DE102021001237A1

DE102021001237A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Sichtung von staubförmigen Gütern

Info

Publication number: DE102021001237A1
Application number: DE102021001237.2A
Authority: DE
Inventors: Stefano L. Zampini; Benjamin Biber
Original assignee: Hosokawa Alpine AG
Current assignee: Hosokawa Alpine AG
Priority date: 2021-03-09
Filing date: 2021-03-09
Publication date: 2022-09-15
Anticipated expiration: 2041-03-10
Also published as: DE102021001237B4; EP4059625A1

Abstract

Bei einem Sichtrad für einen Zentrifugalkraft-Windsichter, welches von einem Sichtfluid entgegen seiner Schleuderrichtung von außen nach innen durchströmt wird und welches kranzförmig angeordnete Sichtradschaufeln aufweist, soll der Feinheitsbereich bestehender Windsichter erweitert werden, um eine noch höhere Feinheit als bisher zu erzielen. Dies wird dadurch erreicht, dass auf der in Rotationsrichtung vorderen Seite der Sichtradschaufeln im radial äußeren Drittel des Sichtradradius Einbauten vorgesehen sind, sodass der Strömungskanal zwischen den Sichtradschaufeln mindestens eine von zwei Engstellen begrenzte Erweiterung aufweist, sodass die Engstellen den sich aus dem einströmenden Sichtfluid bildenden Sichtwirbel begrenzen.

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Sichtrad für einen Zentrifugalkraft-Windsichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Trennung von in einem Sichtfluid dispergierten Sichtgut in eine Fein- und eine Grobfraktion nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Windsichter dienen dazu ein in einem Fluid dispergiertes Sichtgut in eine Fein- und eine Grobfraktion zu trennen. Die Trennwirkung eines Sichtrades beruht darauf, dass die Schleppkraft des Fluids und die Fliehkraft in den Strömungskanälen zwischen den Sichtradschaufeln eines Sichtrades, des sogenannten Abweiserades in einander entgegengesetzten Richtungen auf die einzelnen Partikel des Feststoffes einwirken. Bei kleinen Partikeln überwiegt die Schleppkraft, so dass sie vom Fluid mitgenommen und als Feingut ausgetragen werden. Bei großen Partikeln überwiegt die Fliehkraft, so dass sie entgegen der Fluidströmung aus dem Abweiserad geschleudert werden. Die Partikelgröße, für die Fliehkraft und Schleppkraft im Gleichgewicht sind, die also mit gleicher Wahrscheinlichkeit in das Feingut oder das Grobgut gelangt, wird als Trennkorngröße oder Trenngrenze bezeichnet.
Die Anforderungen an die Sichtung von Schüttgütern werden immer höher. Es werden immer größere Mengen an Schüttgut gesichtet. Auch an das Ergebnis der Sichtung werden immer höhere Anforderungen gestellt. Die Sichtung soll nicht nur wirtschaftlich sein, auch die Trennschärfe und das Ausbringen sollen hoch sein. Zudem werden die Anforderungen an die Sichter hinsichtlich der erreichbaren Feinheiten immer höher.
Da es sich meist um Massengüter handelt, wirkt sich der für die Trennung benötigte Energiebedarf sehr stark auf die Herstellungskosten aus, so dass man stets bestrebt ist, das gewünschte Ergebnis mit möglichst geringem energetischen Aufwand und damit kostengünstig zu erlangen.
Zentrifugalkraft-Windsichter mit Abweiserad sind eine der bevorzugten Sichter zur Erzeugung von sehr feinen Sichtgütern unter verhältnismäßig geringem Energieaufwand. Für eine scharfe Trennung des Sichtgutes in Feingut und Grobgut ist es erforderlich, dass in allen Strömungskanälen des Abweiserades eine gleichmäßige Durchströmung mit gleicher mittlerer Radialgeschwindigkeit des Fluids erfolgt.
Selbst bei optimaler Ausbildung des Fluidzulaufes ist es jedoch nicht zu vermeiden, dass sich wegen turbulenter Strömungsverhältnisse und vor allem bei einem Abweiserad mit relativ großer axialer Erstreckung nur eine ungleichmäßige Durchströmung der Kanäle zwischen den Schaufeln einstellt. Die Folge ist eine unscharfe Trennung und ein geringerer Durchsatz gegenüber dem bei gleichmäßiger Durchströmung möglichen Wert.
Untersuchungen der Strömungsfelder in Klassiervorrichtungen mit Abweiserädern wurden bereits durch K. Leschonski und K. Legenhausen durchgeführt. In einem Aufsatz in Chemical Engineering and Processing, 31(1992) 131-136 wurden die Strömungsverhältnisse innerhalb der durch die Sichtradschaufeln begrenzten Strömungskanäle beschrieben.
Im Ergebnis werden dabei drei unterschiedliche Strömungsformen unterschieden. Sie lassen sich auf drei unterschiedliche Betriebszustände zurückführen. Im Wesentlichen sind diese durch das Verhältnis der Geschwindigkeit des am Außenumfang des Abweiserades entlang strömenden Fluids (v_φ) und der Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Abweiserades (v_s) gekennzeichnet.
