-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Umlenkvorrichtung für Gaszentrifugen. Zentrifugen zur Separierung einer schweren Gaskomponente aus einem Gasgemisch sind seit langem bekannt.
-
So zeigt die
DE 88 07 684 U1 (vgl. deren Figuren und den zugehörigen Text) eine Zentrifuge zur Separierung von Sauerstoff vom Stickstoff aus einem Luftgemisch, wobei die Zentrifuge eine um eine vertikale Achse drehende Tommel aufweist, die durch radiale Rippen in Sektoren aufgeteilt ist. Das zu trennende Gemisch wird über eine zentrale Zuleitung in die Trommel zugeführt, aus der die separierten Anteile durch Durchbrüche an der Unterseite der Außenwand der Trommel in der Weise abfließen, daß im wesentlichen sich die schwerere Gaskomponente in einer außen angeordneten Ringkammer und die leichteren Gaskomponenten sich in einer innen liegenden Ringkammer ansammeln. Die getrennten Gaskomponenten können dann über unten angeordnete Auslaßöffnungen aus den jeweiligen mitdrehenden Ringkammern abgezogen werden.
-
Die
US 4 292 051 A (vgl. insbesondere deren
6 bis
8 und den zugehörigen Text) beschreibt ebenfalls eine vom Aufbau her sehr ähnliche Zentrifuge mit horizontaler Trommelachse für einen vergleichbaren Verwendungszweck. Die Zufuhr erfolgt von einer Seite in eine beiderseits gleitgelagerte, mit radialen Rippen in Segmente aufgeteilte Trommel und die Abfuhr auf der gegenüberliegenden Seite der Trommel über äußere Durchbrüche für die schwere Komponente und innenliegende Öffnungen für die leichteren Gaskomponenten in die jeweiligen feststehenden Ringkammern; zur Unterstützung des Durchflusses können hierbei auch Pumpen vorgesehen werden.
-
Die Patentanmeldung 10 2009 011 754.7 „Verfahren und Gaszentrifuge zur effizienten Separierung der schweren Komponente aus Gasgemischen” verwendet eine Trommel in dessen Zentrum eine Reihe von konzentrischen Zylindern existieren, die zur Vervielfachung des Gasweges gemessen an die Zentrifugenlänge dienen. Dadurch wird das Gasgemisch eine ausreichend lange Zeit der Zentrifugation unterzogen bei gleichzeitig hohen Durchsatzwerten. Die Patentanmeldung 10 2009 022 701.6 „Verbessertes Verfahren und Gaszentrifuge zur effizienten Separierung der schweren Komponente aus Gasgemischen” vermeidet die Vermischung der teils separierten Gaskomponenten, indem an den Zylinderenden, wo die Umlenkung des Gases passiert, je ein ringförmiger Stopper angeordnet, der den Weg der schweren Gaskomponente blockiert, während die leichtere Gaskomponente durchgelassen wird; damit die aufgestaute schwere Gaskomponente auch fließen kann, werden geeignete Durchbrüche und Leitungskanäle in der jeweiligen Zylinderwand praktiziert. Der nächste Zylinderraum, wohin die Gaskomponenten geführt werden, ist durch einen kurzen Zylinder aufgeteilt, sodaß die vorhin separierte schwere Gaskomponente durch die Leitungskanäle zu dem Teil mit dem größeren Durchmesser geführt wird, während die leichte Gaskomponente nach dem Umlenken um das Zylinderende innerhalb des kurzen Zylinders fließt. Dadurch erfolgt die Übergabe der Gaskomponenten über die Zylindergrenzen hinweg ohne, daß diese sich auch nur zum Teil vermischen können. Nachteilig dabei ist die Anwendung von relativ großen Durchbrüchen, was strömungstechnisch nur schwer zu vereinbaren ist mit einer gleichmäßigen Gaskonzentration. Diese Erfindung verwendet auch eine mehrfache Lagerung, wobei zur Aufhängung der Trommel an beiden Seiten mehrere aufeinander geschaltete Kugellager mit großem Durchmesser und in abgedichteter Ausführung vorgesehen sind, was allerdings den Nachteil der größeren Reibungsverluste in Lagern hervorruft. Zudem wird, bedingt durch die Antriebsplazierung außerhalb der Zentrifuge, eine relativ dünne Antriebsachse verwendet, was zum Bruch derselben bei unverhofften Bremsvorgängen, die z. B. durch kaputte Lager verursacht werden können. Eine Teillösung dieses Problems erfolgte durch die Zentrifuge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 der Hauptpatentanmeldung P 10 2009 053 366.4. Eine Antriebsachse wird völlig vermieden und die Zentrifugenachse ist relativ kurz und mit größerem Durchmessen, was zur allgemeinen Versteifung der Konstruktion führt. Allerdings wird dabei eine Förderpumpe für die Einführung unter Druck des zu separierenden Gasgemisches benötigt und dies ist insbesondere bei großen Durchsätzen – wie etwa 400.000 m3/h benötigt für thermische Kraftwerke – mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden. Die Erfindung P 10 2010 009 638.5 vermeidet die Anwendung einer externen Förderpumpe für das Gasgemisch, wobei der zentrifugal erzeugte Druck benutzt wird, um das Gas durch die Vorrichtung zu befördern. Dies verbessert die Leistungsbilanz der Gaszentrifuge erheblich und vereinfacht gleichzeitig die Konstruktion der Vorrichtung.
