verhiltnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit und der radialen Geschwindigkeit der Luft überschreitet dicht an der Filteroberfläche die oben angegebenen Werte nicht. Der Staub kann dann das Filter nicht durchdringen.
Um den Staub, welcher sich um das zylindrische Filter herumbewegt, zu entfernen, sind an der Aussenseite des Filters auf die gante gestellte Bander derart schraubenförmig an geordnet, daB die Richtung des Staubstromes schraubenförmig von oben nach unten verläuft. Dadurch wird der Staub abwärts in dem Sammelraum des Zyklons befördert. Das zylindrische Filter ist unten abgeschlossen, so dass die Luft nur am Umfang durchtreten kann.
Um den feinen, durch das Filter abgesiebten Staub von dem gröberen Material, welches der Zyklon abscheidet, zu trennen, konnte ein besonderer, oben offener Behälter 9 mit einer Entleervorrichtung vorgesehen sein.
In den Fig. 24 und 25 befindet sich ein zylindrisches Filter 7 in einem spiralförmigen Gehäuse 17 mit tangentialem Einlass. Der grössere Teil der zu reinigenden Luft dringt durch den Zylinder hindurch. Der kleinere Teil, der Staub und andere feste Teilchen mit sich führt, wird durch einen Abzug 10 abgeleitet.
Fig. 26 und 27 zeigen eine Vorrichtung mit sich drehendem zylindrischem Filter, welches zugleich zur Forderung der zu reinigenden Luft dient. Die Luft wird axial durch den Einlass 12 in das Filter geführt, strömt durch diesen hindurch und wird von diesem in ein Gehäuse 19 geschleudert. welches als Gebläsespirale mit Diffusor 20 ausgeführt ist. TTm den Staub, welcher sich im Filter ablagert, abzublasen, ist eine Umlenkvorrichtung 21 vorgesehen, welche einen Teil des Luftstromes durch das Filter zurück- treibt. Ein geschlitztes Rohr 22 im Filter, dessen EinlaBöffnung sich über die ganze Breite des Filters erstreckt, soll diesen Luftstrom auffangen. Um diese Strömung zu unterstützen, ist der Schlitz im Rohr 22 als Diffuser ausgebildet.
Es wird also gleich zeitig mit der beschriebenen Reinigung durch den Diffuser im Filter ein Sog erzeugt, durch welchen der abgeschiedene Staub vom Filter entfernt wird. Diese Vorrichtung ist besonders zweckmässig für das Entfernen von leichteren Stoffteilchen, wie Staub in Ventilationsluft.
Nach Fig. 28 und 29 sind innerhalb eines zylindrischen sich drehenden Filters 1 ortsfeste Leitschaufeln 23 in einem ringförmigen Kranz angeordnet. Die gereinigte Luft wird axial durch den Auslass 24 an der einen Seite der Vorrichtung entleert. Die Tangenten der Leitschaufeln an den gegen das Filter 1 gerichteten Enden bilden mit der Tangente des Filterzylinders in dem Punkt, in welchem jene Tangente den Filterzylinder schneidet, einen kleinen Winkel. Die Krüm- mung der Leitschaufeln ist klein in der Nähe des Zylinders, wird aber nach innen stärker, so dass das innere Ende der Leitschaufeln ungefähr radial gerichtet ist. Der Kanal zwischen zwei benachbarten Schaufeln erweitert sich in der Strömungsrichtung.
Ist die Erweiterung dieser Schaufelkanäle nicht zu gross, so wirken diese als Diffusor, so dass der Druck in der Strömungsrichtung zunimmt.
Bei geeigneten Abmessungen und Formen der Schaufeln und des rotierenden Filters wirkt dieses als Gebläse und die von ihm erzeugte Drucksteigerung kann grosser als der Gesamtwiderstand des Luftstromes durch das System sein, so dass sich ein besonderes Gebläse für die Förderung der Luft durch den Filter erübrigt. Es hat sich gezeigt, dass es sogar möglich ist, einen Überdruck in dem Raum innerhalb des Flügelkranzes zu erreichen. Die Vorrichtung arbeitet dann als Gebläse und kann einen statischen Gegendruck überwinden, zum Beispiel den Strö- mungswiderstand in einer Rohrleitung, durch welche die gereinigte Luft zur Verbrauchs- stelle geleitet wird.
Bedingung dafür, dass eine Gebläsewirkung erreicht wird, ist, daB der Schaufelwinkel am Einlass nicht mehr als 20 beträgt, und daB die Schaufelkanäle sich höchstens in einem Winkel von 3Q erwei- tern. Wenn es nicht genügt, die Vorrichtung rein zu blasen, sondern wenn ausserdem ein Überdruck erzielt werden soll, so ist es zweckmässig, höchstens halb so grosse Winkel zu wählen.
