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Die Erfindung betrifft einen Abscheider zum Abscheiden von Flüssigkeitströpfchen aus einem Aerosol gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aufgrund zunehmend strengerer Umweltverordnungen müssen auf den unterschiedlichsten Gebieten aus Flüssigkeitströpfchen mit sich führenden Gasen (Aerosolen) nicht nur größere Flüssigkeitströpfchen abgeschieden werden, sondern es ist anzustreben, aus solchen Aerosolen auch kleine und kleinste Flüssigkeitströpfchen abzuscheiden. Eine effiziente Abscheidung feinster Flüssigkeitströpfchen mit Durchmessern von weniger als 0,5 μm ist mit den üblichen herkömmlichen Abscheidern nicht möglich – bei herkömmlichen Trägheitsabscheidern mit einem von Prall- und/oder Umlenkwänden gebildeten Labyrinth oder in Form von Zentrifugalabscheidern ohne Antrieb, wie z. B. Zyklonen, wird der Abscheideeffekt durch das am Abscheider entstehende, maximal noch zulässige Druckgefälle in der zu behandelnden Gasströmung begrenzt, aber auch bei der Verwendung angetriebener Zentrifugen, wie z. B. der bekannten Tellerseparatoren, sind dem Abscheideeffekt bei noch vertretbarem technischen Aufwand Grenzen gesetzt, obwohl sich mit solchen angetriebenen Zentrifugen im Vergleich zu Trägheitsabscheidern höhere Abscheideraten von feinsten Flüssigkeitströpfchen mit Durchmessern von weniger als 0,5 μm erzielen lassen.
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In der älteren deutschen Patentanmeldung
DE 10 2008 030 028 A1 (Anmeldetag 13. Juni 2008) der ElringKlinger AG wird ein Zentrifugalabscheider mit einem drehantreibbaren Tellerseparator beschrieben, bei dem mindestens einige der Teller des Tellerseparators so gestaltet sind, dass zumindest Bereiche der Oberfläche eines solchen Tellers Oberflächenstrukturen (im Folgenden Koaleszenzelemente genannt) aufweisen, welche die Koaleszenz kleiner und kleinster Flüssigkeitströpfchen zu größeren Flüssigkeitströpfchen bewirken. Bei diesen Oberflächenstrukturen handelt es sich insbesondere um Unebenheiten bzw. Rauigkeiten, d. h. Vertiefungen und/oder Vorsprünge, oder um Öffnungen einer solchen Gestalt und Größe, dass diese Oberflächenstrukturen eine Koaleszenz sehr kleiner Flüssigkeitströpfchen zu größeren Flüssigkeitströpfchen signifikant fördern.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Abscheider zum Abscheiden von Flüssigkeitströpfchen aus einem Aerosol, mit einem in einem Gehäuse angeordneten, um eine Rotorachse drehbaren Rotor, der einen mit einer Antriebswelle drehantreibbar verbundenen Tellerseparator aufweist, mit einem Gasströmungspfad zwischen einem Rohgaseinlass für ein abzuscheidende Flüssigkeitströpfchen mitführendes Gas und einem Reingasauslass für das von den Flüssigkeitströpfchen mindestens weitgehend befreite Gas, sowie mit einem Flüssigkeitsauslass für die abgeschiedene Flüssigkeit.
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Ein solcher Abscheider ergibt sich z. B. aus der
DE 103 38 770 B4 . Bei diesem bekannten Abscheider wird der Tellerseparator von einer Glocke (Korb genannt) überfangen, deren mit der Rotorachse koaxiale zylindrische Umfangswand alle Teller des Tellerseparators umschließt, wobei diese Glocke hauptsächlich eine gleichmäßige Verteilung des zu reinigenden Gases auf die Teller des Tellerseparators bewirken soll. Nebenbei soll die Glocke auch als Vorabscheider dienen.
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Im Hinblick darauf, dass die dem Umweltschutz dienenden Vorschriften immer mehr verschärft werden und sich auch bei Zentrifugalabscheidern mit einem angetriebenen Tellerseparator hinsichtlich der Abscheiderate von Flüssigkeitströpfchen mit einer Tröpfchengröße von 1 μm oder etwas weniger selbst durch eine im Hinblick auf den erforderlichen Energieaufwand noch wirtschaftlich sinnvolle Erhöhung der Drehzahl des Tellerseparators und/oder durch eine Veränderung der Geometrie des Tellerseparators keine signifikanten Verbesserungen erzielen lassen, lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Abscheider der vorstehend definierten Art so zu verbessern, dass sich mit ihm aus einem zu reinigenden Gasstrom sehr kleine und kleinste Flüssigkeitströpfchen deutlich weitgehender abscheiden lassen als mit den dem vorbekannten Stand der Technik zuzurechnenden Tellerseparator-Zentrifugalabscheidern.
