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Die
Erfindung betrifft eine Schälscheibe mit einem Ableitungskanal
für eine Flüssigkeitsphase aus einer Zentrifuge,
insbesondere aus einem Separator.
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Schälscheiben – auch
Greifer genannt – für Zentrifugen sind in verschiedensten
Ausführungsformen bekannt, so aus der
US 2,667,338 . Ihre Aufgabe ist es,
eine Flüssigkeitsphase aus einer Zentrifuge nach Art einer
Zentripetalpumpe abzuleiten.
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In
der Praxis werden je nach Anzahl der abzuleitenden Flüssigkeitsphasen
eine oder mehrere der Schälscheiben konzentrisch zur Drehachse
der Zentrifuge angeordnet. So ist es beispielsweise bekannt, die
Schälscheiben auf ein Zulaufrohr eines Separators aufzusetzen.
Die Schälscheiben weisen ferner i. allg. einen scheiben-
oder tellerförmigen Grundabschnitt auf, an den sich vorzugsweise
ein rohrförmiger Abschnitt anschließt. Anders
als die rotierende Zentrifuge stehen sie im Allgemeinen still. Sie
weisen wenigstens einen sich bei vertikaler Drehachse horizontal
erstreckenden Ableitungskanal auf, mit dem wiederum vom Einlass
am Außenumfang des scheibenförmigen Abschnitts
Flüssigkeit zu einem Auslass in einen oder mehrere axiale
bzw. vertikale Ableitungskanal/kanäle – nachfolgend
der Einfachheit halber auch Schaftkanäle genannt – im
rohrförmigen Abschnitt umgeleitet und von dort aus der Zentrifuge
abgeleitet wird.
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Nach
der
EP 1 457 263 A2 ist
die Wandungskontur des sich horizontal erstreckenden Ableitungskanals
ganz oder abschnittsweise wellenförmig ausgebildet.
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Aus
der
DE 199 12 773 C ist
es bekannt, den wenigstens einen Schaftkanal zwischen einem Schälscheibenschaft
und einem Schälscheiben-Außenteil auszubilden,
wobei die Außenkontur des Schälscheibenschaft
quadratisch ausgebildet ist und der korrespondierende Innenumfang
des Schälscheiben-Außenteils im Wesentlichen zylindrisch.
Dabei greifen Eckbereiche des Schälscheibenschafts in korrespondierende
Aussparungen am Innenumfang des Schälscheiben-Außenteils
ein. Hierdurch weisen die vertikalen Schaftkanäle in einem
Schnitt senkrecht zur Drehachse der Zentrifuge einen im Wesentlichen
kreissegmentartigen Querschnitt auf. Diese Anordnung hat sich an
sich bewährt. Dennoch bedarf die Ausgestaltung von Schälscheiben
insbesondere mit einem relativ kleinen Durchmesser einer weiteren Optimierung,
insbesondere, da es sich in der Praxis gezeigt hat, dass in strömungstechnischer
Sicht hinter Schälscheiben mit einem relativ geringen Durchmesser
nur noch ein relativ geringer Flüssigkeitsdruck vorhanden
ist.
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Die
Lösung dieses Problems ist die Aufgabe der Erfindung.
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Die
Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs
1 und durch den Gegenstand des Anspruchs 2.
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Sowohl
durch den Gegenstand des Anspruchs 1 als auch durch den Gegenstand
des Anspruchs 2 ergibt sich jeweils bereits eine druckverlustreduzierte
Durchströmung vom bei vertikaler Drehachse horizontalen
Ableitungskanal in den vertikalen Schaftkanal. Dies ist besonders
bei Schälscheiben bzw. Greifern mit einem relativ kleinen
Außendurchmesser vorteilhaft, da derart der Druck auch
in der Schälscheibe strömungstechnisch nachgeschalteten Einrichtungen
höher ist als ohne die erfindungsgemäße
Ausgestaltung.
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Insbesondere
die Kombination aus der asymmetrischen Schaftkanalgeometrie in Kombination
mit der tangentialen Überleitung aus dem Ableitungskanal
in den Schaftkanal ermöglicht eine strömungstechnisch
besonders deutlich druckverlustreduzierte Durchströmung
des Übergangs von dem horizontalen Ableitungskanal in den
vertikalen Schaftkanal.