Erm den Filter vom abgelagerten Staub zu reinigen, ist an einer Leitschaufel 23 ein Schirm 21 vorgesehen, welcher einen Teil der Luft durch den Filter zurückpresst. AuBerdem ist an der in der Drehrichtung des Filters hinter dieser Schaufel angeordneten Schaufel eine Verlangerung 25 vorgesehen, welche sich dem Filter anschmiegt und verhindert, dass dieser Teil der Luft wieder durch das Filter strömt. Um diese Luft aufzufangen, ist ausserhalb des Filters ein Rohr 22 mit einer Auffangdüse parallel zur Achse vorgesehen. Die Auffangdüse ist nach Art eines Diffusers in der Strömungsrichtung erweitert, wodurch eine weitere Saugwirkung und damit Erleichterung des Entfernens der Staubschicht von der Filterfläche erreicht wird.
Eine weitere Ausführungsform eines Drehfilters, welches als Gebläse wirkt, ist in Fig. 30 und 31 gezeigt. Das sich drehende zylindrische Filter 1 ist hier in einem spi ralförmigen Einlassgehäuse 17 angeordnet, durch welches die Luft in Drehrichtung des Filters um dieses herum und gleichzeitig von aussen nach innen durch das Filter hindurchgeleitet wird. Aus dem Filter 1 wird die Luft in ein zweites spiralförmiges Gehäuse 19 und einen Diffuser 20 geleitet, wo die kinetische Energie des Luftstromes in Druckenergie umgewandelt wird.
Für diese Ausführung sind besonders geeignet die oben genannten Filter aus Drahtgeweben, welche nur so viele Kettendrähte aufweisen wie nötig sind, um die Schussdrähte zusammenzuhalten. Das Gewebe ist derart zylindrisch aufgerollt, dass die Schussdrähte axial und die Eettendrähte in der Umfangsrichtung laufen. Auf seiner einen Seite ist dieser Drahtzylinder an einer auf der Welle 2 befestigten Scheibe 26 befestigt, auf der andern Seite an einem Ring 27. Dieser Ring ist durch Stangen 28 mit der Scheibe 29 verbunden, die auf der Welle 2 aufgeschraubt ist. Der Drahtzylinder kann gespannt werden, indem die Scheibe 29 in axialer Richtung auf der Welle 2 verstellt wird. Das ist von grossem Vorteil, weil es schwierig ist, ein Gewebe mit absolut, geraden Schussdrähten herzustellen.
Ausserdem wird durch das axiale Strecken des Drahtzylinders erreicht, dass derselbe die bestmögliche Zylinderform erhält. Der durch das Filter abge schiedene Staub wird durch einen Sehlitz in dem Gehäuse 17 in derselben Weise entfernt, wie schon bei der Ausführungsform nach Fig. 24 beschrieben ist. Der Lauf des Filters ist ausserordentlich leise. Durch die infolge der Einlassspirale 17 gesteigerte Strö- mungsgeschwindigkeit der Luft vor dem Zusammentreffen derselben mit dem Filter werden die Stossverluste der Luft am Filter herabgemindert. Daher wird diese Anordnung einen hohen Gebläsewirkungsgrad geben.
Natürlich könnte das Drahtgewebe auch auf einer Tragvorrichtung, zum Beispiel auf einem Gitter, angeordnet sein. Die Ausfüh- rung gemäss Fig. 30 und 31 ergibt ein sehr geringes Gewicht für die rotierenden Teile, so dass diese ohne Nachteil mit sehr hoher Geschwindigkeit angetrieben werden können.
Fig. 32 bis 34 zeigen eine Vorrichtung für Fahrzeuge, wie Automobile, Autobusse und Eisenbahnwagen. Das Filter 7 besteht aus einer durchlochten Platte, welche in eine Wand 30 des Fahrzeuges eingesetzt wird.
Ein schräger Schirm 31 an der Aussenseite des Fahrzeuges leitet den Fahrtwind gegen das Filter. Der Schirm 31 ist schwenkbar angeordnet, so dass die Stärke des Luftzuges durch das Filter eingestellt werden kann. Wenn der Schirm 31 so eingestellt wird, dass er mit dem Filter einen sehr kleinen Winkel, wie z. B. Z bis 3 *, bildet, strömt Frischluft mit nur geringem Überdruck in das Fahrzeug.
Sowohl bei der Belüftung von Fahrzeugen als auch von Zimmern und andern Räumen wird die Luft oft vorgewärmt, bevor sie in den zu belüftenden Raum eintritt.
Die beschriebenen stehenden oder rotierenden Filter können zur Erwärmung der Luft eingerichtet werden, indem dünne, durch Dampf oder heisses Wasser beheizte Rohre an den Filterstäben angelötet werden.
Die Drehfilter können für regenerativen Wärmeaustausch eingerichtet werden, indem die den Raum verlassende Luft als Heiz- mittel für die zugeführte frische kalte Luft dient. Hierdurch werden beträchtliche Er sparnisse an Wärme gemacht.
Eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher das Filter zur Heizung oder Kiihlung der gereinigten Luft dient, ist in Fig. 35 und 36 dargestellt. Das Filter 36 besteht aus mit Lamellen versehenen Rohren 38, durch welche das Heiz-oder Kühlmittel (Dampf oder Wasser) geleitet wird. Der Filter 26 ist zylindrisch. In seinem Innern dreht sich ein Gebläserad 39, welches die Luft durch die Einlassöffnung 40 einsaugt und sie an seinem Umfang nach aussen drückt. Damit der Luftstrom das Gebläserad in einer Richtung verlässt, welche die gewiinsehte aerodynamische Filterwirkung erzielen lϯt, sind die Radschaufeln nach vorn gebogen.
Zwei solche Ausfiihrungsformen des Gebläserades zeigt Fig. 35. Für das Entfernen des abge schiedenen Staubes ist eine Offnung 41 an dem lamellierten Filter vorgesehen, durch welche der Staub in einem Behälter 42 gesammelt wird. Aus diesem Behälter 42 wird der Staub dann ständig durch eine Leitung 43 abgef hrt. Soll die gereinigte Luft weitergeleitet werden, so wird das Filter in einem auf der Zeichnung strichpunktierten Gehäuse 44 mit Auslass 45 angeordnet.
PATENTANSPRtt'CHE : I. Verfahren zum Ausscheiden fester Teilchen aus Luft, Gas oder Dampf, dadurch gekennzeichnet, dass das zu filtrierende Medium in einem derart schrägen Winkel und mit einer derart hohen Geschwindigkeit gegen ein mit Durehtrittsöffnungen versehenes Filter gefiihrt wird, dass nur ein Teil des Mediums durch das Filter, während der andere längs des Filters strömt, und dass in sämtlichen Durchtrittsoffnungen des Filters rückwärts gerichtete aerodynamische Krafte entstehen, die die in die Offnungen eindringenden feinen Partikel zur ckschleudern, so daB sie mit dem dem Filter entlang strömenden Medium abgeführt werden.
Process and device for separating solid particles into air,
Gases and vapors.
The present invention relates to a method and an apparatus for cleaning air, gases and vapors from solid particles, such as dust, soot or the like, as to an apparatus for carrying out the method.
The invention is based on a finding of the inventor, which he should first be explained with reference to FIG. 1 of the accompanying drawing.
According to FIG. 1, a cylinder 1, which consists of perforated sheet metal, is attached to the shaft 2 with a base. Air is sucked through this cylinder by means of a fan, not shown, in such a way that the air flows from the outside through the perforated cylinder jacket into the interior of the cylinder and is sucked in the axial direction through the open end of the cylinder into the suction pipe 3 of the fan.
If this cylinder is set in a correspondingly rapid rotation, it turns out that dust in the air is not sucked through the cylinder, but accumulates on its outer surface, despite the fact that the cylinder jacket is provided with holes so large that it pierced when the cylinder was stationary Cylinder jacket has no notable dust-removing effect. If such an extraordinarily fine dust powder, like Lycopodium (barnacle seed), is sprinkled on the rotating cylinder, this powder creates a dust veil around the cylinder, and if the powder is no longer sprinkled it will take a long time until the air flow has sucked off the powder around the cylinder.
It is noteworthy that this powder passes through a sieve with a 10,000 mesh size, while the sheet metal used in the experiment had round holes 0.75 mm in diameter.
Experiments have also shown that the same result is achieved when air is passed around a stationary cylinder in such a way that the relative movement between the air and the cylinder is as in the experiment described above.
Furthermore, it is not necessary for the perforated sheet metal to have the shape of a cylinder.
The same effect can also be achieved with a flat, perforated metal sheet if the air flow is directed in an inclined direction against the screen surface. It has also been found that when the powder is sprinkled inside a rotating cylinder and the air is blown from the inside through the cylinder, the powder collects as an annular layer in the cylinder interior.
This latter experiment proves that there must be a very strong effect, since the powder should be thrown out of the cylinder immediately by the centrifugal force. In this experiment, a cylinder with a diameter of 550 mm was rotated at 925 revolutions per minute.
Forces act on the powder which are greater than the centrifugal force caused by the rotation around the axis of the cylinder and which counteract this centrifugal force.
The experiments mentioned have also shown that if powder was continuously fed into the rotating cylinder and therefore accumulated in increasing amounts on the cylinder surface, the powder eventually began to pass through the holes.
The experiments mentioned have shown that aerodynamic forces are effective, which throw back the fine particles entering the openings, but the experiments also show that it is necessary to continuously divert the fine particles thus separated out in order to achieve a filtration process based on the observations mentioned to be carried out continuously.