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Gelöst wird die Aufgabe der Erfindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich unter anderem aus den abhängigen Ansprüchen.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung eine Kombination zweier unterschiedlicher Abscheidekonzepte vor, nämlich die Kombination eines einen Tellerseparator enthaltenden Zentrifugalabscheiders mit einem diesem insbesondere vorgeschalteten Labyrinthabscheider derart, dass bei einem Abscheider der vorstehend definierten Art erfindungsgemäß in einem Ringraum zwischen dem Umfang des Tellerseparators und einer diesen umschließenden Umfangswand des Abscheider-Gehäuses mindestens zwei Abscheidewände angeordnet sind, welche den Tellerseparator umfassen, in bezüglich der Rotorachse radialer Richtung aufeinanderfolgen und jeweils ein erstes und ein zweites axiales Ende aufweisen, wobei die ersten bzw. die zweiten axialen Enden der Abscheidewände einander in radialer Richtung benachbart sind und in radialer Richtung aufeinanderfolgende Abscheidewände abwechselnd nur an ihrem ersten axialen Ende oder nur an ihrem zweiten axialen Ende von der Gasströmung unter Umlenkung derselben umströmbar sind. In einem Schnitt durch den erfindungsgemäßen Abscheider längs einer die Rotorachse enthaltenden Ebene bilden die Abscheidewände also einen labyrinthförmigen oder mäandertörmigen Gasströmungspfad.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination der beiden unterschiedlichen Abscheidekonzepte lassen sich aus einem Aerosol auch feine und feinste Flüssigkeitströpfchen mit Tröpfchendurchmessern zwischen ungefähr 0,1 μm und ungefähr 100 μm mit einer hohen Abscheiderate abscheiden.
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Ein erfindungsgemäßer Abscheider ist insbesondere als Ölnebelabscheider für die Kurbelgehäuseentlüftung eines Hubkolben-Verbrennungsmotors gestaltet, wie er in eine Entlüftungsleitung eines solchen Motors zwischen dessen Kurbelgehäuse und einem Ansaugrohr des Motors eingebaut wird. Durch eine solche Entlüftungsleitung werden die im Kurbelgehäuse anfallenden sogenannten Blow-by-Gase in die Verbrennungsräume des Motors eingeleitet, und da sich mit einem erfindungsgemäßen Abscheider die Motoröl-Tröpfchen aus den Blow-by-Gasen zumindest nahezu vollständig abscheiden lassen, führt ein erfindungsgemäßer Abscheider zu einer deutlichen Verbesserungen der Qualität der ins Freie gelangenden Abgase des Motors.
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Aus der
DE 296 05 508 U1 ergibt sich ein Gerät für die Reinigung von Kurbelgehäuseabgasen mittels einer Gruppe von konzentrischen zylindrischen Abscheidewänden, welche in bezüglich einer Antriebswelle radialer Richtung abwechselnd stationär sind bzw. durch die Antriebswelle rotatorisch angetrieben werden und labyrinthartige Strömungspfade für die Kurbelgehäuseabgase bilden. Bei der in
2 dieses Dokuments dargestellten Ausführungsform ist die von den zu reinigenden Gasen zuerst angeströmte, radial äußerste Abscheidewand an einer durch die Antriebswelle drehantreibbaren Trägerplatte befestigt, und Gleiches gilt für eine dritte und fünfte Abscheidewand (in radialer Richtung von außen nach innen), während eine zweite und eine vierte Abscheidewand an einem mit Ölablauflöchern versehenen Zwischenboden eines Gerätegehäuses befestigt und damit stationär sind. Letzteres gilt auch für eine radial innerste Abscheidewand, welche von einem rohrförmigen zentralen Auslassstutzen für das gereinigte Gas gebildet wird und auf deren radial äußere Wandfläche die Gasströmung auftrifft, nachdem sie das axial untere Ende der innersten rotierenden Abscheidewand umströmt hat.
