DE10309575A1

DE10309575A1 - Zyklotron zur Abscheidung von Partikeln aus einem Gas-Partikel-Gemisch

Info

Publication number: DE10309575A1
Application number: DE10309575A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Löbel (FH)
Original assignee: Oce Printing Systems GmbH and Co KG
Current assignee: Canon Production Printing Germany GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-05
Filing date: 2003-03-05
Publication date: 2004-09-30

Abstract

Das Zyklotron weist einen Zyklotronabscheider (ZA), einen Ansaugkanal (AS) und einen Absaugkanal (AK) auf. Um die Trennung der Partikel aus einem Partikel-Gas-Gemisch zu verbessern, wird der Ansaugkanal mit einer Krümmung versehen, an der Partikel im Gemisch konzentriert werden. Diese Konzentration der Partikel wird bis zum Eintritt des Gemisches in den Zyklotronabscheider aufrechterhalten. Dabei wird das Gemisch im Ansaugkanal derart geführt, dass der mit Partikel angereicherte Teil des Gemisches auf der Innenwand des Zyklotronabscheiders auftrifft.

Description

Zyklotrone sind bekannt, z.B. aus Third International Conference on Multiphase Flow, ICMF 98, Lyon, France, June 8-12, 1998, CD-ROM Proceeedings, Paper No. 217. Sie bestehen aus einem Zyklotronabscheider, in dem die Partikel aus einem Gas- Partikel-Gemisch getrennt werden sollen, aus einem Ansaugkanal, über den das Gemisch dem Zyklotronabscheider zugeführt wird, und einem Absaugkanal, über den das gereinigte Gas abgesaugt wird.

In einem solchen Zyklotronabscheider wird das zu reinigende Gas, z.B. Luft, in Rotation versetzt. Durch die entstehenden Zentripedalkräfte auf die in dem Gas enthaltenen Partikel findet eine Entmischung des angesaugten Gases statt, die Partikel, z.B. Schmutzteilchen, werden abgeschieden, das gereinigte Gas verlässt das Zyklotron. Dieses gereinigte Gas enthält bei bekannten Zyklotronen noch immer einen, wenn auch sehr geringen, Anteil an Partikeln, welcher üblicherweise durch ein Feinfilter aus Gewebematerial, typischerweise aus Stoffgewebe, Filz oder Papier, abgeschieden wird. Das Feinfilter kann im Absaugkanal angeordnet werden. Ist das Feinfilter nach einer bestimmten Betriebszeit gefüllt, muss es gereinigt oder getauscht werden.

Mit einer Erhöhung der Abscheiderate (= prozentuale Anteil der abgeschiedenen Partikelmenge zur ursprünglichen Partikelmenge), also mit einer Reduzierung des Partikelanteils im Gas, welcher das Zyklotron verlässt, erhöht sich die Einsatzdauer des nachgeordneten Feinfilters und damit die Wirtschaftlichkeit des Gerätes.

Den bisher bekannten Zyklotronabscheidern ist gemein, dass im Ansaugrohr die Partikel im Gasstrom statistisch gleich verteilt sind, die Abscheidung der Partikel somit erst mit dem Eintritt in den Zyklotronabscheider beginnt. Insbesondere Partikel mit geringem Masse-Volumenverhältnis (Dichte) werden unzureichend abgeschieden und gelangen in den Absaugkanal.

Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, den Wirkungsgrad des Zyklotrons zu erhöhen, also die Menge an abgeschiedenen Partikeln aus dem Gemisch zu erhöhen.

Dieses Problem wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Ansaugkanals wird eine Schichtung (Vortrennung der Partikel) im Gemisch noch vor Eintritt in den Zyklotronabscheider erzeugt, mit der das Gemisch in den Zyklotronabscheider gelangt und damit die Wirksamkeit des Zyklotronabscheiders verbessert.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Das Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Ansaugkanal vor dessen Eintritt in den Zyklotronabscheider gekrümmt ist. Dann werden die Partikel bereits in der Krümmung des Ansaugkanals vorgetrennt. Wenn der Ansaugkanal derart ausgeführt ist, dass diese Vortrennung bis in den Eintritt des Gemisches in den Zyklotronabscheider aufrechterhalten wird, kann das durch Partikel angereicherte Gas zum Randbereich des Zyklotronabscheiders geleitet werden, wo die Partikel auf übliche Weise nach unten abgeführt werden.

Eine optimale Trennung wird dann erreicht, wenn der Krümmungsradius des Ansaugkanals parallel zum Radius der Innen wand des Zyklotronabscheiders liegt, da dann das Gemisch tangential in den Zyklotronabscheider geleitet wird.