The filtration method according to the invention developed on the basis of the above-mentioned observations is characterized in that the medium to be filtered is guided at an oblique angle and at such a high speed against a filter provided with passage openings that only part of the medium passes through the filter While the other is flowing along the filter, and that backward aerodynamic forces are generated in all of the filter's passage openings, which throw back the fine particles penetrating the openings so that they are carried away with the medium flowing along the filter.
For the angle at which the medium should flow against the filter so that the described effect is achieved, it can be stated that if the velocity of the medium is divided into two components, one of which is perpendicular to the filter surface and the other parallel to the same runs, the vertical component should be a fraction of the parallel component, z. B. 1/1 or less if the medium flows around a stationary filter cylinder, 1/4 or less if the filter cylinder is rotating, if it flows through the filter from the outside in.
1/5 or less for a flat filter and I | lo or less for a rotating filter cylinder when the medium flows through the filter from the inside to the outside. The limit values apply when a small part of the dust is allowed to pass through the filter. However, if practically no dust is allowed to pass through the sieve, then no more than half of these limit values should be selected.
Rectangular holes in the sheet metal have been shown to be better than round holes. Slit-shaped holes whose longitudinal direction is transverse to the main direction of the air, steam or gas flow are even better.
Furthermore, the shape of the hole edges, which are directed against the air flow, is of great importance. The best results were achieved with sharp or only slightly rounded edges.
Therefore, ordinary metal wire mesh is not particularly suitable; it lets through a large part of the dust. Better results are obtained if the fabric is made for the particular purpose in such a way that the weft wires between the chain wires run parallel to one another. It has also proven to be expedient to use as little chain wire as possible for such a fabric, that is to say not to use more rescue wires than are necessary to hold the weft wires together. Such a fabric is expediently attached as a filter in such a way that the weft wires are perpendicular to the main direction of the air flow.
The theoretical explanation for the described phenomena is given below.
At first one might be inclined to assume that the dust particles are retained by the oblique impact against the walls of the filter openings. Fig. 2 shows this. Round (SchuB) wires 1 are arranged with small spaces in one plane. A dust particle that just barely passes the wire a in the medium flowing in the direction R hits the wire b and bounces off there in the direction r; it cannot get through the wire fabric, provided that the impact of the dust particle against the wire is elastic. However, this effect does not occur with screens with sharp-edged punches.
A particle that hits the wall of the sieve hole below the edge against which the air flow hits is not prevented by the rebounding from getting through the sieve hole, since in this case the rebounding on the contrary contributes to the particle through the filter openings to throw through.
The separating effect of the perforated sheet must therefore be based on another factor which has not yet been taken into account.
This factor can perhaps be explained in the following way with the help of the laws of aerodynamics.
Assume that an air flow is directed in the direction towards the perforated sheet 5 in FIG. 3, specifically at a very small angle to the plane of the sheet. In this sheet metal plate 4 holes are provided. If the relative movement "W" of the air flow against the face of the plate is now divided into two components, one of which "w" runs parallel to the plate surface and the other, wi, "is perpendicular to the plate, then at the chosen flow direction the quotient - = -. In the figure give so
Streamlines called M! 15 indicate the movements of the air particles in relation to the plate.
These streamlines indicate the state of the flow at every point, their direction being aligned with the direction of the flow, while the distance between the streamlines indicates the flow velocity, so that converging lines mean an increase in speed and divergent lines a decrease in speed. The streamlines are drawn in accordance with the teachings about flow without eddies, but with the flow deflection which in reality occurs in the flow past a sharp edge. The bend of the streamlines at the webs between the holes 4 has also been somewhat exaggerated for the sake of greater clarity.
In Fig. 4 a more precise flow pattern on a web is given on a larger scale. Experiments with smoke on a larger-scale model confirmed that the actual flow course essentially corresponds to the flow course shown. The course of the current is such that at the distance from the plate where the flow is not yet disturbed, the streamlines run parallel and straight. The flow is disturbed near the plate; the air flow accumulates on the face of each web. At a point x on the side of the web, which is directed against the direction of flow, the flow has come to a complete standstill.
At this point, the so-called stagnation point, the air flow divides into two parts, one of which branches off upwards and the other downwards. The streamline, which is divided at point x, is called the stagnation line. All such stagnation lines are made somewhat stronger in the drawing than the other streamlines.
The condition for a particle floating in the air flow not to pass through the plate is that it hits the web above the stagnation point x and that it is accelerated by the air flowing upwards along the web in such a way that it passes through as a result of its speed the layers of air flies through, which hit the web wall at the next hole below the stagnation point. But a small particle has a considerably larger surface in relation to its mass than a larger particle of the same shape and of the same material. In addition, the air resistance coefficient increases as the dimensions of the dust particle decrease.
Small particles are therefore significantly more affected than large particles by changes in the movement of the air flow.
If one calculates the air resistance for very small particles, one can completely neglect the forces due to the inertia of the air and only consider forces which result from the viscosity of the air, i.e. forces resulting from the internal friction in the air the particle around.