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Ein erfindungsgemäßer Abscheider für die Abtrennung des Ölnebels von den Blow-by-Gasen eines Verbrennungsmotors ist erfindungsgemäß insbesondere in die Zylinderkopfhaube (auch Ventilhaube genannt) eines Verbrennungsmotors integriert, er kann aber auch außerhalb der Zylinderkopfhaube angeordnet werden.
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Um im Abscheider soweit wie möglich rotationssymmetrische Strömungsverhältnisse zu schaffen, ist bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders der Ringraum zwischen Tellerseparator und Gehäuseumfangswand koaxial mit der Rotorachse gestaltet; demselben Zweck dient es, wenn die Abscheidewände koaxial mit der Rotorachse ausgebildet sind. In gleichem Sinne vorteilhaft ist es, wenn der Ringraum rotationssymmetrisch zur Rotorachse gestaltet ist und/oder die Abscheidewände rotationssymmetrisch zur Rotorachse gestaltet sind.
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Die Abscheidewände können bezüglich des Gehäuses alle oder nur zum Teil stationär angeordnet sein, während dann die nicht-stationären Abscheidewände um die Rotorachse drehantreibbar sind. Es hat sich nämlich gezeigt, dass durch die Rotation mindestens einer Abscheidewand der Abscheideeffekt deutlich verbessert werden kann. Um auf einen zweiten Antrieb verzichten zu können, ist bei besonders vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders jede drehantreibbare Abscheidewand mit dem Tellerseparator drehantreibbar verbunden.
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Damit die Abscheidewände möglichst kostengünstig und dennoch sicher im Gehäuse gehalten werden, und zwar unter gleichzeitiger Schaffung eines labyrinthartigen Gasströmungspfads radial außerhalb des Tellerseparators, wird empfohlen, zwei in Richtung der Rotorachse im Abstand voneinander angeordnete und sich quer zur Rotorachse erstreckende, die Abscheidewände zwischen sich aufnehmende Trägerplatten vorzusehen und in radialer Richtung aufeinanderfolgende Abscheidewände abwechselnd mit der einen oder mit der anderen Trägerplatte fest zu verbinden. Wenn alle Abscheidewände stationär sind, können zwei Stirnwände des Abscheidergehäuses beide Trägerplatten bilden, um die Konstruktion möglichst einfach zu gestalten. Je nach dem, ob alle Abscheidewände rotieren oder die Abscheidewände abwechselnd rotieren und stationär sein sollen, sind beide Trägerplatten um die Rotorachse drehantreibbar oder ist nur eine der beiden Trägerplatten drehantreibbar, während die andere Trägerplatte vorzugsweise von einer Stirnwand des Abscheidergehäuses gebildet wird.
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In einem erfindungsgemäßen Abscheider können die Abscheidewände so ausgebildet und angeordnet sein, dass sie nur als Prallwände für die zu behandelnde Gasströmung und der Umlenkung dieser Gasströmung dienen. Bei bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders sind die Abscheidewände oder ein Teil derselben jedoch so ausgebildet, dass sie die Koaleszenz von kleineren Flüssigkeitströpfchen zu verhältnismäßig großen Flüssigkeitstropfen in hohem Maße fördern. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, den Abscheider so zu gestalten, dass mindestens eine der Abscheidewände zumindest Oberflächenbereiche aufweist, in denen die Wandoberfläche zur Bildung von eine Koaleszenz kleiner Flüssigkeitströpfchen zu größeren Flüssigkeitströpfchen bewirkenden Koaleszenzelementen uneben gestaltet ist.
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Für die Verwirklichung solcher koaleszenzfördernden Oberflächenbereiche werden mehrere Gestaltungen vorgeschlagen, die auch in Kombination miteinander zum Einsatz kommen können: Ein Koaleszenzelemente aufweisender Oberflächenbereich einer Abscheidewand kann eine raue, insbesondere eine poröse Wandoberfläche aufweisen, wobei ein Koaleszenzelemente aufweisender Oberflächenbereich von einem Belag der betreffenden Abscheidewand gebildet werden kann; ein solcher Belag wird dann insbesondere von einem der folgenden Materialien gebildet: Gewebe, Faservlies, Schaumstoffe und Sintermaterialien. Ein Koaleszenzelemente aufweisender Abscheidewandbereich kann aber auch in bezüglich der Rotorachse radialer Richtung gasdurchlässig gestaltet werden, wobei hierfür empfohlen wird, einen Koaleszenzelemente aufweisenden Abscheidewandbereich oder die ganze betreffende Abscheidewand aus einem Gewebe aus Metall- oder Kunststoffdraht oder aus einem offenporigen, gasdurchlässigen Material herzustellen.