-
Die Bezugserfindung P 10 2010 021 626.7 verbessert die Gasführung innerhalb der Zentrifuge, indem eine Verminderung des Querschnitts an den Umlenkenden der einzelnen Stufen vermieden wird und führt konstruktive Maßnahmen eine, welche die teilsseparierten Gasströme innerhalb des Rotors quasi getrennt nebeneinander verlaufen ohne jedoch den laufenden Austausch von Gaspartikeln mit unterschiedlichen Dichten zu behindern. Dabei ergibt sich aber der Nachteil, daß das Gas der teilseparierten Strömen an den Zylindergrenzen um 180° gedreht wird, was den schwersten Anteil entfernt von der entsprechenden zylindrischen Wand und eine ungünstige Neuvermischung im jeweiligen Gasstrom bewirkt, was letztendlich die Effizienz der Separation beeinträchtigt. Die vorliegende Erfindung vermeidet diesen Nachteil, indem an den Enden der zylindrischen Wände einen oder mehrere Umlenker nach dem Schraubenprinzip eine weitere Drehung von 180° im jeweiligen Gasstrom bewirkt, so daß der schwerste Anteil des Gasstromes jetzt direkt an die Zentrifugationswand angelehnt ist.
-
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
-
Es zeigt:
-
1 Vereinfachter Längsschnitt durch den Zentrifugenrotor
-
2 Umlenker
-
3 Multipler Umlenker
-
Aufgrund der Figuren wird die Funktion näher erläutert.
-
Die erfindungsgemäße Zentrifuge weist einen Rotor 1 drehbar gelagert im Gehäuse 24 mit vertikaler Drehachse auf, der in einer speziellen Technologie hergestellt ist und daher keine Verbindungselemente, wie etwa Schrauben, in seinen Innerem aufweist. Das Gasgemisch 2 bewegt sich zunächst in einer der innersten Stufen mit der zylindrischen Wand 3 in getrennten Gasströmungen, wie bereits in der Basispatentanmeldung P 10 2009 053 366.4 beschrieben; die Beschreibung bezieht sich auf die Gasströmung mit der schweren Gaskomponente, aber gilt sinngemäß auch für die Gasströmung mit der leichten Gaskomponente beschrieben in der Basispatentanmeldung. Die schwere Gasströmung hat am Ende des Weges durch eine jeweilige Stufe der Zentrifuge eine unterschiedliche Zusammensetzung, was die Dichte der Gasschichten betrifft. So kann man einen schweren Anteil „s” in der Nähe der Wand mit dem Größten Durchmesser feststellen – da hier größere Zentrifugalkraft vorhanden – und einen leichteren Anteil „1” im Bereich mit kleinerem Durchmesser feststellen. Wenn das Gasgemisch 2 an der oberen Grenze der zylindrischen Trennwand 3 ankommt, fließt es durch einen oder mehrere parallel angeordneten Umlenker 4 über die Stufengrenze hinweg in den nächstgrößeren zylindrischen Bereich 5 zwischen den zylindrischen Wänden 3 und 6, sowie der radialen Trennwänden 7 mit den Aussparungen 8. Der leichtere Teil „l” der Gasströmung 2 besetzt den Bereich mit dem kleineren Durchmesser als der Bereich besetzt vom schweren Teil „s”. Der Teil „s” geht also durch den unteren Teil des Umlenkers 4 und wird auf die schraubenförmige Oberfläche 9 nach oben gedreht. Die Oberfläche 9 hat eine axiale Ausdehnung von ½ Länge der Steigung des vorliegenden Gewindes. Das Gewinde hat 2 Anfängen, so daß die Oberfläche 10, mit einer ebensolchen Ausdehnung von ½ Länge der Steigung aber um 180° gedreht, die leichte Gaskomponente „l” zum Drehen zwingt, so das die leichte Gaskomponente „l” nach unten gezwungen wird. Dadurch, daß die Schraube von einer zylindrischen Fläche 11 umgeben ist, findet eine quasi laminare rotierende Strömung statt, die verlustarm ist. Die Mitte der Umlenkerschraube ist vom Zylinder 13 gebildet, der einen geringen Durchmesser hat. Wenn der Durchmesser genau so groß ist wie die Wanddicke der Schraube, ist er praktisch nicht sichtbar.