According to Stockes, in this case the drag coefficient c can be found in the equation for air drag
W.
T + r = CFr
Calculate 2g for spherical particles according to the equation:
24 c = R, where y = specific weight of the air, g = acceleration due to gravity and R = Reynold's number. v v where w is the speed, d is the diameter of the particle and v is the kinematic viscosity coefficient.
In FIG. 5, the value c is plotted as a function of R in accordance with measurements by the "Aerodynamic Testing Institute" in GSttingen.
The strange course of the curve on the right is irrelevant in the present case, since the values of the Reynolds number for the present air filter are represented by the steep part on the left in the diagram, where the curve conforms to the straight line that corresponds to Stockes' equation for Corresponds to spherical particles (shown in dashed lines).
Using the Stockes equation, the resistance can also be approximately calculated for small values of Reynold's number, where it is not covered by tests carried out.
Since R is proportional to w, the resistance coefficient is inversely proportional to the flow velocity in the area of Stockes' equation. The air resistance there is not proportional to the square of the speed, but directly proportional to the speed, so that an insignificant air speed affects the dust particle considerably more than if the air resistance were proportional to the square of the speed.
Since R is proportional and thus the air resistance is inversely proportional to the larger particles, it is more difficult to remove smaller dust particles than larger ones in a dynamic way.
The device most commonly used in practice to dynamically remove dust particles from the air is the so-called cyclone fan, in which the dust particles are thrown by centrifugal force against the wall of the fan housing and then sink to the floor.
With such devices, however, it is not possible to remove fine dust particles, since they are carried out of the device by the air flow despite the centrifugal force acting on them. Cloth filters with a mesh size smaller than the dust particles to be filtered are customary for removing such fine dust particles.
Such filters, however, require a very large amount of space, since a filter cloth with low resistance can only let through relatively small amounts of air per unit area.
When separating soot from heating gases, since cloth filters are not common here, electrical filters are used whose effect is based on the electrical charge of the particles. However, such devices take up as much space and are expensive.
The present invention thus fulfills a long felt need; because it makes it possible to remove such fine dust particles by means of a perforated sheet or metal wire mesh with a relatively high permeability.
In the case of an air flow around a sharp edge without turbulence, an infinitely high air velocity would theoretically arise close to the edge of the hole. In fact, the speed is finite and its size depends on the flow deflection (Fig. 3 and 4) and the friction.
The flow follows the laws of potential flow except for a layer of air that is close to the surface of the body and the movement of which is delayed by friction. The actual speeds of the flow around a sharp edge have not yet been made known by test results. However, the air speed at the front edge of aircraft wings was measured more than twice as high as the speed of the wing in the air. For a cylinder, the corresponding ratio was measured to be about 1.75.
The greatest speed is probably reached by a whole when the edge is slightly rounded; however, the rounding should not be larger than is necessary to avoid the air flow being torn off the surface. It is of interest that the upward partial flow can have a greater speed than the speed at which the air flows along the sheet metal.
The particle is subjected to a very sharp change in movement. A particle that floods over the whole of a "web" in the sheet metal, which is turned against the air current, is thrown upwards by the "updraft" that prevails there.
The condition for the particle not to fall through the next following hole in the sheet metal is that the particle receives such a strong upward impact that it passes over the next congestion line above due to its persistence. This process is complete in FIG a dashed line explained. This process is repeated for each web, so that the particle executes a wave-like movement along the sheet metal surface without being able to penetrate through a filter opening in the sheet metal.
This effect is intensified when the flow lines around the webs 5 (FIG. 3) are given a very sharp curvature.
The round webs shown in FIG. 2 do not meet this condition, but rectangular webs according to FIG. 3 are suitable for this.
The thickness of the sheet is expediently at least equal to the hole dimensions. However, webs can also be used which are thicker in relation to the size of the hole and have rounded edges on the inlet side.
6 to 11 show sections through exemplary embodiments of the filter.
In Fig. 6 the webs are triangular.
In FIG. 7 the webs have a rectangular cross section and the upper edge facing the stream is slightly rounded.
In Fig. 8, the cross section of the webs is limited at the top by an arc of a circle.
In Fig. 9, the cross section of the webs is rounded off at the top in a semicircle.
In Fig. 10 the filter has flat lamellar plates which are mounted on a sleeve.
11 has lamellar plates which are attached to a sleeve and bent over on the inlet side.
An embodiment of the filter according to FIG. 10 has the advantage over the other specified embodiments that the resistance to flow is lower, since the strength of the lamellar plates in relation to the size of the openings is small. The air stream flowing between the plates also has a certain ejector effect. The embodiments according to FIGS. 6 and 11 have the advantage that the air can be blown in at a larger angle than with the other filters.
Let the flow velocity around the edge of the rod 5 in FIG. 3 be cv = 20 m / sec., The radius be r = 0.5 mm. The angular velocity is then calculated to be 40,000, corresponding to a normal acceleration a = r2 = 800,000 m% sec. 2.