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Obwohl es grundsätzlich denkbar wäre, einen erfindungsgemäßen Abscheider so zu gestalten, dass der zu behandelnde Gasstrom zunächst dem Tellerseparator zugeführt und dann im Labyrinthabscheider nachbehandelt wird, ist eine entgegengesetzte Führung des Gasstroms zu bevorzugen; besonders vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Abscheiders zeichnen sich deshalb dadurch aus, dass der Gasströmungspfad und damit die Richtung der Gasströmung vom Rohgaseinlass zu den vom Gehäuse und den Abscheidewänden gebildeten Ringräumen und von diesen über Zwischenräume zwischen Tellern des Tellerseparators zu einem von letzterem gebildeten axialen Kanal führt, welcher die Rotorachse beinhaltet und mit dem Reingasauslass verbunden ist.
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Um die Abscheideleistung eines erfindungsgemäßen Abscheiders bezüglich der Abtrennung kleinster Flüssigkeitströpfchen aus dem Gasstrom noch weiter zu erhöhen, ist es von Vorteil, wenn mindestens einige der Teller des Tellerseparators zumindest Oberflächenbereiche aufweisen, in denen die Telleroberfläche zur Bildung von eine Koaleszenz kleiner Flüssigkeitströpfchen zu größeren Flüssigkeitströpfchen bewirkenden Koaleszenzelementen uneben gestaltet ist. Bezüglich der Ausbildung der Teller dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders wird auf die vorstehenden Ausführungen zur Gestaltung der Abscheidewände zwecks Bildung von Koaleszenzelementen verwiesen.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten zeichnerischen Darstellung und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen eines Abscheiders, von dem sich der erfindungsgemäße Abscheider jedoch dadurch unterscheidet, dass seine Abscheidewände alle drehantreibbar sind, u. z. zusammen sowie gleichsinnig mit dem Tellerseparator.
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In der Zeichnung zeigen:
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1: einen axialen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines wie vorstehend beschrieben von der Erfindung abweichenden Abscheiders, und zwar längs einer Ebene, welche eine Rotorachse eines Tellerseparators dieses Abscheiders enthält, und
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2 bis 5: verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäß gestalteter Bereiche eines Tellers des Tellerseparators oder einer Abscheidewand einer Labyrinthabscheidevorrichtung, welche Bestandteil des erfindungsgemäßen Abscheiders ist.
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Der in 1 im Schnitt dargestellte erfindungsgemäße Abscheider hat ein als Ganzes mit 10 bezeichnetes Gehäuse mit einer insbesondere kreiszylindrischen Umfangswand 12, einer oberen ebenen Stirnwand 14 und einer zu dieser insbesondere parallelen unteren Stirnwand 16, welches bis auf einen Rohgaseinlass, einen Reingasauslass und einen Flüssigkeitsauslass geschlossen ist. Das Gehäuse 10 beinhaltet zwei nach unterschiedlichen Prinzipien arbeitende Abscheidevorrichtungen für von dem zu behandelnden Rohgas mitgeführte Flüssigkeitströpfchen, nämlich in einem zentralen Bereich des Gehäuses 10 einen Tellerseparator 18 und eine den letzteren umschließende Labyrinthabscheidevorrichtung 20, welche in einem Ringraum 22 zwischen dem Außenumfang des Tellerseparators 18 und der Gehäuseumfangswand 12 angeordnet ist.
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Der Tellerseparator 18 ist rotationssymmetrisch zu einer Rotorachse 24 gestaltet, und dies gilt bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders auch für das Gehäuse 10 und die Labyrinthabscheidevorrichtung 20.