Die Krümmung des Ansaugkanals sollte möglichst nahe dem Eintritt des Ansaugkanals in den Zyklotronabscheider liegen. Wenn dies nicht angestrebt wird, kann die gleiche Wirkung dadurch erreicht werden, dass nach der Krümmung im Ansaugkanal eine Trennwand angeordnet wird, die dafür sorgt, dass der mit Partikel angereicherte Gasanteil zur Innenwand des Zyklotronabscheiders geführt wird. Bei dieser Ausführung der Erfindung ist es dann möglich, die Geometrie des Ansaugkanals weitgehend frei zu gestalten.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dann, wenn der Ansaugkanal um einen Winkel gegenüber der Mittelachse des Zyklotronabscheiders derart verkippt ist, dass das Gemisch nach Eintritt in den Zyklotronabscheider eine spiralförmige Bewegung zum Boden des Zyklotronabscheiders hin erfährt.

Der Querschnitt des Ansaugkanals kann frei gewählt werden. Er kann kreisförmig, oval oder rechteckig sein. Z.B. ist es auch möglich, dass der Ansaugkanal vor der Krümmung einen kreisförmigen Querschnitt hat, der sich bis zum Eintritt des Ansaugkanals in den Zyklotronabscheider in einen rechteckigen Querschnitt ändert.

An Hand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, wird die Erfindung weiter erläutert.
Es zeigen:
1 die Funktionsweise eines Zyklotrons;
2 den prinzipiellen Aufbau eines bekannten Zyklotrons,
3 die Lage des Ansaugkanals zum Zyklotronabscheider beim bekannten Zyklotron;
4 mögliche Querschnitte des Ansaugkanals;
5 den Aufbau des Zyklotrons nach der Erfindung und dessen Funktionsweise;
6 die geometrischen Verhältnisse Ansaugkanal- Zyklotronabscheider;
7 und 8 die Realisierung des Ansaugkanals;
9 eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
10 bis 12 mögliche Realisierungen der zweiten Ausführungsform.
Aus 1 und 2 ergibt sich der Aufbau und die Funktion eines Zyklotrons ZY. Dieses weist einen Ansaugkanal AS, einen Zyklotronabscheider ZA, einen Ansaugkanal AK und einen unterhalb des Abscheiders angeordneten Trichter TR auf. Unter dem Zyklotron kann ein Auffangbehälter CT angeordnet sein.
Die Funktion des Zyklotrons ZY nach 1 ist im wesentlichen die folgende:
Das Partikel- Gas Gemisch (im folgenden Gemisch genannt) ist versetzt mit Partikeln PT unterschiedlicher Größe, je nach Einsatzgebiet kann es sich auch um Partikel aus verschiedenen Materialien handeln. Dieses Gemisch wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit v über den Ansaugkanal AS in den Zyklotronabscheider ZA eingesogen. Durch die Wandung (idealerweise zylindrisch) des Zyklotronabscheiders ZA wird das angesaugte Gemisch in Rotation versetzt. Mit der Rotation wirken auf die Partikel Zentripedalkräfte Fz, die die Partikel in Richtung Innenwandung des Zyklotronabscheiders ZA drängen. Mit zunehmender Verweilzeit findet eine Entmischung des angesaugten Gemisches statt, wobei die Konzentration der Partikel an der Innenwandung des Zyklotronabscheiders am höchsten und im Zentrum des Zyklotronabscheiders am geringsten ist. Wird nun im Zentrum des Zyklotronabscheiders das Absaugrohr AK angebracht, wird das Gas mit dem höchst möglichen Reinigungsgrad entnommen.
Durch das Eigengewicht Fg der Partikel PT sinken diese zu Boden des Zyklotronabscheiders ZA und können im Trichter TR gesammelt und entsorgt werden. In 1 ist der typische Weg eines Partikels PT im Zyklotronabscheider ZA dargestellt.
Üblicherweise (2) befindet sich unter dem Zyklotronabscheider der Behälter CT (die sogenannte Catchbox), in welchem die Partikel gesammelt werden und der bei Bedarf separat entleert werden kann. Für eine sichere Funktion ist der Behälter CT mit dem Zyklotronabscheider ZA gasdicht verbunden.
Dem Zyklotronabscheider ZA nach geschaltet können noch weitere Reinigungsstufen, sofern erforderlich (z.B. ein weiterer Zyklotron, Filter, ect.), sein, sowie ein Unterdruckgebläse (nicht dargestellt), welches die erforderliche Gasströmung erzeugt.
Der Grad der Partikel-Abscheidung im Zyklotronabscheider wird im wesentlichen bestimmt durch:

– die Geschwindigkeit des strömenden Gas-Partikel-Gemischs;
– das Masse-Volumenverhältnis (Wichte) der Partikel;
– die Rotationsgeschwindigkeit des Gas-Partikel-Gemischs im Zyklotronabscheider ZA;
– die Verweilzeit des Gemisches im Zyklotronabscheider ZA

Die Rotationsgeschwindigkeit des Gases läßt sich erhöhen durch eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit v des Gas-Partikel-Gemischs sowie durch die Reduzierung des Innendurchmesser des Zyklotronabscheiders ZA.
Die Verweilzeit wird bestimmt durch das Volumen des Zyklotrons und den Gasdurchsatz, wobei eine Volumenvergrößerung sich gegenläufig auswirkt zum angestrebten kleinen Innendurchmesser für eine hohe Rotationsgeschwindigkeit.
In 3 ist angesetzt, dass die Querschnittsflächen A des Ansaugkanals AS und die Querschnittsfläche des Absaugkanals AK identisch sind, also gilt: Aansaug = Aabsaug
Bei runden An- und Absaugkanälen ergibt sich, um einen direkten Übergang des Gas-Partikel-Gemischs vom Ansaugkanal in den Absaugkamal weitestgehend zu unterbinden, ein minimaler Innendurchmesser d_i des Zyklotronabscheiders ZA zum dreifachen Außendurchmesser da des Ansaugkanals AK d_{a ansaug}: di zyklotron = 3 × da ansaug,wobei d_{a ansaug} = d_{a absaug}
In der Praxis ist noch ein Sicherheitsabstand zwischen Ansaugkanal und Absaugkanal üblich, folglich kann der Innendurchmesser des Zyklotronabscheiders di zyklotron ≥ 3,5 × da ansaug gewählt werden.
Soll nun der Innendurchmesser d_i weiter verringert werden, was anzustreben ist, um die Rotationsgeschwindigkeit des Gas-Partikel-Gemischs im Zyklotronabscheider ZA zu steigern, so kann dies, sofern weiterhin die Querschnittsflächen der An- sowie Absaugkanäle identisch bleiben sollen, nur realisiert werden, wenn dem Ansaugkanal AS eine längliche, z.B. ovale oder rechteckige, Form gegeben wird (4). Dabei kann der Ansaugkanal AS zunächst einen rechteckigen Querschnitt haben, der in einen ovalen und dann in einen runden Querschnitt übergeht (4). Für die Querschnittsflächen A gelten dann: Arund ansaug = Arechtreck ansaug,wobei Arechtreck ansaug = Kanalbreite b × Kanalhöhe h = bansaug × hansaug
Den bisherigen Ausführungen des Ansaugkanals, gleichgültig ob mit rundem, ovalem, rechteckigem oder sonstigem Querschnitt, ist gemein, dass die Partikelkonzentration über den Querschnitt statistisch gleich verteilt ist.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus 5 und 6. Hier weist der Ansaugkanal AS unmittelbar vor Eintritt in den Zyklotronabscheider ZA eine Krümmung KR auf. Damit findet bereits in diesem gekrümmten Ansaugkanal eine Separation der Partikel statt. Ebenso wie im Zyklotronabscheider ZA erfährt die Gasströmung eine Richtungsänderung, die Partikel erfahren eine Zentrifugalkraft und drängen zur Krümmungsaußenseite. Es findet also eine Vorentmischung oder Vortrennung des anzusaugenden Gas-Partikel-Gemisch statt, es entsteht im Ansaugrohr AS eine Schichtung des Gases mit ansteigender Partikelkonzentration. Diese Verhältnisse sind in 5 durch die neben dem Ansaugkanal AS angeordneten Diagramme dargestellt. Vor der Krümmung KR ist die Partikelverteilung PV1 gegeben, hinter der Krümmung die Partikelverteilung PV2.
Wird nun sichergestellt, dass der Gasanteil mit der geringsten Partikelkonzentration im Ansaugkanal AS zum Inneren des Zyklotronabscheiders weist (z.B. indem der Krümmungsradius r_ansaugk _anal des Ansaugkanals AS parallel zum Krümmungsinnenradius r_i _zykl _ot _ron des Zyklotronabscheiders ZA liegt, 6), so wird das Abscheidevermögen des Zyklotronabscheiders ZA deutlich gesteigert.
Generell ist der Krümmungsradius r ansaugkanal des Ansaugkanals AS unabhängig vom Krümmungsinnenradius r_i _zyklotron des Zyklotronabscheiders ZA und darf damit deutlich kleiner ausfallen. Es ist zulässig, ransaugkanal < ri zyklotron zu wählen.