Eine annähernd gleichförmige Strömung kann sich nur herausbilden, wenn die Strömung parallel zu den Sichtradschaufeln verlaufen. Eine solche gewünschte homogene Strömung kann nur erreicht werden, wenn die Geschwindigkeit des am Außenumfang des Abweiserades entlang strömenden Fluids (v_φ) und die Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Abweiserades (vs) gleich sind.
Bei ungleichen Geschwindigkeiten entstehen Strömungswirbel in den von den Sichtradschaufeln begrenzten Strömungskanälen, die die Trennschärfe verschlechtern und insgesamt die Feinheit negativ beeinflussen. Die Trenngrenze für Feines und Grobes ist nämlich über die radiale Erstreckung der Strömungskanäle innerhalb des Sichtrades nicht konstant. Die höchste, also feinste Trenngrenze für das Feine liegt am Außenumfang des Abweiserades und verschlechtert sich mit abnehmendem Radius zur Rotationsachse des Abweiserades hin. Normalerweise wird das Grobgut bereits am Außenumfang des Rades abgewiesen und gelangt in das Grobgut. Nur das Feingut kann weiter in das Innere des Abweiserades vordringen und wird mit der Fluidströmung in das Feingut abgezogen. Werden jedoch durch eine ungewünschte Wirbelbildung in den Strömungskanälen des Abweiserades grobe Teilchen weiter nach innen verbracht, so können diese nur nach der Trenngrenze abgewiesen werden, wie sie an dem jeweiligen inneren Radius des Abweiserades vorliegt. Da diese Trenngrenze gröber ist als die Trenngrenze am Außenumfang des Abweiserades kann ein gewisser Teil an sich grober Teilchen nicht abgewiesen werden und gelangt deshalb in das Feingut. Die Trennschärfe wird in solchen Fällen als schlecht erachtet.
In den Fällen einer völlig ungerichteten Anströmung des Abweiserades, wie sie z.B. in bestimmten Sichtermühlen oder auch in Windsichtern mit besonderer Gehäuseform vorkommen, sind Abweiseräder nach dem Stand der Technik nicht einsetzbar, um eine gleichförmige Strömung in den Strömungskanälen zu ermöglichen.
Bei Zentrifugalkraft-Sichträdern bewirken die kranzförmig angeordneten Schaufeln, dass die Winkelgeschwindigkeit des Strömungsfluids innerhalb des durch die Schaufeln begrenzten Strömungskanals in jedem radialen Abstand von der Rotationsachse des Sichtrades konstant ist. Der sich dabei einstellende Festkörperwirbel hat die Eigenschaft, dass die Trenngrenze am Außenumfang des Sichtrades am kleinsten ist. Je weiter das Fluid zusammen mit den darin dispergierten Partikeln in das Radinnere eindringt, d.h. je geringer der Radius wird, umso größer wird die Trenngrenze.
Dies ergibt ideale Trennbedingungen am Außenumfang des Sichtrades. Grobe Partikel werden außen am Sichtrad abgewiesen und belasten somit das Sichtrad nicht, wodurch hohe Feingutauszüge erreicht werden können. Sofern jedoch grobe Partikel, durch welche Ursachen auch immer, in das Innere des Sichtrades eindringen können, so gilt für diese Partikel eine gröbere Trenngrenze, wodurch Partikel, die eigentlich größer sind als die Trenngrenze am Außenumfang nicht abgewiesen werden, sondern in das Zentrum des Sichtrades gelangen können und zusammen mit dem Feingut ausgetragen werden. Dies führt zu einer unscharfen Trennung zwischen Grob- und Feingut, zudem wird das Sichtrad durch grobe Partikel belastet, die eigentlich sofort am Außenumfang hätten abgewiesen werden sollen. Die hohe Belastung des Sichtrades führt zu kleineren Feingutausbeuten und verschlechtert die Effizienz des Sichters.
Eine Ursache dafür, dass grobe Partikel ungewünscht in das Sichtrad eindringen können, sind Wirbel, die sich in den Strömungskanälen ausbilden und grobe Partikel ansaugen und in das Innere des Sichtrades transportieren.
Aus der EP 0 983 802 A2 sind Sichträder bekannt, die Einbauten innerhalb der Strömungskanäle aufweisen, die die Wirbelbildung innerhalb der Strömungskanäle derart beeinflussen, dass keine oder nur noch wenige grobe Partikel in die Strömungskanäle eingesaugt werden.