If a dust particle were to be carried along by the air stream, it would be exposed to a centrifugal force that is around 80,000 times its own weight. It is therefore the extraordinarily large centrifugal force that prevents the dust particle from following the air flow and causes it to intersect the streamlines in such a way that it finally reaches a point outside the stagnation line of the next filter opening.
In contrast, the average radius of the flow path in a cyclone fan is, for example, 0.5 m. To achieve the same centrifugal force as above, an air speed of 630 m / sec would be. necessary. It is therefore impossible to achieve even approximately the same effect of the type described above in a cyclone fan. At the same flow speed (10 m / sec.) In the cyclone as on the face of the screen in the example described above, the centrifugal force is only 1 of the above value.
4000
The device according to the present invention differs in terms of its mode of operation from all known types of sieves or filters in which the filter material consists of cloth or other fabric. The sieving effect of such devices is namely not aerodynamic but only mechanical.
When using a stationary, flat filter surface as a dust cutter, the air is routed at a sufficiently small angle against the entire filter surface and not just against part of it, so that the dust that is guided by the air flow towards the filter end is avoided there through the filter can penetrate and impair the filter effect.
Such a filter arrangement is indicated in FIG. 12, for example. The device has a filter 7 in the guide tube 6 for the gas to be cleaned. The filter is attached at a small angle to the Xiangs direction of the guide tube 6 and made of perforated sheet metal. The filter plate is guided laterally in a frame 8 and can easily be pulled out for testing, cleaning or replacement. The guide tube 6 suitably has a square or rectangular cross section.
Under this guide tube there is a container 9, in which part of the gas flow supplied to the device is diverted at the end 10 of the filter which is located furthest away from the air inlet. The dust held back by the filter is brought into the container 9 by this secondary flow, where part of the dust is deposited. The secondary flow returns to the main flow at 11 on the inlet side of the filter.
This construction only requires a small secondary current.
If there are heavier particles, such as grains of sand or the like, in the dust, as they occur, for example, when vacuuming on grinding machines, stationary jet fans and the like, the inlet for the gas flow is appropriately directed downwards at an angle so that these heavy particles are not directly in the gas hit the filter surface. This reduces the wear and tear on the filter.
13 and 14 show a device in which the length of the filter is only half as large as in FIG. 12 with the same filter surface, since the filter is composed of three filter surfaces which, together with the bottom of the guide tube, narrow in a pyramid shape Form passage. The filter surfaces could also form a passage with a polygonal, oval or circular cross section.
15 shows two such filters lying parallel to one another in the guide tube.
This shortens the filter length even more.
16 shows a device in which a curved filter 7 is attached in a curved guide tube 6.
Heavy particles in the dust are thrown outwards so that they do not wear out the filter surface.
According to FIG. 17, the filter surface 7 forms a conical insert in the guide tube 6.
The filter cone 7 merges in the guide tube 6 with a gently curved curve 12 into the inlet opening. This is intended to neutralize the effect of the friction on the edge layers of the air flow on the wall of the guide tube in which the filter is installed, so that the ratio between the axial and radial velocity of the flow in this edge layer is not too great at the inlet.
18 also shows a device with a round guide tube. A conical filter 7 is attached with its tip directed towards the inlet opening 12. In this inlet opening, guide vanes 13 are arranged which, which the drawing does not show, give the air flow a rotary movement. As a result, the heavier particles are thrown outwards by the centrifugal force so that they cannot wear out the filter.
The secondary air flow is diverted together with the entrained dust through an annular channel 10 at the end of the filter.
Fig. 19 shows a device which is suitable for machine shops for removing dust from grinding machines and other dust-generating units.
The air coming from the suction fan is passed through a vertical cylindrical tube 12 into a vertical cylindrical filter tube 7, below which a cylindrical, relatively deep container is arranged.
In order to guide the air flow against the filter surface at the same angle everywhere, an insert 14 of parabolic shape in axial section and with its tip directed towards the inlet opening is mounted centrally in the filter tube. If the axial inlet speed of the air flow is evenly distributed, this insert achieves a constant radial flow speed through the filter over the entire filter surface.
In order to compensate for the delay caused by air friction on the wall of the inlet pipe 12, the parabolic insert is arranged with its tip slightly below the upper edge of the cylindrical filter. If the filter is to be arranged directly behind the outlet opening of the fan, then a so-called rectifier or rectifier is expediently arranged between the filter and the fan. This avoids the creation of eddies, which are harmful to the filter effect. Such a rectifier can consist of a number of parallel plates axially arranged in the inlet tube of the filter.
A rectifier is also expediently switched on in the other devices if these are arranged close to the outlet opening of a blower or directly behind a sharp bend in the pipe.
