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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchströmung eines Fliehkraftabscheiders mit darin von Partikeln, wie Staub und/oder Wasser abzuscheidender Außenluft und Abgabe gereinigter Luft. Dieser Fliehkraftabscheider findet Anwendung in Anlagen, wie Lüftungen, Heizungen, Klimageräte und/oder Geräte zur Luftversorgung von Maschinen, Motoren und dergleichen, derartige Anlagen auch in Fahrzeugen. Die Erfindung betrifft ferner einen Fliehkraftabscheider zur Anwendung des Verfahrens mittels eines Abscheidegitters. Dieser besteht aus einer dreidimensionalen, flächigen Baueinheit mit Eintritts-, Durchströmungs- und Austrittsöffnungen sowie integrierten Durchströmungs- und Abscheideelementen in Form eines Abscheidegitters für die durchströmende Luft.
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Derartige Fliehkraftabscheider sind in einfacher Ausführung und Wirkung schon nach der
DD 214 297 A1 bekannt geworden.
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Entsprechend den Merkmalen nach einem weiterentwickelten internen Stand der Technik gemäß vorveröffentlichtem Prospekt der SGW Werder GmbH sind derartige Fliehkraftabscheider wie folgt bekannt:
- – Eine den Fliehkraftabscheider bildende dreidimensionale Baueinheit als vorgefertigte Montageeinheit zwecks Anordnung oder Einbau in die eingangs beschriebenen Anlagen oder Fahrzeuge,
- – innerhalb dieses Fliehkraftabscheiders angeordnete, von der Luft angeströmte Einbauten zur Führung der Luft, gebildet aus vertikalen Strängen von im Querschnitt unterschiedlichen Profilen, die in ihrer Anordnung zueinander Bereiche von Abscheidestufen für die abzuscheidenden Partikel bilden, wobei die Profile
• nebeneinander geordnet eine Breite des Fliehkraftabscheiders wie ein Gitter ausfüllen und
• die unterschiedlichen Querschnitte der Profile in einer Tiefe des Fliehkraftabscheiders hinsichtlich der Abscheidestufen und freien Querschnitte für die Durchströmung der Luft zueinander gestaffelt angeordnet sind, und
- – die Querschnitte der Profile weisen konkave und/oder konvexe Ausformungen der von der Luft angeströmten Flächen auf.
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Insgesamt bilden die Profile über die Höhe der Bau- und Montageeinheit, betrachtet im Verlauf der Richtung der Strömung, freie, zunächst sich verjüngende Querschnitte zur Beschleunigung der Geschwindigkeit der eingetretenen Luft und sich ändernde Querschnitte zur Umlenkung der Strömung und Verminderung der Geschwindigkeit bis zum Stau der geführten Luft in den Bereichen von Abscheidestufen für die abzuscheidenden Partikel und endlich freie Querschnitte für die Abführung der gereinigten Luft.
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Nach diesem Konzept wurde ein vorbekanntes, mechanisches Abscheidegitter ausgeformt, welches aufweist:
- – Mehrere parallel zueinander verlaufende Einström- und Abscheideprofile, wobei zwei benachbarte Profile jeweils einen Strömungsspalt für die durchströmende Luft bilden,
- – einer ersten Profilebene, die aus geschlossenen, im wesentlichen abgerundeten Einströmprofilen gebildet ist, schließen sich wenigstens zwei weitere in Strömungsrichtung dahinter liegende Profilebenen an, die aus zur Strömungsrichtung hin offenen, im wesentlichen abgerundeten Abscheideprofilen gebildet sind,
- – jedes Abscheideprofil ist hinter einem Strömungsspalt der davor liegenden Profilebene positioniert.
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Von diesem Stand der Technik geht die
DE 100 42 443 A1 aus und erkennt die Problematik, dass aufgrund der geringen Steifigkeit bei langen Profilsträngen Schwingungen auftreten, die geringe Abscheidegrade und eine geringere Lebensdauer des Abscheidegitters nach sich ziehen. Daraus wird die Aufgabe abgeleitet, das oben definierte Abscheidegitter so auszubilden, dass diese Schwingungsprobleme nicht auftreten. Folgerichtig schlägt die Lösung gemäß der
DE 100 42 443 A1 vor, die Einströmprofile mit den in Strömungsrichtung dahinter liegenden Abscheideprofilen der dritten Profilebene mit einem Steg einander zu verbinden.
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Diese Lösung erscheint zunächst durchaus sinnvoll, ungeachtet dessen, daß sie nicht mehr neu ist. Es darf jedoch nicht übersehen werden, dass dabei zum einen die zweite Profilebene verbleibt, die dieser Maßnahme nicht unterworfen ist und damit zumindest die Schwingungsproblematik in diesem Profilebenenstrang nicht aufgehoben bzw. nicht optimal abgebaut ist.