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Eine mit der Rotorachse 24 koaxiale Antriebswelle 26 ist durch nicht dargestellte Mittel drehbar im Gehäuse 10 gelagert und dient dem rotatorischen Antrieb eines Tellerpakets 28 des Tellerseparators 18. Das Tellerpaket 28 besteht im Wesentlichen aus einer größeren Anzahl von kegelstumpfförmigen, zur Rotorachse rotationssymmetrisch gestalteten Tellern, von denen der unterste mit 30 bezeichnet ist, während die übrigen Teller mit 32 bezeichnet sind. Der unterste Teller 30 ist in einem zentralen Bereich geschlossen und dort mit der Antriebswelle 26 fest verbunden, während die übrigen Teller 32 über in bezüglich der Rotorachse 24 in radialer Richtung gasdurchlässige Distanzelemente 34 mit dem untersten Teller 30 sowie miteinander fest verbunden sind und in zentralen Bereichen mit der Rotorachse 24 konzentrische Öffnungen 36 aufweisen und so einen mit der Rotorachse 24 koaxialen zentralen Gasströmungskanal 38 definieren. Oberhalb des Tellerpakets 28 befindet sich noch ein stationärer Teller 40, welcher gleich ausgebildet und angeordnet ist wie die Teller 32, jedoch ist der Teller 40 fest mit der oberen Stirnwand 14 des Gehäuses 10 verbunden. Während also im Betrieb des erfindungsgemäßen Abscheiders die Teller 30 und 32 mit der Antriebswelle 26 rotieren, steht der oberste Teller 40 fest. Vorzugsweise sind die in Richtung der Rotorachse 24 gemessenen Abstände zwischen den Tellern 30, 32 und 40 alle gleich groß, sie könnten aber auch unterschiedlich groß sein.
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Bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform trägt der unterste Teller 30 eine Trägerplatte 42, welche die Gestalt eines zur Rotorachse 24 konzentrischen Kreisrings hat und an seinem Innenumfang mit dem Außenumfang des untersten Tellers 30 fest verbunden ist – dieser Teller 30 und die Trägerplatte 42 können aber auch einstückig miteinander sein.
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Die Trägerplatte 42 ist Bestandteil der Labyrinthabscheidevorrichtung 20, die des weiteren mehrere Abscheidewände aufweist – bei der dargestellten Ausführungsform vier solcher Abscheidewände 441, 442, 443 und 444 -, welche bei der bevorzugten Ausführungsform alle kreiszylindrisch gestaltet und koaxial mit der Rotorachse 24 angeordnet sind. In bezüglich der Rotorachse 24 radialer Richtung aufeinanderfolgende Abscheidewände sind bei der dargestellten bevorzugten Ausführungsform abwechselnd mit der oberen Stirnwand 14 des Gehäuses 10 und der Trägerplatte 42 verbunden, mit der Stirnwand 14 verbundene Abscheidewände, nämlich die Abscheidewände 441 und 443, enden in einem verhältnismäßig kleinen axialen Abstand von der Trägerplatte 42, während mit der letzteren verbundene Abscheidewände, nämlich die Abscheidewände 442 und 444, mit einem verhältnismäßig kleinen axialen Abstand von der oberen Stirnwand 14 enden. In diesem Zusammenhang sei aber bemerkt, dass die an ihren oberen Enden festgelegten Abscheidewände auch mit einer stationären Trägerplatte verbunden sein könnten, welche sich etwas unterhalb der oberen Stirnwand 14 des Gehäuses 10 befindet und sowohl mit der Gehäuseumfangswand 12, als auch mit dem stationären Teller 40 gasdicht verbunden ist. Bei einer anderen Alternative könnte auch die vorstehend erwähnte, etwas unterhalb der oberen Stirnwand 14 des Gehäuses 10 angeordnete Trägerplatte rotatorisch antreibbar sein, z. B. mittels einer in radialer Richtung gasdurchlässigen Verbindung mit der unteren Trägerplatte 42. Schließlich kann der erfindungsgemäße Abscheider auch noch so modifiziert werden, dass alle Abscheidewände stationär sind, z. B. so, dass die untere Trägerplatte 42 über Stützen mit der unteren Stirnwand 16, jedoch nicht mit dem Teller 30 verbunden ist.
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Der erfindungsgemäße Abscheider hat einen Rohgaseinlass 50 für die zu behandelnde Gasströmung, und nur beispielhaft befindet sich dieser bei der in 1 dargestellten Ausführungsform in einem topfförmigen Bereich 16a der unteren Gehäusestirnwand 16, welcher auch der Lagerung der Antriebswelle 26 dient. Ein ebensolcher topfförmiger Bereich 14a ist an der oberen Gehäusestirnwand 14 vorgesehen und weist einen Reingasauslass 52 für die von den Flüssigkeitströpfchen zumindest weitgehend befreite Gasströmung auf. Zwischen dem Rohgaseinlass 50 und dem Reingasauslass 52 definieren das Gehäuse 10, die Abscheidewände 441 bis 444, die Teller 30, 32 und 40 und der zentrale Gasströmungskanal 38 einen Gasströmungspfad, welcher stromabwärts des Rohgaseinlasses 50 mit 54 bezeichnet und durch Linien und Pfeile markiert wurde.