According to FIG. 19, the cleaned air flows evenly in all directions out of the cylindrical filter without causing any pulling effect. Therefore this device is suitable for installation in machine rooms. In order to obtain a secondary flow without which the dust would penetrate through the lower filter surfaces, the parabolic body is hollow and ends at a certain distance above the lower edge of the cylindrical filter. This creates a vortex in the lower part of the filter, as a result of which the axial speed component of the flow through the filter is also maintained at this lower edge of the filter.
In the embodiment of FIG. 20, the secondary flows are returned to the main flow through an annular slot at the top of the insert.
Two or more of the filters described can be connected in series, which means that even the highest demands on air purification can be satisfied. With such devices, the requirement on the individual filters can be reduced. For example, if each filter filters 90% of the supplied amount of dust, then two filters arranged in series can remove 99% and three filters 99.9% of the total amount of dust, provided that the dust particles are of approximately the same size.
If the dust particles are of different sizes, sorting of the dust can be carried out by arranging filters in series; for example, in a grain mill, sorting of the ground material according to the fineness of the flour can be achieved. Such sorting could hitherto only be achieved by means of bags due to the small size of the particles of the treated material. This method is extremely time consuming when done by hand and requires expensive and space consuming devices when mechanically performed on a larger scale.
It is possible to combine such sorting of the goods with the pneumatic conveyance of the same to the silo system. For this purpose, only a few of the above-described filters in series arrangement in the oil delivery pipe are necessary, each of which is dimensioned with regard to its aerodynamic effect so that only particles above a certain size are certain to flow through the filter in the air or gas flow be prevented. Such a sorting device is shown in FIG. 21. The ground material flows out of the mill through the inlet opening 12 into a horizontal tube 6 in which four inclined filters 7 are arranged. These filters are implemented as in FIG.
The filter closest to the inlet has the least effect, and the remaining filters in turn have an increasingly greater effect. Under three of the filters are containers or silos 9 for receiving the screened material. The first filter at the inlet of the guide tube 6 can only separate out coarse flour, which is brought back to the mill for regrinding. In order to avoid that too fine material gets into the container intended for coarser material, the secondary air flow is expediently particularly strong. In addition, guide screens 15, 16 are provided which facilitate the circulation of the secondary flow, so that only the heaviest of the particles in the secondary flow are separated into the container.
The last filter does not have such guiding screens.
22 and 23 show a device with a cyclone fan and filter. This embodiment is indicated when the greater part of the goods is so heavy that there. it can be separated in the cyclone fan, and there is also fine dust which has to be separated from the conveying air. The device has a cylindrical filter 7 which is arranged centrally at the top in the cyclone 17. The filter is more conveniently coarse, and the ratio between the circumferential speed and the radial speed of the air does not exceed the values given above close to the filter surface. The dust cannot then penetrate the filter.
In order to remove the dust that moves around the cylindrical filter, on the outside of the filter on the gante placed bands are arranged in a helical manner in such a way that the direction of the dust flow is helical from top to bottom. This transports the dust downwards in the collecting space of the cyclone. The cylindrical filter is closed at the bottom so that the air can only pass through the circumference.
In order to separate the fine dust screened off by the filter from the coarser material which the cyclone separates, a special container 9, open at the top, with an emptying device could be provided.
In FIGS. 24 and 25, a cylindrical filter 7 is located in a spiral housing 17 with a tangential inlet. Most of the air to be cleaned passes through the cylinder. The smaller part, which carries dust and other solid particles with it, is discharged through a vent 10.
26 and 27 show a device with a rotating cylindrical filter, which also serves to convey the air to be cleaned. The air is guided axially through the inlet 12 into the filter, flows through it and is thrown by it into a housing 19. which is designed as a fan spiral with diffuser 20. To blow off the dust which is deposited in the filter, a deflection device 21 is provided which drives part of the air flow back through the filter. A slotted tube 22 in the filter, the inlet opening of which extends over the entire width of the filter, is intended to catch this air flow. In order to support this flow, the slot in the tube 22 is designed as a diffuser.
At the same time as the cleaning process described, the diffuser in the filter generates a suction through which the separated dust is removed from the filter. This device is particularly useful for removing lighter particles of material such as dust in ventilation air.
According to FIGS. 28 and 29, stationary guide vanes 23 are arranged in an annular ring within a cylindrical rotating filter 1. The cleaned air is exhausted axially through the outlet 24 on one side of the device. The tangents of the guide vanes at the ends directed towards the filter 1 form a small angle with the tangent of the filter cylinder at the point at which that tangent intersects the filter cylinder. The curvature of the guide vanes is small in the vicinity of the cylinder, but becomes stronger inward, so that the inner end of the guide vanes is directed approximately radially. The channel between two adjacent blades widens in the direction of flow.
If the widening of these vane channels is not too large, they act as a diffuser so that the pressure increases in the direction of flow.