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Abgesehen von dieser Problematik, ist durchaus festzustellen, dass Fliehkraftabscheider nach dem beschriebenen Stand der Technik schon wesentlich verbesserte Eigenschaften infolge wirksamerer Nutzung
der Fliehkräfte für die Abscheidung der Partikel aufweisen. Sie sind jedoch noch nicht hinsichtlich der technologisch-konstruktiven und funktionellen Parameter, wie
- – günstige Herstellung,
- – mechanisch fester Aufbau und unkritisches Schwingungsverhalten der Profilstränge,
- – geringe Bautiefe,
- – hoher Abscheidegrad,
- – minimaler Druckverlust,
- – größtmögliche Fliehkraft- und Schwerkraftabscheidung,
- – geringe Eigen-Geräuschentwicklung und
- – relativ große Bandbreite von Anströmgeschwindigkeiten ausreichend optimiert.
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Wie oben schon angeführt, ist zu der Lösung gemäß der
DE 100 42 443 A1 festzustellen, dass davor schon Krapf & LEX Nachf. Verkehrstechnik GmbH & Co. KG, Lüftungs- und Filtertechnik für Fahrzeuge, gemäß Firmenprospekt vor dem 30.08.2000 so benannte „Mehrfachdüsen-Lüftungsgitter” öffentlich gemacht hat, denen zu entnehmen ist, dass die Einströmprofile mit den in Strömungsrichtung dahinter liegenden Abscheideprofilen der dritten Profilebene mit einem Steg verbunden sind.
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Speziell auf dem Gebiet des Schienenfahrzeugbaus hat sich die einschlägige Fachwelt mit den mechanischen Abscheidegittern für die Kühlluft-Ansaugung in Triebfahrzeugen betreffend die Funktion, Anordnung, konstruktive Gestaltung und Strömungsfelder in den Profilquerschnitten befasst. So wurde die Komplexität dieser Problematik hinsichtlich
- – des Wirkprinzips der seinerzeit so genannten Fliehkraft-Sedimentations-Abscheider,
- – der Bemühungen der computergestützten Optimierung der Gitterkontur des Abscheiders,
- – der Versuche zur Ermittlung der Leistungsparameter der Staub- und Flüssigkeitsabscheidung, der Druckverluste sowie des Schalldruckpegels und des Schallfrequenzspektrums und
- – der Betriebserprobungen, praktischen Anwendungen und des weiteren Ausblicks in „Glasers Annalen” (ZEV + DET Glas. Ann. 118 (1991) Nr. 11/12) umfassend dargestellt und veröffentlicht.
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Es ist heute festzustellen, dass die erreichten Vervollkommnungen sich sowohl auf empirische Ergebnisse als auch auf Messungen der jeweiligen Parameter unter Nutzung von Ergebnissen der wissenschaftlichen Strömungsoptimierung stützten. Jedoch sind die Möglichkeiten von Verbesserungen noch nicht voll ausgeschöpft.
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Um den Ansätzen für den erhöhten Anforderungen gerecht werdenden Lösungen näher zu kommen, wurde darüber hinaus intern hier ausgewertet, inwieweit sich die bisherigen beschriebenen Ausführungen von Fliehkraftabscheidern hinsichtlich der Gestaltung der Elemente und Profile wie Abscheidegitter unter Beachtung der Verbesserung der entscheidenden Parameter weiter entwickeln lassen.
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In den hiesigen Untersuchungen wurde u. a. davon ausgegangen, Effekte einer starken Beschleunigung und die Stauumlenkung vor einem strömungstoten Raum zur Erzeugung starker Fliehkräfte auf im Luftstrom befindliche Partikel, wie schon bei üblich bekannten Zyklonabscheidern, zu nutzen. Es erscheint somit, daß die vorstehend beschriebenen, bekannten Fliehkraftabscheider mit den beschriebenen Anordnungen von Abscheidegittern verbesserungsfähig sind. So mussten nach wie vor relativ komplizierte Ausführungen hinsichtlich einer Mehrzahl von verschiedenen Profilsträngen in Kauf genommen werden, um geringe Fortschritte für die gattungsgemäßen Fliehkraftabscheider zu erreichen. Vorteile in Einzelheiten waren stets mit der Inkaufnahme oder dem Bleiben von Nachteilen und der Verschlechterung funktionell korrespondierender Parameter verbunden.
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Bei diesen analytischen Untersuchungen wurde herausgefunden, dass in „Aerosol Science and Technology” I. R. Torczynski und D. J. Rader in der Ausgabe 26: 6 Juni 1997 und Chih-Chieh Chen, Sheng-Hsin Huang, Wen-Yinn Lin, Tung-Sheng Shih und Fu-Tien Jeng in der Ausgabe 31: 6 Dezember 1999 an virtuell gebildeten einfachen Modellen für ein entfernt liegendes Fachgebiet der Aerosole den Zykloneffekt mit den laminaren und turbulenten Strömungsverhältnissen (vereinfacht) auch dargestellt haben.