Dazu sind im radial mittleren Bereich des Strömungskanals Strömungsbrecher an den Begrenzungswänden der Schaufeln so anzubringen, dass die in die Strömungskanäle eindringende Fluidströmung bereits im ersten radialen Drittel des Strömungskanals gebrochen wird und eine Wirbelbildung nur noch in diesem Drittel des Strömungskanals auftreten kann. Da die Wirbel die Ursache für das Ansaugen von groben Partikeln sind, werden grobe Partikel nicht mehr so weit in die Strömungskanäle eingesaugt, wenn sich die Wirbel möglichst im Bereich des Außenumfangs des Sichtrades ausbilden. Wenn die groben Partikel weniger weit in das Sichtrad eindringen können, dann wird es auch weniger stark mit groben Partikeln belastet und die Wahrscheinlichkeit, dass grobe Partikel in das Innere eindringen und somit in das Feingut gelangen können wird stark minimiert.
Das Brechen der Strömung erfolgt bei Sichträdern, dessen Umfangsgeschwindigkeit (v_s) größer ist als die Geschwindigkeit des am Außenumfang des Abweiserades entlang strömenden Fluids (v_φ,), an denjenigen Begrenzungsflächen der Sichtradschaufeln, die in Rotationsrichtung vorne gelegen sind.
Im Gegensatz dazu erfolgt das Brechen der Strömung bei Sichträdern, dessen Umfangsgeschwindigkeit (vs) kleiner ist als die Geschwindigkeit des am Außenumfang des Abweiserades entlang strömenden Fluids (v_φ,), an denjenigen Begrenzungsflächen der Sichtradschaufeln, die in Rotationsrichtung hinten gelegen sind.
Die Verkleinerung des Wirbels hinsichtlich der Wirbelgröße muss dagegen zwangsläufig eine Verbesserung der Sichtung bedeuten. Es wurde sogar herausgefunden, dass eine definierte Wirbelbildung im äußeren Umfangsbereich der Strömungskanäle zu einer besseren Dispergierung von Sichtgut und Strömungsfluid führt. Dies wirkt sich positiv auf den Feingutauszug aus, d.h. mehr Feingut kann aus dem Sichtgut abgetrennt und über das Sichtrad in die Feingutfraktion verbracht werden.
Die bekannten Sichträder sind in Ihrer Feinheit begrenzt. Sie können mit dem Wunsch nach höheren Feinheiten nicht Schritthalten. Es hat sich gezeigt, dass die bisherigen Geometrien keine Verbesserung der Feinheiten zulassen. Bekanntlich erfolgt der Sichtvorgang durch ein Kräftegleichgewicht von abweisender Zentrifugalkraft und transportierender Schleppkraft. Für feinere Sichtungen benötigt man höhere Drehzahlen also höhere Zentrifugalkräfte. Die dabei auf die Bauteile wirkenden Kräfte limitieren die Drehzahl nach oben. Es bleibt für feinere Sichtungen die Reduktion der Schleppkraft. Dabei wurde festgestellt, dass beim Unterschreiten einer Grenze, die Strömung instabil wird und sich keine weitere Feinheitssteigerung mehr einstellt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Sichtrad und ein Sichtverfahren zur Verfügung zu stellen, welches den Feinheitsbereich bestehender Windsichter erweitert, um eine noch höhere Feinheit als bisher zu erzielen.
Bei einem Sichtrad für einen Zentrifugalkraft-Windsichter und einem Verfahren zur Trennung von in einem Sichtfluid dispergiertem Sichtgut in eine Fein- und eine Grobfraktion der eingangs beschriebenen Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 und des Anspruchs 11 gelöst.
Das erfindungsgemäße Sichtrad für einen Zentrifugalkraft-Windsichter ist drehangetrieben in diesem angeordnet und wird entgegen seiner Schleuderrichtung von außen nach innen durchströmt. Es weist zwischen zwei Haltescheiben kranzförmig angeordnet Sichtradschaufeln auf. Die Sichtradschaufeln und die Haltescheiben begrenzen Strömungskanäle. In diesen Strömungskanälen sind den Strömungsverlauf beeinflussende Einbauten angeordnet, welche auf der in Rotationsrichtung vorderen Seite der Sichtradschaufel im radial äußeren Drittel des Sichtradradius vorgesehen sind, sodass die Strömungskanäle zwischen den Sichtradschaufeln mindestens eine von zwei Engstellen begrenzte Erweiterung aufweist. Dadurch begrenzen die Engstellen den sich aus dem einströmenden Sichtfluid bildenden Sichtwirbel.
Das erfindungsgemäße Sichtrad weist speziell ausgeformte Strömungskanäle auf, die die Wirbelbildung in den Strömungskanälen weiter positiv für die Sichtung beeinflussen. Die erfindungsgemäßen Sichtradkanäle des Sichtrades, welche von den Sichtradschaufeln und Haltescheiben begrenzt werden, weisen von radial außen nach innen eine Engstelle, danach eine Erweiterung und schließlich wieder eine Engstelle auf, d.h. mindestens eine von zwei Engstellen begrenzte Erweiterung. Diese Form wird durch Einbauten in den Strömungskanälen erzielt. Diese Einbauten sind im radial äußeren Drittel des Sichtradradius angeordnet. Sie liegen auf der in Rotationsrichtung vorderen Seite der Sichtradschaufeln.