With suitable dimensions and shapes of the blades and the rotating filter, this acts as a fan and the pressure increase it generates can be greater than the total resistance of the air flow through the system, so that a special fan is not required to convey the air through the filter. It has been shown that it is even possible to achieve an overpressure in the space inside the wing ring. The device then works as a fan and can overcome a static counterpressure, for example the flow resistance in a pipeline through which the cleaned air is directed to the point of consumption.
The condition for a blower effect is that the blade angle at the inlet is not more than 20 and that the blade channels expand at an angle of at most 3 °. If it is not sufficient to purely blow the device, but if, in addition, an overpressure is to be achieved, it is advisable to choose an angle that is no more than half as large.
In order to clean the filter from the deposited dust, a screen 21 is provided on a guide vane 23, which screen presses some of the air back through the filter. In addition, an extension 25 is provided on the shovel arranged behind this shovel in the direction of rotation of the filter, which extension clings to the filter and prevents this part of the air from flowing through the filter again. In order to collect this air, a pipe 22 with a collecting nozzle is provided outside the filter parallel to the axis. The collecting nozzle is widened in the flow direction like a diffuser, whereby a further suction effect and thus facilitating the removal of the dust layer from the filter surface is achieved.
Another embodiment of a rotary filter which acts as a fan is shown in FIGS. 30 and 31. The rotating cylindrical filter 1 is arranged here in a spiral-shaped inlet housing 17 through which the air is passed in the direction of rotation of the filter around it and at the same time from the outside to the inside through the filter. From the filter 1 the air is passed into a second spiral-shaped housing 19 and a diffuser 20, where the kinetic energy of the air flow is converted into pressure energy.
The above-mentioned filters made of wire mesh, which only have as many warp wires as are necessary to hold the weft wires together, are particularly suitable for this design. The fabric is rolled up cylindrically in such a way that the weft wires run axially and the chain wires run in the circumferential direction. This wire cylinder is fastened on one side to a disk 26 fastened on the shaft 2 and on the other side to a ring 27. This ring is connected by rods 28 to the disk 29 which is screwed onto the shaft 2. The wire cylinder can be tensioned by adjusting the disk 29 in the axial direction on the shaft 2. This is of great advantage because it is difficult to produce a fabric with absolutely straight weft wires.
In addition, the axial stretching of the wire cylinder ensures that it has the best possible cylinder shape. The dust separated by the filter is removed through a seat seat in the housing 17 in the same way as has already been described in the embodiment of FIG. The filter runs extremely quietly. Due to the increased flow speed of the air due to the inlet spiral 17 before it meets the filter, the impact losses of the air at the filter are reduced. Therefore, this arrangement will give high fan efficiency.
Of course, the wire mesh could also be arranged on a support device, for example on a grid. The design according to FIGS. 30 and 31 results in a very low weight for the rotating parts, so that they can be driven at a very high speed without any disadvantage.
32 to 34 show an apparatus for vehicles such as automobiles, buses and railroad cars. The filter 7 consists of a perforated plate which is inserted into a wall 30 of the vehicle.
An inclined screen 31 on the outside of the vehicle directs the wind against the filter. The screen 31 is pivotably arranged so that the strength of the air flow through the filter can be adjusted. When the screen 31 is adjusted to make a very small angle with the filter, e.g. B. Z to 3 *, fresh air flows into the vehicle with only a slight excess pressure.
When ventilating vehicles as well as rooms and other rooms, the air is often preheated before it enters the room to be ventilated.
The vertical or rotating filters described can be set up to heat the air by soldering thin tubes heated by steam or hot water to the filter rods.
The rotary filters can be set up for regenerative heat exchange by using the air leaving the room as a heating medium for the fresh, cold air supplied. As a result, considerable savings in heat are made.
An embodiment of the invention in which the filter is used to heat or cool the purified air is shown in FIGS. 35 and 36. The filter 36 consists of tubes 38 provided with lamellas, through which the heating or cooling medium (steam or water) is passed. The filter 26 is cylindrical. In its interior, a fan wheel 39 rotates, which sucks in the air through the inlet opening 40 and pushes it outwards on its circumference. So that the air flow leaves the fan wheel in a direction that allows the desired aerodynamic filter effect to be achieved, the wheel blades are bent forward.
Two such embodiments of the fan wheel are shown in FIG. 35. An opening 41 is provided on the laminated filter through which the dust is collected in a container 42 for the removal of the separated dust. The dust is then continuously removed from this container 42 through a line 43. If the cleaned air is to be passed on, the filter is arranged in a housing 44 with outlet 45, which is shown in dash-dotted lines in the drawing.
PATENT APPLICATIONS: I. A method for separating solid particles from air, gas or steam, characterized in that the medium to be filtered is guided against a filter provided with passage openings at such an oblique angle and at such a high speed that only a part of the medium through the filter, while the other one flows along the filter, and that backward aerodynamic forces arise in all of the filter's passage openings, which throw back the fine particles entering the openings so that they are carried away with the medium flowing along the filter .