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In Auswertung dieser Veröffentlichungen wurde durch Versuche ermittelt, dass die Abscheidewirkung der bisher bekannten gattungsgemäßen Fliehkraftabscheider wesentlich auf Längsbeschleunigungen (Verzögerungen) in den Aufstauprofilen oder schon oben genannten Abscheideprofilen beruhte.
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Hier setzt nun die Erfindung an und stellt sich die Aufgabe, bei gattungsgemäßen Fliehkraftabscheidern verfahrensgemäß die Durchströmung der Luft zu longitudinalen oder transversalen Beschleunigungen zu zwingen, denen die mitgeführten Partikel, wie Staub und/oder Wasser in seinen verschiedenen Aggregatzuständen infolge ihrer höheren Dichte und Trägheit nicht mehr folgen können.
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Gelöst wird die Aufgabe mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich unter anderem aus den abhängigen Ansprüchen. Dabei soll die Abscheidewirkung
- – anders als bisher – auch durch Querbeschleunigungen (Zentrifugalbeschleunigungen) und durch extrem enge Umlenkradien, große Umlenkwinkel sowie hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Umlenkungen verstärkt werden, um – die in der Praxis erzeugten Bandbreiten von höheren Anströmungsgeschwindigkeiten zu bewältigen, jedoch geringe Druckverluste hinzunehmen,
- – den Abscheidegrad von Tröpfchen und Korn aus der Außenluft weiter zu erhöhen,
- – dominante Strömungsgeräusche und kritische Schwingungen der angeströmten Profile zu vermeiden und
- – dabei auch Überströmgeschwindigkeiten des Fliehkraftabscheiders durch z. B. Fahrgeschwindigkeiten bis ca. 350 km/h zu realisieren, ohne die Abscheidung überhaupt zu beeinträchtigen.
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Im Sinne der Aufgabe ist der Fliehkraftabscheider konstruktiv so zu gestalten, dass die angeströmten Profile sich in einheitlichen, d. h. gleichförmigen Profilsträngen eines Abscheidegitters ausführen lassen und diese
- – in Anströmungsrichtung gesehen von vorn und seitlich anströmbar sind,
- – auch mit vorgesetzten Blechen mit Öffnungen oder Sieben sicher funktionieren,
- – Einbaulagen von +/–45° zur Senkrechten funktionell sicher ermöglichen und
- – auch relativ große Einbauhöhen ohne Schwingungsprobleme zulässt, und als wesentlichen Abscheidemechanismus einen „virtuellen Zyklon” funktionell/baulich integriert.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe für Abscheidegitter mit einheitlichen, d. h. gleichförmigen Profilsträngen nach dem Verfahren zur Durchströmung des Fliehkraftabscheiders mit den Verfahrensschritten nach den Ansprüchen 1 bis 19 gelöst.
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Hiernach wird im wesentlichen vorgesehen, dass die Strömung mittels konvex gekrümmter Wandungen zu einer extremen Richtungsänderung gezwungen wird und diesen Wandungen gegenüber kammerartige Auffangbereiche mit Rezirkulationsgebieten gebildet werden, und zwar in drei charakteristischen Strömungsgebieten eines Profilstrangs. Somit wurden die neuen verfahrensmäßigen Strömungsabläufe für die konstruktive Realisierung eines virtuellen Zykloneffektes für einheitliche Profilstränge herausgefunden, bei denen die Abscheidung von staubförmigen Partikeln besonders hoch sein muss, d. h. praktisch 100% erreicht.
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Dabei ist hervorzuheben, dass das Prinzip der Erfindung den jeweiligen Bedingungen der Praxis entsprechend
- – mit den Verfahrensschritten und -bedingungen des Anspruches 1 allein schon bestimmt ist und
- – mit den erfinderischen Maßnahmen der Ansprüche 2 bis 19 sowohl einzeln ausbaufähig als auch in ihrer Gesamtheit maximal ausschöpfbar wird.
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Zur Anwendung des Verfahrens wird der erfindungsgemäße Fliehkraftabscheider gemäß den Merkmalen der Ansprüche 20 bis 29 ausgeführt.
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Auch hier ist herauszustellen, dass das erfindungsbestimmende Profil des Abscheidegitters
- – mit den konstruktiven Merkmalen des Anspruchs 20 erfüllbar ist, d. h. auch ohne Ausbildung von zweiten und dritten kammerartigen Auffangbereichen S3, S6, jedoch
- – mit den Ausbildungen analog den 1 und 2 seine Vervollkommnung gemäss den Merkmalen der folgenden Ansprüche, insbesondere der Ansprüche 21 bis 26 erhält.