Durch die beschriebene Ausformung der Strömungskanäle wird der sich aus dem einströmenden Sichtfluid bildende Sichtwirbel beidseitig begrenzen, sowie örtlich und zeitlich stabilisiert. Der Sichtwirbel wird durch die Engstellen in seiner Größe und örtlich im Strömungskanal definiert eingegrenzt. Außerdem ist er stabiler und weist weniger zeitliche Fluktuationen auf. Durch diese Maßnahmen wird definiert Einfluss auf die Feinheit genommen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sichtrads verlaufen die Sichtradschaufeln nicht exakt in radialer Richtung, sondern sind in einem Winkel zur radialen Richtung entgegen der Rotationsrichtung geneigt bzw. gedreht angeordnet, sodass sie überwiegend abweisend ausgerichtet sind. Die Sichtradschaufeln bilden dadurch einen Strömungskanal mit einem geknickten
Verlauf aus, sodass der Strömungskanal in seiner Mittellage abweisend orientiert ist. In einer besonders bevorzugten Ausführung befindet sich der Knick der Sichtradschaufeln bzw. des Strömungskanals im äußeren radialen Drittel des Sichtrads bezogen auf den Sichtradradius.
Sofern sich die Sichtradschaufeln bis in die inneren zwei Drittel des Sichtrades erstrecken, bezogen auf den Sichtradradius, bleiben die Sichtradschaufeln im inneren Bereich radial ausgerichtet. Wohingegen die Sichtradschaufeln im äußeren Bereich zur radialen Richtung in einem Winkel geneigt bzw. gedreht angeordnet sind. Bevorzugt sind sie im radial äußeren Drittel, bezogen auf den Sichtradradius, der Strömungskanäle abweisend ausgerichtet.
Eine Ausführungsvariante der Erfindung zeichnet sich durch einen stetigen Konturverlauf des speziell ausgeformten äußeren, abweisend orientierten Bereichs der Sichtradschaufeln aus, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Sichtradschaufeln von außen nach innen betrachtet zunächst eine Verengung aufweist, danach schließt sich eine Erweiterung an, bevor sich der Abstand wieder verengt.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die den Strömungskanal begrenzenden Sichtradschaufeln ebenfalls abweisend orientiert, d.h. im radial äußeren Bereich der Schaufeln entgegen der Drehrichtung des Sichtrades geneigt. Auch hier sind die Schaufeln im radial äußeren Drittel des Strömungskanals, bezogen auf den Sichtradradius, abweisend orientiert. Hier ist der radial äußerste Bereich der Sichtradschaufel in Drehrichtung des Sichtrads nach vorn abgenickt. Das Abknicken nach vorn des äußersten Bereichs der Sichtradschaufeln kann dabei unterschiedlich stark ausgeprägt sein.
Dieses äußerste Element, es stellt auch eine Einbaute dar, kann beispielsweise derart ausgeführt sein, dass es radial zur Sichtradachse ausgebildet ist. Des Weiteren weist die Sichtradschaufel eine weitere Einbaute im radial äußeren Drittel des Sichtradradius auf. Das äußerste Element und die Einbaute stellen die Verengungen zwischen der Erweiterung des Strömungskanals dar. Sie begrenzen den sich bildenden Sichtwirbel. Sie definieren den Ort und die Größe des Sichtwirbels.
In einer weiteren Aufführungsform ist das äußerste Element stärker nach vorn abgeknickt, als es einer radialen Orientierung zur Sichtradachse entspricht. Genauso kann das abgeknickte äußere Ende der Sichtradschaufel so schwach abgeknickt sein, dass es noch abweisend ausgeführt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform schließt, die von außen nach innen betrachtet äußere Einbaute d.h. die außenliegende Verengung mit dem Außenumfang des Sichtrades ab, unabhängig von dem Durchmesser der Haltescheiben z.B. von Deck- und Nabenscheibe.
In einer weiteren Ausführungsform des Sichtrades ist die Kontur im radial äußeren Drittel, bezogen auf den Sichtradradius, der Strömungskanäle bestehend aus einer Engstelle, einer Erweiterung und einer Engstelle im Querschnitt durch eine stetig gekrümmte Kurve ausgebildet.
In einer anderen Ausführungsform weist die speziell geformte Kontur Knicke, Ecken und Kanten auf, die durch das Zusammensetzen von zwei oder mehreren geraden, gekrümmten oder geknickten Teile durch ein geeignetes Fertigungsverfahren auftreten.
Unter einem stetigen Verlauf ist hier gemeint, dass die Kontur der Sichtradschaufeln im Bereich des Sichtwirbels ohne Ecken und Kanten geformt ist. Unter einem unstetigen Verlauf ist hier zu versehen, dass die Kontur der Sichtradschaufeln im Bereich des Sichtwirbels mindestens eine Kante oder einen Knick aufweist. Mit Knicken und Kanten können hier auch fertigungsbedingte Kanten wie z.B. Schweißnähte verstanden werden.
