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Die Erfindung betrifft eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei Schneckenzentrifugen des Standes der Technik, z. B. gemäß
DE 39 21 327 , besteht die Einrichtung zum Einstellen des Flüssigkeitsstandes aus einem Wehr, das im Betrieb mechanisch verstellt werden kann. Das zu trennende Gemisch wird dabei über ein statisches Zulaufrohr in eine im Schneckenkörper integrierte Aufgabekammer und von dort in den Arbeitsraum der Zentrifuge aufgegeben und auf Grund der Trommeldrehzahl einer entsprechenden Zentrifugalbeschleunigung unterworfen. Im Arbeitsraum der Zentrifuge setzt sich der meist spezifisch schwerere Feststoff an der Trommelinnenwand ab und wird durch die Förderschnecke zu Öffnungen am Ende der konischen Trommel gefördert und abgeschleudert. Das geklärte Zentrat, die leichte Phase, fließt im Schneckengang entgegen der Feststofftransportrichtung und verlässt die Zentrifuge über die Wehröffnung.
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Das aus
DE 39 21 327 bekannte Wehr wird zum Einstellen des Flüssigkeitsstandes über einen axial verschiebbaren Ring und ein Umlenkorgan in radialer Richtung verstellt.
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Eine andere Einstellmöglichkeit ist in
EP 702 599 B1 beschrieben und dargestellt, wo die Drosselscheibe des Wehres axial verstellt wird, um den Durchlass relativ zu einer stillstehenden Drosselscheibe verändern zu können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Schneckenzentrifuge der im Patentanspruch 1 angegebenen Bauart die Einrichtung zum Einstellen des Flüssigkeitsstandes unter Beibehaltung der Möglichkeit einer Niveauverstellung bei laufendem Betrieb konstruktiv zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Einrichtung zum Einstellen des Flüssigkeitsstandes aus einem Steuerelement mit Mitteln zum Abbremsen oder Beschleunigen der Flüssigkeitsteilchen der leichten Phase besteht, das mit einer von der Trommeldrehzahl unterschiedlichen Drehzahl rotierend angetrieben ist und zur Trommelinnenwand einen Durchström-Ringspalt freilässt.
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Diese Lösung hat gegenüber dem Stand der Technik den erheblichen Vorteil, dass für die Einstellung des Flüssigkeitspegels kein Wehr mit einem mechanischen Stellmechanismus erforderlich ist, weil stattdessen ein Steuerelement vorgesehen ist, dessen Drehzahl veränderbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Steuerelement als Tauchscheibe ausgebildet, deren Oberflächendiskontiunitäten die Flüssigkeitsteilchen abbremsen oder beschleunigen können. Als Oberflächendiskontinuitäten sind von der Tauchscheibe axial abstehende Rippen möglich, daneben aber auch Schlitze oder Löcher in der Tauchscheibe, Vorsprünge oder Oberflächenaufrauhungen. Diese können auf einer Seite oder auf beiden Seiten der Tauchscheibe vorgesehen sein.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, das Steuerelement als Flügelrotor auszubilden.
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Das Steuerelement kann an der Hohlwelle der Förderschnecke befestigt sein, so dass mit einer Änderung der Schneckendrehzahl gleichzeitig die Drehzahl des Steuerelements verbunden ist.
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Bei einer Variante der Erfindung kann das Steuerelement auf einem Hohlwellenstummel der Rotortrommel drehbar gelagert und mit einem eigenen Drehantrieb in Form eines Motors verbunden sein. Bei einem Abbremsen des Steuerelementes wirkt der Drehantrieb als Abtrieb für einen Generator.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind. In dieser zeigen:
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1 die schematische, teilweise geschnittene Ansicht einer Schneckenzentrifuge in einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 zwei kommunizierende Röhren mit einer Flüssigkeitsfüllung,
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3 das U-Rohr der 2 mit zwei Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte,
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4 die in 1 dargestellte Zentrifuge mit Antriebsmotor für das Steuerelement,
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5 eine Variante der 4,
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6 eine weitere Variante der 4,
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7 eine Variante der 6 als Dreiphasenzentrifuge,
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8 eine nochmals abgeänderte Ausführungsform für das Prinzip der 6,
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9 eine vergrößerte Ausschnittdarstellung aus 8,
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10 eine Variante der 8 und
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11 eine Detaildarstellung aus 10.
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1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge 10 gemäß der Erfindung. Diese besteht in bekannter Weise aus einer Rotortrommel 12, die an beiden Enden in Radiallagern 14 abgestützt und durch einen nicht gezeigten Antrieb um eine horizontale Achse 16 drehbar ist. Die Rotortrommel hat einen zylindrischen Trommelabschnitt 18 und einen konischen Trommelabschnitt 20.
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In der Rotortrommel 12 ist eine Förderschnecke 22 mit einer von der Trommeldrehzahl abweichenden Drehzahl um die Achse 16 drehbar gelagert. Der hierfür erforderliche Drehantrieb ist ebenfalls nicht dargestellt. Die Förderschnecke 22 besteht aus einer Hohlwelle 24, an der Schneckenwendel 26 für den Transport der schweren Phase zu Austragsöffnungen 28 im konischen Trommelabschnitt 20 angebracht sind.