-
Die Gaszuführung zum Umlenker 4 kann von einer quadratischer Erweiterung 14 gebildet werden, wofür ein definierter quadratischer Abschnitt der zylindrischen Wand 3 zugeordnet ist. Wenn der zylindrische Bereich durchströmt vom Gasgemisch 2 eine größere sitliche Ausdehnung hat, ist es günstig, mehrere Umlenker 4 aneinander zu plazieren, wobei die quadratischen Erweiterungen 14 nahtlos aneinander gereiht sind (s. 3). Der rückwärtige Teil des Umlenkers 4 endet in einem Ablenkblech 15 der den Strömungsanteil „l” entlang der Außenfläche „b” der zylindrischen Wand 3 zwingt. Der Anteil „s” der Strömung durch den Umlenker, erfaßt zwischen der Außenfläche des Ablenkbleches 15 und dem abgerundeten oberen Ende „c” der zylindrischen Wand 6 fließt nun entlang der inneren Wand „d” der nächsten zylindrischen Wand 6. Wie ersichtlich, ist die Position und Lage der schweren Gasströmung „s” beim Übergang von einer Stufe der Zentrifuge in die nächste beibehalten worden; sie belegt immer die innere Fläche „b” oder „d” der jeweiligen zylindrischen Wand 3 oder 6, was die Grundlage für eine kontinuierliche Fortsetzung der zentrifugalen Separation über die Stufengrenzen der Zentrifuge darstellt. Die leichte Gasströmung „l” behält ebenfalls immer die Position entlang der jeweiligen äußeren Fläche ”b” oder „e” der jeweiligen zylindrischen Wand 3 oder 6.
-
Die Umlenker 20 und 21 führen selektiv die Gasströmungen „s” und „l” am unteren Ende der zylindrischen Wand 6, sowie am oberen Ende der äußersten zylindrischen Wand 16. Dadurch hat die Gas Separation kontinuierlich stattgefunden und ist letztendlich die Gasströmung „s” entlang der Innenwand „f” des Rotors 1 sehr stark angereichert an der schweren Gaskomponente – sie kann und soll sogar ausschließlich aus der schweren Gaskomponente des ursprünglichen Gasgemisches bestehen wenn die Drehzahl der Zentrifuge dazu ausreicht –. Die komplette Separation der schweren Gaskomponente „s” ist also im unteren Bereich des Rotors 1 zu erwarten, wovon sie durch eine Reihe von Öffnungen 17 aus dem Rotor 1 in die Sammelkammer 25 fließt. Bei einer korrekten Dimensionierung des Durchflusses und der Reihe der Öffnungen 17 ist es möglich, die komplette separierte Menge an der schweren Gaskomponente in den Sammelbehälter zu überleiten, wo es für die Anwendung zur Verfügung steht. Das Restgas, bestehend nun fast ausschließlich aus der leichten Gaskomponente „l”, fließt im Rotor 1 unterhalb des Niveaus der Reihe der Öffnungen 17 weiter, bis es daraus durch die Lochreihe 18 in den Restgasbehälter 19 kommt und für die Anwendung zur Verfügung gehalten wird. Dabei gibt es eine Trennung mit Einengung 12 und Labyrinthdichtung 26 zwischen der Sammelkammer 25 und dem Restgasbehälter 19.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 8807684 U1 [0002]
- US 4292051 A [0003]