Die Einbauten haben im Querschnitt vorzugsweise quadratische, rechteckige dreieckige oder runde Form, es können jedoch, je nach Anwendungsfall auch jegliche andere Querschnittsformen Anwendung finden.
Die Einbauten und damit die speziell geformten Bereiche der Sichtradschaufeln erstrecken sich axial über deren gesamte Höhe. Das ist gleichbedeutend damit, dass sich die Kontur der Strömungskanäle über die gesamte axiale Höhe des Sichtrades erstreckt.
Die Einbauten bzw. die speziell geformten Bereiche der Sichtradschaufeln befinden sich bevorzugt auf einer gemeinsamen radialen Kreisbahn, die in einem Bereich innerhalb des äußeren Drittels des Sichtradradius liegt.
Die Einbauten sind auf der in Drehrichtung des Sichtrades vorderen Seite der Sichtradschaufel angeordnet. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die in Drehrichtung hintere Seite der Sichtradschaufel keine Einbauten auf.
Die Haltescheiben, zwischen denen die Sichtradschaufeln angeordnet sind, können als Deckscheiben und / oder Nabenscheiben ausgebildet sein. Die Deckscheibe ist bei einem einflutigen Sichtrad mit einem Feingutaustritt versehen. Sie ist bevorzugt ringförmig ausgestaltet. Je nach Ausführung des Sichtrades kann die Nabenscheibe ebenfalls Öffnungen aufweisen, durch die das Feingut hindurchströmen kann.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Sichtrad sowohl einflutig als auch 2-flutig ausgeführt sein.
Ein zweiflutiges Sichtrad lässt sich aus zwei einflutigen Sichträdern zusammensetzen. Dabei werden die Sichträder an ihren Deckscheiben zusammengebaut, sodass sie eine gemeinsame Drehachse aufweisen. Das zweiflutige Sichtrad weist nun zwei Nabenscheiben auf und ist beidseitig im Gehäuse des Zentrifugalkraft-Windsichters gelagert. Die beiden Nabenscheiben weisen Durchbrechungen auf, die die Feingutaustritte darstellen. In einer weiteren Ausführungsform entfallen die Deckscheiben in der Mitte zweiflutigen Sichtrades, sodass es einen durchgehenden Innenbereich aufweist.
Die Strömungskanäle des Sichtrades weisen im radial äußeren Drittel des Sichtradradius mindestens eine von zwei Engstellen begrenzte Erweiterung auf. Die Verhältnisse der Abstände der Sichtradschaufeln an diesen Punkten lassen sich über die Bogenlängen an den Verengungen und der Erweiterung beschreiben.
Für das Verhältnis der Bogenlängen a, b und c gilt: $b > x \cdot (a + c) und a < b$
a, b und c sind die Bogenlängen zwischen zwei benachbarten Sichtradschaufeln mit den zugehörigen Radien r(a), r(b) und r(c).
Es gilt r(a) > r(b) > r(c) > 2/3 r(s)
mit r(s): Sichtradradius.
Die Bogenlänge a beschreibt den Abstand zwischen zwei benachbarten Sichtradschaufeln am Radius r(a) des Sichtrades auf Höhe der radial äußeren Verengung.
Die Bogenlänge b beschreibt den größten Abstand zwischen den zwei benachbarten Sichtradschaufeln am Radius r(b) des Sichtrades. Es beschreibt den Abstand der Sichtradschaufeln an der Erweiterung zwischen den Verengungen.
Die Bogenlänge c beschreibt den Abstand zwischen den zwei benachbarten Sichtradschaufeln am Radius r(c) des Sichtrades auf Höhe der radial inneren Verengung.
Der Faktor x hat einen Wert > 0,5, bevorzugt von 0,5 < x < 3.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Trennung von einem in einem Sichtfluid dispergierten Sichtgut in eine Feinfraktion und eine Grobfraktion. In einem erfindungsgemäßen Sichtrad, wie oben beschrieben, bildet sich durch die Kontur der Strömungskanäle, hervorgerufen durch die Einbauten, ein Sichtwirbel aus dem einströmenden Sichtfluid aus. Der Sichtwirbel ist beidseitig von Einbauten begrenzt. Dieser Sichtwirbel weist eine Strömungsgeschwindigkeit auf, die höher ist als wenn der Sichtwirbel nur innen einseitig von Einbauten begrenzt wird. Er ist dadurch stabiler und weist weniger zeitliche Fluktuationen auf.
Durch die beschriebene Ausformung der Strömungskanäle wird erreicht, dass die Freiheitsgrade des partikelbeladenen Sichtfluids bei der Anströmung auf das Sichtrad auf eine derart vorteilhafte Art und Weise einschränkt werden, dass der Impuls des anströmenden Sichtfluids möglichst vollständig in eine hohe Geschwindigkeit im Sichtwirbel umgesetzt werden kann.