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Dieser funktionell und konstruktiv sowie vor allen Dingen mit der technologisch günstigen Möglichkeit einheitlicher Profilstränge neu gestaltete Fliehkraftabscheider schafft durch die verhältnismäßig großen taschenartigen Auffangbereiche und den in wirkungsmäßiger Verknüpfung integrierten Rezirkulationsströmungen eine Abscheideeffizienz, die vor allem für die Feststoffpartikel überraschend hoch ist und bisher nicht erreichbar war.
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Darüber hinaus lässt die konstruktive Möglichkeit der groß dimensionierten Auffangbereiche vorteilhaft zu, auch große Volumenströme von Flüssigkeiten abzuscheiden und abzuführen, womit sich ein baulich-konstruktiver Vorteil beim Anwender ergibt, weil als Kerngeschwindigkeit höhere Durchströmungsgeschwindigkeiten gewährleistet werden können.
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Schlüssig zur Aufgabenstellung wurde ein wesentlich verbessertes Produkt mittels einheitlicher, d. h. gleichförmiger Profilstränge geschaffen, welches die einschlägige Gattung zu einem tatsächlichen Fliehkraft-virtuellen-Zyklonabscheider vervollkommnet und weiter entwickelt hat.
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Diese Vorteile und Verbesserungen können zur Erhöhung der Gebrauchseigenschaften beim Anwender beitragen, ohne zusätzliche Druckverluste aus der Durchströmung und/oder nachteilige Schwingungen hinnehmen zu müssen.
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Schließlich ist auch der technologische Vorteil, das Abscheidegitter aus nur noch einem einzigen Strangpressprofil zusammensetzen zu können, entscheidend für eine Senkung des Bauaufwandes und der Kosten und charakteristischer Ausdruck der Erfindung.
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Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen die 1 bis 5 den Fliehkraftabscheider mit den Strömungsverhältnissen und einem Abscheidegitter aus einheitlichen, d. h. gleichförmigen Profilsträngen. Die 6 zeigt die schematischen Ansichten des Fliehkraftabscheiders.
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Im Einzelnen zeigen
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1 der sich in seiner Länge über die Höhe des den Fliehkraftabscheider mit einem Abscheidegitter aus einheitlichen Profilsträngen erstreckende, erfindungsgemäße Profilstrang in perspektivischer Darstellung, aus dem das Abscheidegitter gebildet wird,
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2 der Querschnitt durch die angeströmten Profilstränge nach 1 in ihrer prinzipiellen Zuordnung mit den erfindungswesentlichen Profilausbildungen und Strömungsbereichen in einem schematischen Ausschnitt einer ersten Variante eines Fliehkraftabscheiders,
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3 die versuchsgemäße Darstellung der Stromlinien bei verfahrensanaloger Durchströmung der nach 1 ausgebildeten und angeordneten Profilstränge,
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4a) und b) die versuchsgemäße Darstellung der Festpartikelbahnen bei verfahrensanaloger Durchströmung entsprechend 3,
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5a) und b) die versuchsgemäße Darstellung der flüssigen Partikelbahnen bei verfahrensanaloger Durchströmung entsprechend 3 und
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6 einen schematisch dargestellten Fliehkraftabscheider,
- a) in der Vorderansicht,
- b) in der Seitenansicht im Schnitt und
- c) in der Draufsicht.
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Aus 6, Ansichten a), b) und c) ist der prinzipielle Aufbau eines gattungsgemäßen Fliehkraftabscheiders mit den vertikal verlaufenden Profilsträngen 1, die in einem Rahmen 2 gehalten und mittels in diesem Fall z. B. Schneidschraubenverbindung als Verbindungsmittel 2.2 in entsprechenden Profilausbildungen befestigt sein können, schematisch dargestellt. Mit H ist die Höhe, mit B die Breite des Fliehkraftabscheiders und mit I die Länge der Profilstränge 1 bezeichnet. Eine Tiefe T wird in etwa von der Breite b (1) der Profilstränge 1 ausgefüllt.
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Eine Anzahl von Profilsträngen 1 bildet das so genannte Abscheidegitter 3, welches von der Seite Le in Richtung des Pfeils (6b)) angeströmt wird, wobei die Luft, nachdem sie das Abscheidegitter 3 passiert hat, gereinigt an der Seite La und in Richtung des Pfeils ausströmt sowie dann dem zu belüftenden Objekt zugeführt wird.
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Der Fliehkraftabscheider weist einen Abführbereich 2.1 (6b)) auf. In diesem sammeln sich die an den Profilausbildungen über die Länge der Profilstränge 1 abgeschiedenen und aufgefangenen festen und flüssigen Partikel infolge Schwerkraft und nach unten (Pfeil) gerichteter Schubströmung und werden dort über nicht näher dargestellte und nicht bezeichnete Öffnungen abgeführt.
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Durch diese Zwangswirkung unterliegen die für die Abscheidung verantwortlichen Profilausbildungen einer ständigen Abführung der abgeschiedenen Partikel aus diesen Bereichen und sind für stetige Abscheidungen aus der zuströmenden Luft wiederum frei.