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Die über den Rohgaseinlass 50 in den Abscheider eingeleitete, Flüssigkeitströpfchen mit sich führende Gasströmung wird zunächst radial nach außen bis in einen Ringraum zwischen der Gehäuseumfangswand 12 und der radial äußersten Abscheidewand 444 geleitet, erfährt dann eine Umlenkung um 180° am oberen Ende dieser Abscheidewand, verläuft dann nach unten zwischen den Abscheidewänden 443 und 444, wird am unteren Ende der Abscheidewand 443 erneut um 180° umgelenkt, Verläuft dann nach oben in dem Ringraum zwischen den Abscheidewänden 443 und 442, erfährt am oberen Ende der Abscheidewand 442 erneut eine Umlenkung um 180°, worauf die Gasströmung in dem Ringraum zwischen den Abscheidewänden 442 und 441 nach unten verläuft und am unteren Ende der Abscheidewand 441 um ungefähr 90° umgelenkt wird; sodann wird der Tellerseparator 18 an seinem Außenumfang von der Gasströmung ungefähr in radialer Richtung von außen nach innen angeströmt, wobei sich die Gasströmung in Teilströme aufteilt, welche die Zwischenräume zwischen den Tellern 30, 32 und 40 in Richtung auf den zentralen Gasströmungskanal 38 durchströmen. Schließlich verlässt die Gasströmung den Abscheider über den Reingasauslass 52.
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Wie sich aus dem Folgenden noch ergeben wird, können die Abscheidewände der Labyrinthabscheidevorrichtung 20, das heißt bei dem dargestellten Abscheider die Abscheidewände 441 bis 444, auch porös sein oder kleine Gasdurchlassöffnungen aufweisen, sodass ein Teil der Gasströmung in der Labyrinthabscheidevorrichtung 20 deren Abscheidewände durchströmt und nicht umströmt. Die Gasdurchlässigkeit der Abscheidewände wird jedoch vorzugsweise so bemessen, dass ein größerer Teil des Gesamtvolumenstroms der Gasströmung die Labyrinthabscheidevorrichtung 20 mäanderartig durchströmt und nur ein kleinerer Teil als Sekundärströmung die Abscheidewände in radialer Richtung durchströmt.
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Da der erfindungsgemäße Abscheider im Bereich seiner Labyrinthabscheidevorrichtung 20 mit den Gehäuse- und den Abscheidewänden 441 bis 444 Prallwände für die Gasströmung bildet, werden von der Gasströmung mitgeführte Flüssigkeitströpfchen zum Teil schon in der Labyrinthabscheidevorrichtung 20 vom Gas abgetrennt; dieser Abscheideeffekt kann noch dadurch verbessert werden, dass die Prallwände, insbesondere die Abscheidewände 441 bis 444, so gestaltet werden, dass sie an ihren Oberflächen oder mindestens an einem Teil ihrer Oberflächen Koaleszenzelemente aufweisen, welche eine Koaleszenz kleiner Flüssigkeitströpfchen zu größeren Flüssigkeitströpfchen signifikant fördern. Hierauf wird im Folgenden noch näher eingegangen.
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An gasundurchlässigen Abscheidewänden scheiden sich Flüssigkeitströpfchen aufgrund von Trägheitseffekten ab und sammeln sich dann als Flüssigkeitsfilm an den Prallwänden. Dieser Flüssigkeitsfilm wird bei der Umlenkung der Gasströmung in den Bereichen der freien axialen Enden der Abscheidewände 441 bis 444 von der Gasströmung in Form von größeren Flüssigkeitstropfen mitgerissen, und diese Flüssigkeitstropfen gelangen dann in den Ringraum zwischen dem Umfang des Tellerseparators 18 und der radial innersten Abscheidewand 441.
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Weisen Oberflächenbereiche der Abscheidewände noch näher zu erörternde Koaleszenzelemente auf, wird dadurch der Abscheideeffekt der Labyrinthabscheidevorrichtung 20 für kleine und kleinste Flüssigkeitströpfchen erhöht.