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Dabei
beziehen sich die Begriffe „horizontaler” Ableitungskanal
und „vertikaler” Schaftkanal jeweils auf den Fall
einer Zentrifuge mit einer vertikalen Drehachse. Die Schälscheiben
sind auch bei anderer Ausrichtung der Drehachse der Zentrifuge einsetzbar (so
bei Vollmantel-Schneckenzentrifugen mit horizontaler Drehachse),
wobei sich dann die „horizontale” bzw. „vertikale” Ausrichtung
entsprechend ändert. „Horizontal” bedeutet
in diesem Zusammenhang „senkrecht zur Drehachse” und „vertikal” parallel
zur Drehachse.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine erste Schälscheibe mit Ansicht des Schälscheibenschafts;
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2a einen Querschnitt durch eine Schälscheibe
nach Art der 1;
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2b eine Abschnitt einer Variante der Schälscheibe
nach Art der 2a;
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3 einen
Querschnitt durch eine weitere bekannte Schälscheibe;
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4 eine
Schnitt durch den oberen Bereich einer Separatortrommel mit senkrechter
Drehachse;
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5 einen
Schnitt durch eine weitere Schälscheibe mit Ansicht des
Schälscheibenschafts; und
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6 eine
Prinzipskizze eines Teilbereiches eines Separators mit einer Trommel,
einer Haube und einer Schälscheibe;
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4 zeigt
als einen Teilbereich eines Separators 10 einen oberen
Abschnitt einer drehbaren Zentrifugentrommel 12, die hier
eine vertikale Drehachse D aufweist. Die Zentrifugentrommel ist
mit einem zentralen, im Betrieb stillstehenden Zulaufrohr 13 versehen.
In der Zentrifugentrommel 12 sind ferner eine oder mehrere
Schälscheiben 1 angeordnet, die im Betrieb stillstehen.
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6 zeigt
eine weitere Prinzipskizze eines Teilbereiches eines Separators
mit einer Trommel 12, einer Haube 18 und zwei
Schälscheiben 1.
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Die
Schälscheibe 1 der 1 und 2 – die
grundsätzlich in einen Separator nach Art der 6 einbaubar
wäre – weist einen zumeist axial relativ kurzen,
scheibenförmigen sowie horizontal ausgerichteten Grundabschnitt 2 mit
einem sich horizontal erstreckenden Ableitungskanal 3 auf,
an den sich innen ein sich vertikal erstreckender Schaftabschnitt 4 kleineren
Durchmessers mit wenigstens einem sich vertikal erstreckenden Schaftkanal 5 anschließt.
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4 – der
DE 199 12 773 A1 entnommen – zeigt,
wie ein Schaftabschnitt
4 beispielhaft nach dem Stand der
Technik oder auch nach der Erfindung in einem Schnitt durch eine
Ebene, in welcher die Drehachse des Separators liegt, aussehen kann.
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Im
scheibenförmigen Abschnitt 2 ist der horizontale
Ableitungskanal 3 für eine Flüssigkeitsphase ausgebildet.
Der Einlass 8 des Ableitungskanals 3 – siehe 2 – ist
relativ zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit
L spitzwinklig ausgerichtet. Sodann verläuft der Ableitungskanal 3 vom
Außenumfang der Schälscheibe 1 in einem
Bogen nach innen. Hier erfolgt im scheibenförmigen Grundabschnitt 2 etwa eine
Umlenkung um etwas mehr als 90° in einen oder mehrere der
Schaftkanäle 5, die um das Zulaufrohr 13 am
Schaft umfangsverteilt sind. Hier sind beispielhaft sechs Schaftkanäle 5 im
Schaftabschnitt 4 hier am Außenumfang des Zulaufrohrs 13 ausgebildet.
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Bei
der bekannten Schälscheibe der 3 weist
jeder Schaftkanal 5 eine zu einer gedachten Mittelebene
M, die mittig (hinsichtlich der tangentialen Erstreckung des Schaftkanals)
durch den jeweiligen 5 Schaftkanal verläuft und
in welcher die Drehachse D liegt, spiegelsymmetrische Geometrie
bzw. Form auf.
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Dies
ist bei der erfinderischen Schälscheibe 1 der 1 und 2 anders.
Hier weist wenigstens einer, vorzugsweise jeder, der Schaftkanäle 5 zu
jeder gedachten Ebene, insbesondere zur Mittelebene M, die durch
den Schaftkanal 11 verläuft, und in welcher die
Drehachse D liegt, eine asymmetrische Form auf.
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Jeder
horizontale Ableitungskanal 3 weist im Schnitt der 2 zwei
vertikale Seitenwandungen 6, 7 auf, von denen
die eine Wandung 6 am inneren Rand des bogenförmigen
Ableitungskanals 3 liegt und die andere Wandung 7 am äußeren
Rand.
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Der
Querschnitt der Schaftkanäle nimmt von der Wandung 6 zur
Wandung 7 des Auslasses 9 hier stetig – d.
h. ohne Sprung – zu.
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Dabei
geht nach 2 ferner jeder Ableitungskanal 3 an
wenigstens einer seiner Wandungen – vorzugsweise an der
inneren Wandung 6 – im Wesentlichen tangential
in den jeweiligen Schaftkanal 5 über.
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„Im
Wesentlichen” tangential bedeutet, dass im Übergangsbereich
zwischen der Wandung 6 des Ableitungskanals 3 und
der entsprechenden Wandung (Längsschenkel 15)
des Schaftkanals 5 kein Winkelsprung im Bereich der beiden
aneinander stoßenden Wandungen vorhanden ist, welcher größer als
30° ist. Vorzugsweise ist der Winkelsprung sogar kleiner
als 15°. Der Übergang sollte ferner möglichst stetig
sein und möglichst keine Stufe 11 aufweisen, wie
sie in 3 erkennbar ist.