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Wie in 1 dargestellt und auch aus den 2 bis 5 ersichtlich, ist jeder Profilstrang 1.1 aus einem einzigen, d. h. gleichförmigen Strangpressprofil herstellbar.
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In der 2 ist die einströmende Luft Le und die ausströmende Luft La sowie deren Strömungsrichtung ebenfalls mit den Pfeilen angedeutet.
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Zunächst werden Ablauf und Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Fliehkraftabscheider in seiner funktionellen und konstruktiven Verknüpfung in einem Abscheidegitter 3 mit einheitlichen Profilsträngen 1.1 beschrieben.
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In 2 ist das aus einheitlichen Profilsträngen 1.1 gebildete Abscheidegitter 3 im Querschnitt schematisch dargestellt. Die eingetragenen Bereiche S0 bis S9 bezeichnen Strömungsgebiete, auf die im Folgenden Bezug genommen wird. Die Bezugszeichen P0 bis P5 markieren für die Funktionsbeschreibung relevante Teile des Abscheideprofils. Die Besonderheiten der Partikelabscheidung in den Profilen werden an Hand der durch die Versuche bestätigten Ergebnisse und Messungen näher erläutert.
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Die einzelnen Stationen der Durchströmung durch das Abscheidegitter 3 der Profilstränge 1.1 werden von der Einströmseite der Luft Le bis zur Seite der Ausströmung der Luft La in Funktionsschritten dargestellt. Diese sind erfindungswesentlich und unter Bezugnahme auf die 2 wie folgt bestimmt:
- – Im Einströmungsgebiet von S0 nach S1 wird die Strömung durch die Zuströmprofile P0 um ungefähr den Faktor 4 beschleunigt, was in 3 mit den dargestellten Stromlinien symbolisch verdeutlicht dargestellt ist.
- – In einem ersten Strömungsgebiet von S1 nach S4 wird der Hauptstrom um fast 45° abgelenkt.
- – In einem ersten und zweiten kammerartigen Auffangbereich S2 und S3 für Partikel wird die Strömung aufgestaut, und die mittleren Geschwindigkeiten verzögern sich auf nahezu null.
- – Der Hauptstrom wird dann entlang einer Profilzunge P2 einem zweiten Strömungsgebiet von S4 nach S8 zugeführt und stark um ungefähr 90° umgelenkt. Diese Bereiche stellen zusammen mit den dazu gehörigen Auffangbereichen die aufgabengemäß angestrebten, eigentlichen virtuellen Zyklone dar.
- – In einem dritten kammerartigen Auffangbereich von S5 nach S6 wird die Strömung wieder aufgestaut, wobei an der Stelle S5 ein langsam rotierendes Rückströmgebiet (siehe 3) entsteht, das durch die Hauptströmung im zweiten Strömungsgebiet von S4 nach S8 angetrieben wird.
- – In diesem dritten kammerartigen Auffangbereich S6 bildet sich ein sekundär zirkulierendes Tot (wasser) gebiet (4a), b)), und in einem vierten kammerartigen Auffangbereich S7 reduziert sich die Strömungsgeschwindigkeit auf einen Wert von fast null.
- – Ein durch die ersten und zweiten Profiloberflächen P5.1 und P5.2 gebildeter Diffusor expandiert die Strömung wieder teilweise und dient dem Druckrückgewinn im dritten Strömungsgebiet, wonach von S8 nach S9 bei S9 der Luftstrom wieder aus dem erfindungsgemäßen Abscheidegitter 3 austritt.
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Der überraschend verhältnismäßig geringe, gesamte Verlust an Totaldruck bei der Durchströmung von Le nach La ist erfindungsbestimmend folgendermaßen verteilt:
- – Die Beschleunigung im Einströmungsgebiet von S0 nach S1 erfolgt praktisch verlustfrei.
- – Es treten lediglich Druckverluste bei der Durchströmung der Abscheidestufen S1–S4–S8 in den entsprechenden ersten und zweiten Strömungsgebieten auf, was gegenüber dem Stand der Technik mindestens nicht von Nachteil ist.
- – Zwischen S8 und S9 im dritten Strömungsgebiet wird durch den Diffusor ein Teil des dynamischen Drucks zurückgewonnen, wobei insgesamt die Konturen des Profilstrangs 1.1 auf Ablösefreiheit optimiert ausgebildet und dadurch die Druckverluste der Strömung minimiert sind.
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Die nahezu 100%ige Abscheidung von Feststoffpartikeln gemäß der erfindungsgemäßen Ausführung wird dadurch erzielt, dass die Strömung (wie aus den 4a) und 4b) ersichtlich) zielgerichtet zu longitudinalen oder transversalen Beschleunigungen gezwungen wird, denen die mitgeführten Partikel infolge ihrer höheren Dichte (und damit Trägheit) nicht folgen können. Dabei zeigen strömungsbildlich verdeutlicht
- – 4a) die Festpartikelbahnen unter den Bedingungen der Parameter dstaub ≤ 10 μm und U = 5 m/s und
- – 4b) die Festpartikelbahnen unter den Bedingungen der Parameter dstaub ≥ 30 μm und U = 5 m/s.