In der Praxis bewirkt die Verringerung des Krümmungsradiuses des Ansaugkanals AS eine Drosselung des strömenden Gases. Es kann davon ausgegangen werden, dass ein Optimum im Abscheidegrad zu finden ist zwischen der Kanalkrümmung und der damit verursachten Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit im Zyklotronabscheider.
Wenn der Abstand a zwischen Krümmung KR des Ansaugkanals AS und Eintritt in den Zyklotronabscheider ZA entsprechend 7 zu groß gewählt wird, wird sich die Gasschichtung wieder neutralisieren, bevor sie in den Zyklotronabscheider ZA gelangt. Diese Verhältnisse sind durch die Diagramme PV1, PV2, PV3 dargestellt. Z.B. kann es aufgrund besonderer Umstände (z.B. Geometrien) nicht möglich sein, die Kanalkrümmung unmittelbar vor dem Einlass in den Zyklotronabscheider ZA zu plazieren, also a > 0 sein.
Um dieses Problem zu vermeiden, kann entsprechend 8 im Ansaugkanal AS zwischen der Kanalkrümmung und dem Einlass in den Zyklotronabscheider ZA mindestens eine Trennwand TW eingefügt werden, um mechanisch die bereits erfolgte Gasschichtung (Vortrennung) bis zum Zyklotronabscheider ZA aufrecht zu erhalten. Die Trennwand TW liegt derart, dass der mit Partikel angereicherte Gasanteil zur Innenwand des Zyklotronabscheiders geleitet wird. Die Änderung gegenüber 7 kann den Diagrammen PV1, PV2, PV4 entnommen werden.
Mit Einführung einer Trennwand TW ist es nicht mehr erforderlich, dass der Krümmungsradius r ansaugkanal des Ansaugkanals AS parallel zum Krümmungsinnenradius r_i _zyklotron des Zyklotronabscheiders liegt (siehe oben), sofern der Trennwand TW eine geeignete 3-dimensionale an den Ansaugkanal AS angepasste Formung gegeben wird. Dadurch gibt es für die konstruktive Ausführung des Ansaugkanals erweiterte Gestaltungsfreiheiten, 9. Wenn z.B. der Ansaugkanal AS entsprechend 9 an geordnet ist, muss die Trennwand TR schraubenförmig ausgeführt sein.
Unabhängig von der oben beschriebenen Vorseparation oder Vortrennung der Partikel mittels eines gekrümmten Ansaugkanals AS ist es entsprechend 10 sinnvoll, den Ansaugkanal AS gegenüber der Mittelachse des Zyklotronabscheiders ZA um einen Winkel α zu verkippen. Durch diese Winkelanstellung im Zyklotronabscheider ZA erfährt das einströmende Gemisch nicht nur eine kreisförmige Rotation, sondern zusätzlich eine spiralförmig gegen den Boden des Zyklotronabscheiders gerichtete Bewegung. Damit wird die Verwirbelung des bereits gekreisten, im Zyklotronabscheider befindlichen Gases mit dem neu aus dem Ansaugkanal einströmenden Gases reduziert.
Anzustreben ist für α:
bei kreisförmigen Ansaugkanälen: α ≥ arctan [da ansaug/((di zyklotron – da ansaug) × π)wobei d = Durchmesser des Ansaugkanals bzw. Zyklotronabscheiders ist;
bei ovalen oder rechteckigen Ansaugkanälen: α ≥ arctan [ha ansaug/(di zyklotron – 2 × ba ansaug) × π)wobei h = Höhe, b = Breite des Ansaugkanals ist.
Um eine Verwirbelung im sogenannten „toten Gasvolumen" zu vermeiden, sollte der obere Abschluß (Deckel ZD) des Zyklotronabscheiders ZA spiralförmig entsprechend dem Winkel α ausgeführt sein, 11.
12 stellt beispielhaft eine Kombination aus 4 „Querschnittswechsel des Ansaugrohres von rund auf rechtekkig" mit 11 „angekipptes Ansaugrohr um Winkel α mit spiralförmigen Deckel" dar. Diese Ausführungsform bewirkt die Kombination aus erhöhter Rotationsgeschwindigkeit, spiralför mig gerichteter Strömung Richtung Zyklotronboden sowie Verwirbelungsreduzierung durch spiralförmigen Deckel und lässt eine deutliche Steigerung der Partikelabscheidung erwarten.
Das beschriebene Zyklotron ZY kann insbesondere bei elektrografischen Druck- oder Kopiergeräten eingesetzt werden, um die bei verschiedenen Komponenten auftretende Abluft zu reinigen.