Dies wird dadurch erreicht, indem dem partikelbeladenen Sichtfluid die Umlenkung an den in Drehrichtung des Sichtrads geformten Schaufeln aufgezwungen wird. Durch die geometriebedingte Unterstützung der Strömungsumlenkung kann der Impuls besser in eine Geschwindigkeitsüberhöhung umgesetzt werden, da die Verluste für die Umlenkung der Strömung deutlich niedriger sind.
Zwischen den Sichtradschaufeln bildet sich eine Sichtzone aus, die sich zwischen zwei Staupunkten befindet, wobei sich der erste Staupunkt auf der in Sichtraddrehrichtung vorderen Seite der Sichtradschaufeln befindet. Der Zweite Staupunkt liegt folglich auf der in Sichtraddrehrichtung hinteren Seite der Sichtradschaufeln des Sichtrads. Die Staupunkte begrenzen die Wirbelgröße. Dadurch können höhere Feinheiten sowie ein höherer Feingutauszug erreicht werden.
Durch den stetigen Konturverlauf der speziell ausgeformten Strömungskanäle, welche das Sichtfluid um nahezu 180° umlenkt, ist diese Variante besonders gut aerodynamisch geeignet und setzt den Impuls des anströmenden Fluids am effektivsten in eine Geschwindigkeitsüberhöhung des Fluids im Sichtwirbel um. Idealerweise kann so eine Strömungsgeschwindigkeit im Sichtwirbel erreicht werden, die der doppelten Umfangsgeschwindigkeit des Sichtrads entspricht.
Die Einbauten im radial äußersten Bereichs der Sichtradschaufeln führen dazu, dass der Impuls des einströmenden Fluids effizienter in eine Geschwindigkeitsüberhöhung im Sichtwirbel umgesetzt wird, als bei dem in der Patentschrift EP 0 983 802 A2 offenbarten Sichtrad.
Die Varianten, die durch Knicke und Kanten unstetige Verläufe der besonders ausgeformten Sichtradschaufeln aufweisen, sind aufgrund von Verlusten beim Impulsaustausch nicht so effizient wie Varianten mit stetigen Konturen. Da die Varianten mit geknickten Sichtschaufelenden den Impuls des anströmenden Fluids nicht so effizient umsetzen, sind dort die Geschwindigkeitsüberhöhungen im Vergleich zu stetigen Konturen niedriger. Diese Sichträder sind aber wirtschaftlicher in der Herstellung.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in der -beispielhaft- ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
In der Zeichnung zeigt:

1: Ansicht im Meridianschnitt des erfindungsgemäßen Sichtrades
2: Ansicht im Achsnormalschnitt des erfindungsgemäßen Sichtrades mit den erfindungsgemäßen Strömungskanälen mit stetiger Kontur
3: Ansicht im Achsnormalschnitt des erfindungsgemäßen Sichtrades mit den erfindungsgemäßen Strömungskanälen mit unstetiger Kontur
4: Ausschnitt im Achsnormalschnitt aus einem Sichtrad mit den erfindungsgemäßen Strömungskanälen

Die 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sichtrads (10) für einen Zentrifugalkraft-Windsichter. Es umfasst eine die Sichtradnabe (1) tragende Nabenscheibe (2) und eine Deckscheibe (4) mit Feingutaustritt. Die Deckscheibe ist hier ringförmig ausgeführt. Zwischen diesen Scheiben sind die kranzförmig angeordneten Sichtradschaufeln (3) angeordnet. Sie sind gleichmäßig über den Umfang des Sichtrades (10) verteilt. Die Sichtradschaufeln (3) sind im Wesentlichen radial ausgerichtet und begrenzen die Strömungskanäle (6). Das Sichtrad (10) wird von außen nach innen von dem mit Partikeln beladenen Sichtfluid, z.B. Sichtluft durchströmt.
Das erfindungsgemäße Sichtrad (10) weist Strömungskanäle (6) auf, die im äußeren Drittel, bezogen auf den Sichtradradius, durch Einbauten (5a, 5b) speziell ausgebildet sind.
Die 2 zeigt ein Sichtrad (10) mit der erfindungsgemäßen Kontur der Strömungskanäle (6). Die Strömungskanäle (6) weisen eine stetige Kontur auf. Beim Sichtrad (10) in 2 verlaufen die Sichtradschaufeln (3) im radial äußeren Drittel des Sichtradradius nicht exakt in radialer Richtung, sondern sind in einem Winkel zur radialen Richtung entgegen der Rotationsrichtung des Sichtrads (10) geneigt angeordnet. Es zeichnet sich durch einen stetigen Konturverlauf der speziell ausgeformten äußeren Bereiche der Sichtradschaufeln (3) aus, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Sichtradschaufeln (3), von außen nach innen betrachtet, zunächst eine Verengung aufweist, danach schließt sich eine Erweiterung an bevor sich der Abstand wieder verengt. Diese Verengung, Erweiterung und Verengung der Strömungskanäle (6) wird durch Einbauten (5a, 5b) auf den Sichtradschaufeln (3) realisiert, die in die Strömungskanäle (6) hineinragen.