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Die Abscheidewirkung der Querbeschleunigungen (Zentrifugalbeschleunigungen) wird aufgabengemäß verstärkt durch enge Umlenkradien, große Umlenkwinkel und hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Umlenkungen. Im Vergleich zum beschriebenen, vorangehenden Stand der Technik, z. B. gemäß
DE 100 42 443 A1 , dessen Abscheidewirkung wesentlich auf Längsbeschleunigungen (Verzögerungen) in den Aufstauprofilen beruht, kommt der Hauptanteil der erfindungemäßen Wirkungen des Verfahrens und des Fliehkraftabscheiders aus den Querbeschleunigungen.
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Im Einzelnen sind die Mechanismen der Abscheidung der Feststoffpartikel wie folgt darzustellen:
- – Im Einströmungsgebiet von S0 nach S1 werden die Partikel zusammen mit der Strömung beschleunigt und deren Impulse erhöht.
- – Da die Fläche des Zuströmprofils P0 (wie ein vorderes Tragflächenprofil) gekrümmt ist, lenkt die somit erwirkte Zentrifugalbeschleunigung die im Randbereich mitgeführten Teilchen in ihrer Tendenz quer zur Hauptströmungsrichtung hin zur Mitte des Einströmungsquerschnittes S1.
- – Die Partikel, die der Änderung der Strömungsrichtung um etwa 45° zwischen dem ersten Einsrömungsgebiet S1–4 nicht folgen können, werden in den ersten kammerartigen Auffangbereich S2 ausgeschleudert, in dem sehr niedrige Strömungsgeschwindigkeiten vorherrschen.
- – Im ersten kammerartigen Auffangbereich S2 wird der Impuls der Teilchen durch Stöße und Reflektionen an den Wanden abgebaut (4a) und 4b)), und der zweite kammerartige Auffangbereich S3 erhöht die Anzahl der Wandkollisionen und fangt einige Teilchen ein (4a) und 4b)).
- – Durch die starke Richtungsänderung der Strömung zwischen dem zweiten Strömungsgebiet S4 und S8 von fast 90° bei engem Radius und hoher Geschwindigkeit, geführt durch die Profilzunge P2, werden die Partikel zum Rückströmgebiet S5 und in den dritten kammerartigen Auffangbereich S6 ausgeschleudert. Außerdem kanalisieren die festen Berandungen der Strömung im Kanalgebiet S4 die Partikelbahnen. Die Teilchen passieren das Rückströmgebiet S5, zum Teil unter Mithilfe von Reflektion an der Profilfläche P4, und verlieren ihren Impuls durch Wandstöße im dritten kammerartigen Auffangbereich S6 (4a) und 4b)).
- – Die sekundäre Rezirkulationsströmung am dritten kammerartigen Auffangbereich S6 trägt für bestimmte Teilchendurchmesser und Teilchendichten dazu bei, dass die Partikel dort zunächst gefangen bleiben (4a)).
- – Der vierte kammerartige Auffangbereich S7 unterstützt die Abscheidewirkung für die Partikel, die durch Wandreflektionen in diesen Raum gelangen (4a) und 4b)), wobei nur geringe Partikel, die klein und/oder leicht genug sind, um den Querbeschleunigungen folgen zu können, oder die durch Wandreflektionen aus den Auffangbereichen herausgeschleudert werden, nicht abgeschieden werden und bei S9 des dritten Strömungsgebietes S8–S9 aus dem Abscheidegitter 3 austreten.
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Die erfindungsgemäß überraschenden Funktionsbereiche der Abscheidung sind somit folgendermaßen herauszustellen:
- – Die gekrümmten Flächen des Zuströmprofils P0 und der Profilzunge P2 erzeugen Zentrifugalbeschleunigungen in der Durchströmung, die zu einem Ausschleudern von mitgeführten Partikeln mit höherer Dichte als die der flüssigen Bestandteile führen.
- – Die ersten, zweiten, dritten und vierten kammerartigen Auffangbereiche S2 und S3 sowie S6 und S7 dienen als höchst effiziente Auffang- und Abscheidebereiche.
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Die erfindungsgemäße Abscheidung von Flüssigkeitströpfchen aus der Strömung entspricht vorteilhaft im Wesentlichen denen, die für Feststoffpartikel beschrieben wurden. Unterschiede zwischen dem Verhalten von Tröpfchen und dem von festen Partikeln treten erst dann auf, wenn das Teilchen auf eine Profilwand trifft. Während ein Feststoffpartikel nach einem elastisch/plastischen Stoß von der Wand reflektiert wird, bildet ein Tröpfchen nach einer Wandkollision einen Oberflächenfilm, der unter dem Einfluss der Wandschubspannung und der Gravitation abfließt. Allerdings können bei einem Tropfenaufprall auch Satellitentropfen entstehen. Die Durchmesser dieser Satellitentropfen können dann so klein sein, dass sie der Strömung bis zum Austritt aus dem Abscheidegitter 3 folgen können, jedoch ist deren Menge verhältnismäßig gering.