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Durch den in 1 linken Hohlwellenstummel 30 der Rotortrommel 12 führt ein in 1 nicht dargestelltes Zulaufrohr 32 (vgl. 6) für das zu trennende Gemisch (Aufgabesuspension) axial in eine in der Hohlwelle 24 ausgebildete Aufgabekammer 34, von der Aufgabeöffnungen 36 in den Arbeitsraum 38 der Schneckenwendel 26 führen.
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Im Betrieb der Zentrifuge fördert die Schneckenwendel 26 die spezifisch schwere Phase (Dickstoff), die zur Trommelinnenwand die Höhe hD einnimmt, in den konischen Trommelabschnitt 20, aus dem sie über die Austragsöffnung 28 abgegeben wird. Die flüssige, leichte Phase (Zentrat) mit der Höhe hF fließt in entgegengesetzter Richtung zu der den zylindrischen Trommelabschnitt 18 abschließenden Stirnwand 40, vor der erfindungsgemäß das Steuerelement 42 angeordnet ist. Im Beispiel der 1 besteht dieses aus einer radial ausgerichteten Tauchscheibe 44, von der axiale Rippen 46 in Richtung auf die Stirnwand 40 abstehen. Die Tauchscheibe 44 ist hier an einem zylindrischen Ring 48 befestigt, der über zwei Kugellager 50 drehbar auf dem Hohlwellenstummel 30 gelagert ist. An seinem aus der Trommel 12 ragenden Ende hat der Ring 48 eine Riemenscheibe 52 für die Riemenverbindung 54 mit einem Elektromotor 56 (vgl. 4).
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Im Bereich des Steuerelementes 42 verhält sich der Druck wie in einem U-Rohr, in dem die Zentratteilchen zunächst radial zur Trommelinnenwand 58 strömen, um dann durch den Ringspalt 60 und den Überlauf 62 in der Stirnwand 40 nach außen abzufließen.
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2 zeigt ein U-Rohr, dessen beide Röhren mit einer Flüssigkeit der Höhe h gefüllt sind. Am Scheitelpunkt des U-Rohres herrscht der Druck p= h · ρ · g mit ρ= Dichte der Flüssigkeit und g= Erdbeschleunigung.
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In 3 ist ein entsprechendes Modell eines rotierenden U-Rohres im Bereich des Steuerelementes 42 der 1 gezeigt. Im Scheitelpunkt gilt für die Drücke PZ des Zentrats F (flüssige Phase) und PD des Dickstoffs D (schwere Phase): PF = PD wobei mit z= Zentrifugalbeschleunigung gilt: PF = hF·ρF·z PD = hD·ρD·z
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In 1 sind die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten der Rotortrommel ωR und des Steuerelementes ωS angegeben. Die Winkelgeschwindigkeit der Rotortrommel bestimmt die Winkelgeschwindigkeit ωF der flüssigen Phase: ωR = ωF.
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Die Winkelgeschwindigkeit ωS des als Tauchscheibe 44 mit oder ohne Rippen 46 ausgebildeten Steuerelementes 42 ist ungefähr gleich der Winkelgeschwindigkeit ωD des Dickstoffes (schwere Phase), aber verschieden von ωF des Zentrats: ωS ~ ωD ≠ ωF.
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Nachstehend werden drei unterschiedliche Fälle betrachtet. Im ersten Fall sei die Tauchscheibe 44 des Steuerelementes 42 ohne Rippen 46 ausgeführt, etwa wie in 11 dargestellt. Hierbei behält ein Zentratteilchen die an der Trommelinnenwand 58 aufgenommene Umfangsgeschwindigkeit bei. Das bedeutet, dass bei kleiner werdendem Durchmesser die Winkelgeschwindigkeit ωF des Zentratteilchens zunehmen muss. Das Zentrat eilt der umgebenden Trommelwandung also voraus. Durch die Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit nimmt die Zentrifugalbeschleunigung z und damit der Flüssigkeitsdruck im Spalt 60 zwischen Tauchscheibe 44 und Trommelinnenwand 58 zu. In diesem Spalt verhält sich der Druck wie im U-Rohr der 2, d. h. von den Flüssigkeitssäulen beidseitig der Tauchscheibe 44 wird der gleiche Druck erzeugt. Da die Flüssigkeiten vor und hinter der Tauchscheibe 44 die gleiche Dichte ρ haben, jedoch verschiedenen Zentrifugalbeschleunigungen unterliegen, kann das Druckgleichgewicht nur durch eine Vergrößerung der Höhe der Flüssigkeitssäule im Arbeitsraum 38 der Zentrifuge erreicht werden. Im Extremfall kann es dadurch zu einem unerwünschten Überlauf von Flüssigkeit durch den Feststoffaustrag 28 kommen.