Die Einbauten (5a, 5b) sind in Rotationsrichtung an den vorderen Begrenzungsflächen jeder Sichtradschaufel (3) angeordnet. Auf der in Rotationsrichtung hinteren Begrenzungsfläche befinden sich keine Einbauten.
Die Einbauten (5a, 5b) weisen hier von außen nach innen des Strömungskanals (6) betrachtet sowohl für die äußeren als auch für die inneren Einbauten einen dreieckigen Querschnitt auf.
Auch beim Sichtrad (10) in 3 verlaufen die Sichtradschaufeln (3) im radial äußeren Drittel des Sichtradradius nicht exakt in radialer Richtung, sondern sind in einem Winkel zur radialen Richtung entgegen der Rotationsrichtung geneigt angeordnet.
Die Strömungskanäle (6) weisen von außen nach innen betrachtet eine Verengung, eine Erweiterung und eine Verengung auf. Die Kontur der Strömungskanäle ist unstetig, sie weist Kanten, Ecken und Vorsprünge auf. Das Sichtrad (10) weist in Drehrichtung des Sichtrads (10) nach vorn abgeknickte Elemente (5a) des radial äußersten Bereichs der Sichtradschaufel auf, die die äußere Verengung darstellen. Das Abknicken nach vorn des äußersten Bereichs der Sichtradschaufeln (3) kann dabei unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Es kann beispielsweise wie in der 3 gezeigt, derart ausgeführt sein, dass es radial zur Sichtradachse ausgebildet ist. Es kann auch so ausgeführt sein, dass das äußerste Element (5a) stärker nach vorn abgeknickt ist, als es einer radialen Orientierung zur Sichtradachse entspricht. Die Einbauten (5a, 5b) weisen hier von außen nach innen des Strömungskanals (6) betrachtet bei den äußeren Einbauten (5a) einen dreieckigen Querschnitt und bei den innen Einbauten (5b) einen viereckigen Querschnitt auf. Sie bilden die Verengungen, dazwischen liegt die Erweiterung des Strömungskanals (6).
Die Einbauten (5a, 5b) erstrecken sich axial über die gesamte Schaufelhöhe. Sie können z.B. durch Schweißen, Löten oder Kleben mit den Begrenzungsflächen der Sichtradschaufeln (3) verbunden werden.
Die Einbauten (5a, 5b) befinden sich vorzugsweise jeweils auf einer gemeinsamen radialen Kreisbahn um die Drehachse des Sichtrades (10), die etwa in einem Bereich innerhalb dem äußeren Drittel des Sichtradradius liegt. Die äußeren Einbauten (5a) liegen am Außenumfang des Sichtrades (10).
4 zeigt einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Sichtrad im Querschnitt. Es sind drei Sichtradschaufeln mit den dazwischenliegenden Strömungskanälen mit den Einbauten (5a) und (5b) dargestellt, sie begrenzen als radial äußere und radial innere Verengung die dazwischen liegende Erweiterung. Die Verengungen sind als Einbauten ausgeführt und können aus gleichem oder anderem Material sein als die Sichtradschaufeln.
Die Bogenlänge a beschreibt den Abstand zwischen zwei benachbarten Sichtradschaufeln mit dem zugehörigen Radius r(a) an der äußeren Verengung auf Höhe der Einbaute 5a. In dieser bevorzugten Ausführungsform entspricht der Radius r(a) dem Sichtradradius r(s).
Die Bogenlänge b beschreibt den Abstand zwischen zwei benachbarten Sichtradschaufeln mit dem zugehörigen Radius r(b) an der größten Stelle der Erweiterung.
Die Bogenlänge c beschreibt den Abstand zwischen zwei benachbarten Sichtradschaufeln mit dem zugehörigen Radius r(c) an der inneren Verengung auf Höhe der Einbaute 5b.
Die Radien r(a), r(b), und r(c) sind größer als 2/3 des Sichtradradius r(s), da die von zwei Verengungen begrenzte Erweiterung im radial äußeren Drittel des Sichtradradius vorgesehen ist.
Für die Bogenlänge b gilt: b > x · (a + c) und a < b.
Für den Faktor x gilt x > 0,5 und bevorzugt 0,5 < x <3.
Bezugszeichenliste

(1): Sichtradnabe
(2): Nabenscheibe
(3): Sichtradschaufeln
(4): Deckscheibe
(5, 5a, 5b): Einbauten
(6): Strömungskanäle
(10): Sichtrad
a, b, c: Bogenlängen
r(a), r(b), r(c): Radius

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0983802 A2 [0015, 0053]

Claims

Sichtrad (10) für einen Zentrifugalkraft-Windsichter, - welches drehangetrieben ist, - welches von einem Sichtfluid entgegen seiner Schleuderrichtung von außen nach innen durchströmt wird, - welches kranzförmig angeordnete Sichtradschaufeln (3) aufweist, die zwischen Haltescheiben (2, 4) angeordnet sind, - wobei Strömungskanäle (6) zwischen den Sichtradschaufeln (3) durch die in einem Abstand zueinander und in Richtung der Drehachse verlaufenden Flächen der Sichtradschaufeln (3) gebildet werden und - den Strömungsverlauf beeinflussende Einbauten innerhalb der Strömungskanäle (6) angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, dass - auf der in Rotationsrichtung vorderen Seite der Sichtradschaufel (3) im radial äußeren Drittel des Sichtradradius Einbauten (5a, 5b) vorgesehen sind, - sodass die Strömungskanäle (6) zwischen den Sichtradschaufeln (3) mindestens eine von zwei Engstellen begrenzte Erweiterung aufweist, - sodass die Engstellen den sich aus dem einströmenden Sichtfluid bildenden Sichtwirbel begrenzen.