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Nachstehend werden die Vorgänge gemäß 5a) und 5b) aufgeführt, bei denen sich die Abscheidemechanismen für Tröpfchen von denen für Feststoffpartikel unterscheiden, wobei diese Wirkung zur Erreichung einer praktisch 100%igen Flüssigkeitsabscheidung gilt.
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Es zeigen in Verbindung mit 2 strömungsbildlich verdeutlicht
- – 5a) die flüssigen Partikelbahnen unter den Bedingungen der Parameter dwasser ≥ 10 μm und U = 5 m/s und
- – 5b) die flüssigen Partikelbahnen unter den Bedingungen der Parameter dwasser ≤ 10 μm und U = 5 m/s.
- – Die ersten, vor allem große Tropfen treffen bereits im Bereich des Zuströmprofils P0 auf die Profiloberfläche auf und fließen als Oberflächenfilm ab (5b)).
- – An den ersten und zweiten Ablösekanten P3.1 und P3.2 löst sich dieser Film von der Oberfläche und die Flüssigkeit wird in den ersten und dritten kammerartigen Auffangbereichen S2 und S6 abgeführt.
- – Alle Tröpfchen, die im ersten kammerartigen Auffangbereich S2 auf die Profiloberfläche auftreffen, fließen als Flüssigkeitsfilm infolge der Gravitation ab und werden somit abgeschieden.
- – Die Teilchen, die aus dem Kanalgebiet S4 über das Rückströmungsgebiet S5 in den dritten kammerartigen Auffangbereich S6 ausgeschleudert werden, treffen auf die Innenwände der so gebildeten Fangtasche und werden dort ausgeschieden.
- – Die ersten, zweiten, dritten und vierten kammerartigen Auffangbereiche S2 und S3 sowie S6 und S7 dienen sowohl als Auffangkammern für Flugtropfen als auch zur Abführung von Oberflächenflüssigkeitsfilmen.
- – Neben den Tröpfchen, die klein bzw. leicht genug sind, um der Strömung bis zum Austritt zu folgen, wird lediglich auch die sehr geringe Flüssigkeitsmenge, die sich erst im Bereich des durch die ersten und zweiten Profilausbildungen P5.1, P5.2 gebildeten Diffusors niederschlägt, nicht abgeschieden (5a)).
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Unterschiede zwischen den Eigenschaften, die sich auf die Durchströmung und auf die Abscheidemechanismen sowie auf die konstruktiven Besonderheiten beziehen, sind als erfinderisch herauszustellen:
- – Ein wesentlicher Abscheidemechanismus wird durch den aufgabengemäß angestrebten „virtuellen Zyklon” realisiert. Die diesbezüglichen Strömungsbereiche wurden deshalb hervorgehoben, wobei im Wesentlichen die Strömung mit Hilfe einer konvex gekrümmten Wand zu einer scharfen Richtungsänderung gezwungen wird. Dieser Wand gegenüber sind Auffangkammern angeordnet, in denen sich Rezirkulationsgebiete bilden, die strömungsberuhigte Räume darstellen und die effektive Abscheidung von Partikeln sichern.
- – Durch die großen Fangtaschen und deren Rezirkulationsströmungen in den ersten und zweiten Auffangbereichen S2 und S3 sowie im Strömungsgebiet S5 und in den dritten und vierten Auffangbereichen S6 und S7 (2 und 3) ist die Abscheideeffizienz auch für Feststoffpartikel überraschend sehr hoch:
- – Die groß dimensionierten Auffangkammern sind auch dann vorteilhaft, wenn große Volumenströme von Flüssigkeiten abgeschieden werden müssen, was funktionell als Kerngeschwindigkeit höhere Durchströmgeschwindigkeiten gewährleistet und konstruktive sowie bauliche Vorteile für den Anwender schafft.
- – Der Druckverlust der Durchströmung wurde dabei gegenüber dem Stand der Technik nicht verschlechtert.
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Damit werden durch den Fliehkraft-virtuellen Zyklonabscheider der Wirkungsgrad und die Verfügbarkeit von erfindungsgemäßen Fliehkraftabscheidern beim jeweiligen Anwender oder Betreiber in den Endprodukten bei günstiger technologischer Herstellung wesentlich erhöht.
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Hierbei ist technologisch besonders vorteilhaft, dass ein einheitlicher, d. h. gleichförmiger Profilstrang 1.1 als Strangpressprofil verwendet wird, was
den Bauaufwand und damit die Kosten reduzieren kann. Hervorzuheben bleibt, daß die Abscheidegitter 3 mit besagten einheitlichen Profilsträngen 1.1 für die im Vordergrund stehende optimale Abscheidung aller Partikel, vorrangig von Feststoffpartikeln Anwendung finden.