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Die
Geometrie des Schaftkanals 5 ist vorzugsweise in axialer – hier
vertikaler – Richtung ganz oder zumindest über
den größten Teil der axialen Länge des
Schälscheibenschafts 4 bzw. in diesem axialen
Abschnitt des Zulaufrohres 13 konstant.
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Derart
sind der Ableitungskanal 3 und der Schaftkanal 5 derart
ausgebildet, dass ein im wesentlichen tangentiales Einströmen
eines Flüssigkeitsstroms aus dem Ableitungskanal 3 in
den Schaftkanal 5 erfolgt, wobei der Flüssigkeitsstrom
sodann bei einer Zentrifuge mit vertikaler Drehachse aus einer horizontalen
Strömungsrichtung in eine vertikale Strömungsrichtung
umgelenkt wird.
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Anders
als nach 3 geht dadurch bei der Umlenkung
des Flüssigkeitsstroms aus dem horizontalen Ableitungskanal 3 der
Schälscheibe in den Schälscheibenschaft weniger
kinetische Energie im Flüssigkeitsstrom verloren, wodurch
der Flüssigkeitsstrom im Schaftkanal 5 weniger
stark abgebremst ist als bei der bekannten Konstruktion der 3.
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Die
Außenkontur des Zulaufrohrs 13 oder eines auf
dem Zulaufrohr 13 drehfest angeordneten Rohrteils ist vorzugsweise
mit im Querschnitt L-förmigen Aussparungen 14 versehen,
welche die Innenkontur der Schaftkanäle 4 bilden.
Die längeren Längsschenkel 15 dieser
Aussparungen 14 sind vorzugsweise parallel zu Tangenten
am Schälscheibenschaft ausgerichtet, wohingegen die Grundschenkel 16 nahezu – aber
hier nicht ganz – radial ausgerichtet sind. Inder Regel
wird im Winkel von 90° zum Längsschenkel 15 ausgerichtet
sein.
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Das
Ausführungsbeispiel der 5 entspricht
weitgehend dem der 1, allerdings sind die unteren,
horizontalen Flächen des Schaftkanals 4 gebogen
kurvenförmig ausgebildet, was ebenfalls eine besonders
schonende Umlenkung zum Produktaustrag sichert. Auch derart wird
das tangentiale Einströmen in den Schaftkanal gesichert.
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Umgeben
wird das Zulaufrohr 13 bzw. der Innenteil des Schälscheibenschafts 4 von
einem Schälscheibenaußenteil 17 mit einem
im Wesentlichen zylindrischen Innenumfang. Die Schälscheibe 1 kann
theoretisch ein- oder beliebig mehrstückig ausgebildet
sein.
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Auch
bei einer Ausgestaltung mit einem relativ geringen Durchmesser des
scheibenförmigen Grundabschnittes bleibt derart hinter
der Schälscheibe 1 auf einfache Weise eine relativ
hohe Fließgeschwindigkeit bzw. ein relativ großer
Druck in der abgeleiteten Flüssigkeitsphase bestehen.
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Am
Grund der Aussparungen 14 kann der Übergangsbereich
zwischen den Schenkelwandungen der L-Form abgerundet ausgestaltet
sein, um derart den schonenden Produktaustrag weiter zu begünstigen.
Es ist beispielsweise denkbar, dass hier ein definierter Mindestradius
von mehr als 2 mm oder vorzugsweise mehr als 3 mm vorgesehen ist (2b) und/oder ein Übergang, der
durch eine trigonometrische Funktion oder durch eine e-Funktion beschreibbar
ist und im Treffpunkt der beiden Schenkel 15 und 16 den
höchsten Punkt aufweist und in die Linie übergeht,
die parallel zum Zulaufrohr 13 verläuft. Auch
die Schnittstelle zwischen den Schenkeln 15 und 16 kann
mit einem Mindestradius versehen sein.
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Hierdurch
entsteht ein weiterer schonender Übergang von der horizontalen
in die vertikale Strömungsrichtung und störende
Turbulenzen werden minimiert.
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- 1
- Schälscheibe
- 2
- Grundabschnitt
- 3
- Ableitungskanal
- 4
- Schaftabschnitt
- 5
- Schaftkanal
- 6,
7
- Wandungen
- 8
- Einlass
- 9
- Auslass
- 10
- Separator
- 11
- Stufe
- 12
- Zentrifugentrommel
- 13
- Zulaufrohr
- 14
- Aussparungen
- 15
- Längsschenkel
- 16
- Grundschenkel
- 17
- Schälscheibenaußenteil
- 18
- Haube
- M
- Mittelebene
- D
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2667338 [0002]
- - EP 1457263 A2 [0004]
- - DE 19912773 C [0005]
- - DE 19912773 A1 [0023]