Sichtrad (10) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sichtradschaufeln (3) im radial äußeren Drittel des Sichtradradius überwiegend abweisend ausgerichtet sind.
Sichtrad (10) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Sichtradschaufeln (3) in den radial inneren zwei Dritteln des Sichtradradius überwiegend radial ausgerichtet sind.
Sichtrad (10) nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass sich die Einbauten (5a, 5b) in den Strömungskanälen (6) über die gesamte axiale Höhe des Sichtrades (10) erstrecken.
Sichtrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Strömungskanäle (6) im radial äußeren Drittel des Sichtradradius bestehend aus einer Engstelle, einer Erweiterung und einer Engstelle im Querschnitt durch eine stetige gekrümmte Kurve ausgebildet ist.
Sichtrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Strömungskanäle (6) im radial äußeren Drittel des Sichtradradius durch zwei oder mehrere gerade, gekrümmte oder geknickte Teile zusammengesetzt wird.
Sichtrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass für die Bogenlänge b am Radius r(b) des Sichtrades auf Höhe der Erweiterung zwischen zwei benachbarten Sichtradschaufeln gilt: b > x . (a + c) und a < b mit x > 0,5, bevorzugt 0,5 < x < 3 und r(a) > r(b) >r(c) > 2/3 r(s), r(s): Sichtradradius a: Bogenlänge am Radius r(a) des Sichtrads auf Höhe der radial äußeren Verengung zwischen 2 benachbarten Sichtradschaufeln b: Bogenlänge am Radius r(b) des Sichtrads auf Höhe der größten Erweiterung zwischen 2 benachbarten Sichtradschaufeln c: Bogenlänge am Radius r(c) des Sichtrads auf Höhe der radial inneren Verengung zwischen 2 benachbarten Sichtradschaufeln.
Sichtrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Haltescheiben als mindestens eine die Sichtradnabe (1) tragende Nabenscheibe (2), einer Deckscheibe (4) mit Feingutaustritt und / oder als gegenüberliegende Nabenscheiben (2) mit Feingutaustritten ausgebildet sind.
Sichtrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die radial außenliegende Verengung, in Form einer Einbaute (5a), die mit dem Außenumfang des Sichtrades (10) abschließt, unabhängig vom Durchmesser der Deck- (4) und Nabenscheibe (2) ist.
Sichtrad (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass es aus zwei Sichträdern (10) zu einem doppeltgelagerten, doppelflutigen Sichtrad mit gemeinsamer Drehachse und zwei durchbrochenen Nabenscheiben (2) mit Feingutaustritt zusammengesetzt ist.
Verfahren zur Trennung von in einem Sichtfluid dispergiertem Sichtgut in eine Fein- und eine Grobfraktion mit einem drehangetriebenen Sichtrad (10) für einen Zentrifugalkraft-Windsichter, - welches von einem Sichtfluid entgegen seiner Schleuderrichtung von außen nach innen durchströmt wird, - welches kranzförmig angeordnete Sichtradschaufeln (3) aufweist, die zwischen Haltescheiben (2, 4) angeordnet sind, - wobei Strömungskanäle (6) zwischen den Sichtradschaufeln (3) durch die in einem Abstand zueinander und in Richtung der Drehachse verlaufenden Flächen der Sichtradschaufeln (3) gebildet werden und - den Strömungsverlauf beeinflussende Einbauten innerhalb der Strömungskanäle (6) angeordnet sind dadurch gekennzeichnet, dass - auf der in Rotationsrichtung vorderen Seite der Sichtradschaufeln (3) im radial äußeren Drittel des Sichtradradius Einbauten (5a, 5b) vorgesehen sind, - sodass die Strömungskanäle (6) zwischen den Sichtradschaufeln (3) mindestens eine von zwei Engstellen begrenzte Erweiterung aufweist und - wobei durch die Einbauten (5a, 5b) an den Sichtradschaufeln (3) im Bereich innerhalb des äußeren Drittels des Sichtradradius dafür gesorgt wird, dass die Sichtwirbel, die sich in dem in die Strömungskanäle (6) einströmenden Sichtfluid bilden und von den Engstellen beidseitig begrenzt werden, eine Strömungsgeschwindigkeit aufweisen, die höher ist als wenn die Sichtwirbel nur innen einseitig von Einbauten (5b) begrenzt werden.