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Ist eine der Abscheidewände oder sind alle Abscheidewände 441 bis 444 zumindest bereichsweise in radialer Richtung gasdurchlässig gestaltet, weil sie in diesen Bereichen porös sind oder kleine Öffnungen aufweisen, kommt es in diesen gasdurchlässigen Bereichen zur Koaleszenz kleiner und kleinster Flüssigkeitströpfchen zu größeren Tropfen, welche von der mäanderförmig verlaufenden Hauptströmung des Gases mitgerissen werden.
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Sehr kleine Flüssigkeitströpfchen bewegen sich annähernd schlupffrei mit der Gasströmung bzw. mit der Hauptströmungskomponente der Gasströmung, wobei sie aufgrund von Trägheitseffekten auf größere Flüssigkeitströpfchen treffen und mit diesen koaleszieren können.
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Bei der Durchströmung des rotierenden Tellerseparators 18 werden die Flüssigkeitströpfchen aufgrund der an ihnen angreifenden Zentrifugalkräfte an den konischen Unterseiten der Teller 32 abgeschieden und vom rotierenden Tellerseparator 18 abgeschleudert, so dass sie an der Innenseite der radial innersten Abscheidewand 441 einen Flüssigkeitsfilm bilden, der von dieser Abscheidewand nach unten abtropft.
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Die Teller 32 des Tellerseparators 18 können ebenso wie die Prall- bzw. Abscheidewände der Labyrinthabscheidevorrichtung 20 mit Koaleszenzelementen versehen sein, sei es dass die Teller 32 porös sind oder kleine Öffnungen aufweisen, oder weil die konischen Unterseiten der Teller 32 zumindest bereichsweise raue oder poröse Oberflächen aufweisen, zum Beispiel aufgrund eines entsprechenden Belags auf den konischen Unterseiten der Teller 32.
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Anhand der 2 bis 5 sollen nun verschiedene Ausführungsformen von Koaleszenzelementen an den Abscheidewänden der Labyrinthabscheidevorrichtung 20 und/oder an den Tellern 32 des Tellerseparators 18 erläutert werden. Dabei wird der jeweils dargestellte Bereich einer Abscheidewand bzw. eines Tellers allgemein als Wandbereich bezeichnet werden.
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Der in 2 dargestellte Wandbereich 200 ist ein gasdurchlässiger Wandbereich und besteht zumindest im Wesentlichen aus einem Gewebe aus Metall- oder Kunststoffdrähten 202, welche kleine Gasdurchlassöffnungen 204 zwischen sich bilden. Anstelle eines Gewebes kann auch ein Gestrick oder ein Gewirke oder ein Faservlies verwendet werden, wobei in jedem Fall für eine ausreichende Formstabilität des Wandbereichs 200 gesorgt werden muss, z. B. dadurch, dass der Wandbereich geeignete Verstärkungselemente enthält. Die Dicke der Drähte, Fäden oder Fasern, die Maschenweite des Gewebes, Gestricks oder Gewirkes bzw. die Struktur des Faservlieses sind so zu wählen, dass der Wandbereich 200 eine derart strukturierte Oberfläche besitzt, dass diese Oberfläche Koaleszenzelemente bildet, welche die Koaleszenz feiner und feinster Flüssigkeitströpfchen zu größeren Tröpfchen fördern bzw. bewirken.
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Ein in 3 dargestellter Wandbereich 300 hat mindestens auf einer seiner beiden Seiten eine poröse Oberfläche, durch deren Oberflächenstruktur Koaleszenzelemente gebildet werden. Der Wandbereich 300 kann z. B. aus einem hinreichend formstabilen und dauerhaften Schaumstoffmaterial bestehen, sei es ein Kunststoff-Schaummaterial oder ein aus dem Stand der Technik bekanntes geschäumtes metallisches Material. Es könnte sich aber auch um ein poröses gesintertes keramisches Material handeln. Wenn das Material entgegen der Darstellung in 3 nicht geschlossenporig, sondern offenporig ist und die Hohlräume der Poren miteinander verbunden sind, ist der Wandbereich 300 gasdurchlässig.