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Der Fliehkraftabscheider kann zweckmäßig an den der einströmenden Luft ausgesetzten Flächen und/oder den der ausströmenden Luft ausgesetzten Flächen durch nicht dargestellte Lochbleche oder siebartige Gebilde abgedeckt sein.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, in den geschlossenen Hohlräumen der Anströmprofile, Heizelemente für beispielsweise der Begegnung von extremen Eis-/Schneebelastungen der anströmenden Luft anzuordnen.
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Der Fliehkraftabscheider kann in seiner Einbaulage bis zu +/–45° von der Senkrechten abweichen und eine derartige äußere Formgebung aufweisen, die der jeweiligen Formgebung der Anlage, Maschine, dem Fahrzeug und dgl. sowohl hinsichtlich der Gestaltung als auch der Dimensionierung anpassbar ist, ohne die erfindungsgemäßen Funktionen zu beeinträchtigen.
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Die Erfindung ist für die Praxis dann von größtem Nutzen, und zwar hinsichtlich der Eigenschalten, die sich auf die Durchströmung und Abscheidemechanismen sowie konstruktiven Besonderheiten beziehen, wenn sämtliche Merkmale der zuzuordnenden Verfahrensansprüche und der entsprechenden Ansprüche des Fliehkraftabscheiders funktionell und konstruktiv verknüpft konsequent für den vorrangigen Verwendungszweck angewendet und ausgeführt werden.
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Es wird somit möglich, ein Verfahren für die Durchströmung und einen Fliehkraftabscheider zu realisieren, wonach – je nach den Ausgangsprämissen –
- a) die mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 0,5 ... 1 bis zum Bereich von 6 ... 8 m/s einströmende Luft vorteilhaft um den Faktor bis zu 4 beschleunigt werden kann,
- b) flüssige Partikel aus der Luft mit einem Abscheidewirkungsgrad von bis zu 100% bei einer Tröpfchengröße von 20 μm abgeschieden werden können,
- c) feste Partikel aus der Luft mit einem Abscheidewirkungsgrad von nahezu 100% bei einer Korngröße von 60 μm und einer Dichte von 2,66 kg/m3 abgetrennt werden können und/oder
- d) die hinter den Diffusoren P5.1, P5.2 oder vergleichbaren Querschnitten der zweiten Variante entspannt ausströmende Luft einen relativ geringen und funktionell vernachlässigbaren Druckverlust aufweist.
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Für die Anwendung der Erfindung in Schienentriebfahrzeugen werden Überströmgeschwindigkeiten von bis zu 350 km/h zum Fliehkraftabscheider ohne Inkaufnahme bisheriger Nachteile wie Funktionseinbussen ermöglicht. Selbst die bisher dominanten und nachteiligen Funktionsgeräusche sind bei erfindungsgemäßer Ausführung weitgehend abgebaut und ohne praktische Bedeutung.
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Auch die Montage der jeweils benötigten Strangpressprofile und deren Fixierung kann einfach über lösbare oder unlösbare Verbindungen erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- Le
- Seite und Richtung der einströmenden Luft
- La
- Seite und Richtung der ausströmenden Luft
- S0–S1
- Einströmungsgebiet
- S1
- Einströmungsquerschnitt
- S1–S4
- erstes Strömungsgebiet
- S2
- erster kammerartiger Auffangbereich
- S3
- zweiter kammerartiger Auffangbereich
- S4
- Kanalgebiet
- S4–S8
- zweites Strömungsgebiet
- S5
- Rückströmgebiet
- S6
- dritter kammerartiger Auffangbereich mit sekundär zirkulierendem (Tot-)Gebiet
- S7
- vierter kammerartiger Auffangbereich
- S8–S9
- drittes Strömungsgebiet
- P0
- Zuströmprofil
- P2
- Profilzunge
- P3.1
- erste Ablösekante der Oberfläche des Zuströmprofils
- P3.2
- zweite Ablösekante der Oberfläche des Zuströmprofils
- P4
- Profilfläche
- P5.1
- erste Profiloberfläche
- P5.2
- zweite Profiloberfläche
- P5.3
- Abschlusswand
- 1
- Profilstrang
- 1.1
- einheitlicher, gleichförmiger Profilstrang
- 2
- Rahmen
- 2.1
- Abführbereich
- 2.2
- Verbindungsmittel
- 3
- Abscheidegitter
- l
- Länge eines Profilstrangs
- b
- Breite eines Profilstrangs
- H
- Höhe des Fliehkraftabscheiders
- B
- Breite des Fliehkraftabscheiders
- B1
- Breite des Abscheidegitters
- T
- Tiefe des Fliehkraftabscheiders