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Fall 2 entspricht der in den 6, 7, 8, 9 gezeigten Skizzen, wonach die Tauchscheibe 44 auf der Hohlwelle 24 der Förderschnecke 22 befestigt und auf ihrer der Stirnwand 40 zugewandten Seite mit Rippen 46 versehen ist. Ein Zentratteilchen hat zunächst die an der Trommelinnenwand 58 aufgenommene Umfangsgeschwindigkeit. Bei kleiner werdendem Durchmesser wird dem Zentratteilchen die dem Radius und der Schneckendrehzahl entsprechende Umfangsgeschwindigkeit aufgezwungen. (Die Schneckendrehzahl unterscheidet sich bei dieser Betrachtung nur unwesentlich von der Trommeldrehzahl). Das bedeutet, dass bei kleiner werdendem Durchmesser die Winkelgeschwindigkeit des Zentratteilchens unverändert bleibt. Das Zentrat hat etwa die gleiche Winkelgeschwindigkeit wie die umgebenden Trommelwandung. Dadurch findet keine unerwünschte Niveaubeeinflussung auf den Arbeitsraum 38 der Zentrifuge durch den U-Rohr-Effekt statt (die Dichte der Flüssigkeit und die Zentrifugalbeschleunigung sind gleich).
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Der 3. Fall entspricht der Darstellung in 4, wonach das Steuerelement 42 mit der mit Rippen 46 versehenen Tauchscheibe 44 relativ zur Trommeldrehzahl von einem Motor 56 angetrieben (bzw. durch einen Generator abgebremst) werden kann. Alternativ kann das Steuerelement 42 wie in 5 skizziert als Rotor 64 mit i. w. radial ausgerichteten Flügeln 66 ausgebildet sein. Nachstehend wird der Bremsfall erläutert; der Antriebsfall ist entsprechend umgekehrt.
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Das Zentratteilchen tritt mit der an der Trommelinnenwand 58 aufgenommenen Umfangsgeschwindigkeit in den Spalt 60 zwischen Tauchscheibe 44 und Stirnwand 40 ein. Im Bereich der Rippen 46 bzw. Flügel 66 wird dem Zentratteilchen annähernd die Drehzahl der Tauchscheibe 44 bzw. Flügel 66 aufgezwungen. Die Umfangsgeschwindigkeit des Zentratteilchens wird entsprechend der Drehzahl der Tauchscheibe oder Flügel und des betrachteten Durchmesser abgebremst. Die Bremsenergie wird im Generator in elektrische Energie umgewandelt. Entsprechend der geringeren Umfangsgeschwindigkeit reduziert sich die auf das Zentratteilchen wirkende Zentrifugalbeschleunigung. Die Gleichgewichtsbedingung im Spalt 60 zwischen Tauchscheibe 44 und Trommelinnenwand 58 stellt sich durch eine Verringerung der Flüssigkeitshöhe im Arbeitsraum 38 der Zentrifuge ein. Beim Einsatz von Flügeln 66 ist eine Trennwand 68 zum Arbeitsraum 38 der Zentrifuge erforderlich.
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Im Beispiel der 6 ist, wie bereits erwähnt, die Tauchscheibe 44 des Steuerelementes 42 unmittelbar auf der Hohlwelle 24 der Förderschnecke 22 befestigt, deren Drehantrieb bekannt und nicht weiter dargestellt ist. Zwischen den Rippen 46 hat die Tauchscheibe 44 Abflussöffnungen 70 für den Austrag der flüssigen Phase.
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7 zeigt eine Dreiphasenversion der Zentrifuge mit auf dem Umfang verteilten, radial einstellbaren Überlaufrohren 72 für den Austrag einer leichten Flüssigkeit. Die Abflussöffnungen 70 für den Austrag einer schweren Flüssigkeit können durch Schrauben 74 verschlossen werden. Im konischen Trommelabschnitt 20 werden die Feststoffe über die Austragsöffnung 28 abgegeben.
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Die in den 8 und 9 dargestellte Ausführungsform ist mit der Version der 7 vergleichbar, bei der die Tauchscheibe 44 an der Hohlwelle 24 der Förderschnecke 22 befestigt und mit Rippen 46 versehen ist. In 9 ist eine der Schrauben 74 zum Verschließen der Abflussöffnung 70 in der Tauchscheibe 44 deutlich zu erkennen.
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Die 10 und 11 zeigen schließlich nochmals eine Version mit Tauchscheibe 44 ohne Rippen. Die Mittel zum Abbremsen oder Beschleunigen der Flüssigkeitsteilchen können hier aus anderen Oberflächendiskontinuitäten bestehen, z. B. Aufrauhungen oder Vorsprüngen.
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Durch die Beeinflussung des Flüssigkeitsniveaus während des Betriebs der Zentrifuge ergeben sich folgende Möglichkeiten:
- 1. Anpassung der Zentrifuge bei veränderter Zulaufmengen bzw. schwankender Feststoffkonzentration.
- 2. Beeinflussung der Trockenheit des Feststoffes und der Klarheit des Zentrates.
- 3. Anpassung des Transportverhaltens des Feststoffes an spezifische Produkteigenschaften.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3921327 [0002, 0003]
- EP 702599 B1 [0004]