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Die 4 zeigt einen Wandbereich 400 in starker Vergrößerung und schematisch; außerdem kann es sich bei dem in 4 dargestellten Ausschnitt auch nur um einen Ausschnitt eines Belags auf einer Abscheidewand 441 bis 444 oder auf der konischen Unterseite eines Tellers 32 handeln. Die gemäß 4 rechte Seite des Wandbereichs bzw. -belags 400 bildet eine Oberfläche mit einer chaotischen Struktur, das heißt einer keiner geometrischen Regelmäßigkeit folgenden Oberflächenstruktur, welche Koaleszenzelemente 402 bildet. Im Falle eines Belags kann es sich z. B. um ein Faservlies, ein keramisches Sintermaterial oder um einen Belag aus einem auf einen festen Träger aufgesprühten oder aus der Gasphase niedergeschlagenen metallischen oder z. B. keramischen Material handeln. Ein metallischer Wandbereich oder ein Wandbereich aus einem geeigneten Kunststoff kann aber auch dadurch mit einer Oberfläche mit einer chaotischen Struktur versehen werden, dass der Wandbereich mittels eines Energiestrahls oder z. B. durch Funkenerosion entsprechend aufgeraut wird.
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Ein in 5 dargestellter Wandbereich 500, der ebenso wie die in den 3 und 4 dargestellten Wandbereiche im Schnitt schematisch dargestellt wurde, hat eine feste und formstabile Wand 502 und einen Belag 504, dessen freie Oberfläche eine chaotische Struktur aufweisen soll. Je nach Art des verwendeten Belagmaterials kann der Belag 504 mit der Wand 502 z. B. verklebt sein, handelt es sich bei der Wand 502 um ein metallisches Bauteil und bei dem Belag 504 z. B. um ein Gewebe aus Metalldrähten, könnte der Belag 504 aber auch durch Schweißen, insbesondere durch Punktschweißen, mit der Wand 502 verbunden sein.
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Die Labyrinthabscheidevorrichtung 20 des in 1 dargestellten Abscheiders muss nur mindestens zwei Abscheidewände aufweisen (obwohl der Abscheideeffekt durch eine größere Anzahl von Abscheidewänden verbessert wird), wobei die eine Abscheidewand nur an ihrem oberen und die andere Abscheidewand nur an ihrem unteren Ende von der Gasströmung umströmt werden kann.
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Bei der zeichnerisch dargestellten und vorstehend beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abscheiders wird die abgeschiedene Flüssigkeit entgegen der Strömungsrichtung der Gasströmung aufgrund der Zentrifugalkräfte durch die Labyrinthabscheidevorrichtung 20 hindurch radial nach außen bis zur Gehäuseumfangswand 12 getragen, weil das den Abscheider durchströmende Gas durch die rotierenden Abscheidewände 442 und 444 (natürlich auch durch den Tellerseparator 18) in Rotation versetzt wird; dabei tritt ein weiterer Koaleszenzeffekt auf, aufgrund dessen kleinere Flüssigkeitströpfchen zu größeren Tröpfchen koaleszieren. Der an der Innenseite der Gehäuseumfangswand 12 gebildete und von dieser nach unten abfließende oder abtropfende Flüssigkeitsfilm gelangt in eine an der Peripherie der unteren Gehäusestirnwand 16 vorgesehene Rinne 100, die an ihrem Boden einen Flüssigkeitsauslass 102 aufweist, in dem ein sich periodisch öffnendes Ventil 104 angeordnet ist.
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Bei einer Abwandlung der zeichnerisch dargestellten Ausführungsform ist die Trägerplatte 42 mit einer oder mehreren Flüssigkeitsablauföffnungen versehen.
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Eine weitere Modifikation des Abscheiders besitzt ein Außengehäuse, in welchem das in der beigefügten Zeichnung dargestellte Gehäuse 10 um die Rotorachse 24 drehbar gelagert ist und rotatorisch angetrieben wird; in diesem Fall wird dann auch der oberste Teller 40 des Tellerseparators 18 rotatorisch angetrieben.
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Schließlich könnte auch der oberste Teller 40 des Tellerseparators 18 mittels Distanzelementen 34 mit den anderen Tellern des Tellerpakets 28 verbunden und so rotatorisch antreibbar sein; in diesem Fall wäre der Teller 40 nicht mit der oberen Gehäusestirnwand 14 fest verbunden, und es könnte z. B. eine übliche Labyrinthdichtung zwischen dem oberen inneren Ende des Tellers 40 und der oberen Gehäusestirnwand 14 vorgesehen sein, um einen Gasübertritt vom Ringraum 22 in den Gasströmungskanal 38 zumindest im Wesentlichen zu verhindern.