ZY: Zyklotron
ZA: Zyklotronabscheider
AS: Ansaugkanal
AK: Ansaugkanal
TR: Trichter
CT: Behälter
TW: Trennwand
KR: Krümmung
PT: Partikel
ZD: Zyklotrondeckel

Claims

Zyklotron zur Abscheidung von Partikeln aus einem Gas-Partikel-Gemisch mit einem Zyklotronabscheider (ZA), einem Ansaugkanal (AS) und einem Absaugkanal (AK), bei dem der Ansaugbereich mit dem Ansaugkanal (AS) derart gestaltet ist, dass im Ansaugbereich bereits eine Vortrennung der Partikel im Gemisch stattfindet und diese Vortrennung noch besteht, wenn das Gemisch in den Zyklotronabscheider gelangt.
Zyklotron nach Anspruch 1, bei dem der Ansaugkanal (AS) vor Eintritt in den Zyklotronabscheider (ZA) eine Krümmung (KR) aufweist.
Zyklotron nach Anspruch 2, bei dem der Krümmungsradius des Ansaugkanals (AS) parallel zum Krümmungsradius des Zyklotronabscheiders (ZA) liegt.
Zyklotron nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der Krümmungsradius des Ansaugkanals (AS) kleiner ist als der des Zyklotronabscheiders (ZA).
Zyklotron nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem der Abstand (a) der Krümmung (KR) des Ansaugkanals (AS) bis zum Eintritt in den Zyklotronabscheider (ZA) so gewählt ist, dass die Vortrennung der Partikel im Gas bis zum Eintritt des Gemisches in den Zyklotronabscheider (ZA) aufrechterhalten bleibt.
Zyklotron nach Anspruch 5, bei dem die Krümmung (KR) des Ansaugkanals (AS) kurz vor dem Eintritt des Ansaugkanals in den Zyklotronabscheider (ZA) liegt.
Zyklotron nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der Ansaugkanal (AS) derart zum Zyklotronabschei der (ZA) angeordnet ist, dass der Teil des Gemisches, der die vorgetrennten Partikel enthält, zur Wand des Zyklotronabscheiders, geleitet wird.
Zyklotron nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem im Ansaugkanal (AS) zwischen dessen Krümmung (KR) und dessen Eintritt in den Zyklotronabscheider (ZA) mindestens eine Trennwand (TW) angeordnet ist.
Zyklotron nach Anspruch 8, bei dem die Trennwand (TW) derart im Ansaugkanal (AS) angeordnet ist, dass die Seite der Trennwand, auf der die vorgetrennten Partikel sich befinden, zur Wand des Zyklotronabscheiders (ZA) zeigt.
Zyklotron nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die Trennwand (TW) parallel zur Erstreckung des Ansaugkanals (AS) angeordnet ist.
Zyklotron nach Anspruch 8, 9 oder 10, bei dem der Ansaugkanal (AS) derart ausgeführt ist, dass der Radius dessen Krümmung (KR) unabhängig vom Krümmungsradius des Zyklotronabscheiders wählbar ist.
Zyklotron nach Anspruch 11, bei dem die Trennwand (TW) derart gestaltet ist, dass sie der Form des Ansaugkanals (AS) folgt, so dass die am Ausgang der Krümmung erfolgte Vortrennung der Partikel bis zum Eintritt in den Zyklotronabscheider (ZA) aufrechterhalten bleibt.
Zyklotron insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Ansaugkanal (AS) gegenüber der Mittelachse des Zyklotronabscheiders (ZA) um einen Winkel α verkippt ist derart, dass das Gemisch eine spiralförmig gegen den Boden des Zyklotronabscheiders (ZA) gerichtete Bewegung erfährt.
Zyklotron nach Anspruch 13, bei dem für einen Ansaugkanal (AS) mit kreisrundem Querschnitt gilt: α ≥ arctan [da ansaug/((di zyklotron – da ansaug) × π)wobei d = Durchmesser des Ansaugkanals bzw. Zyklotronabscheiders ist
Zyklotron nach Anspruch 13, bei dem für einen Ansaugkanal (AS) mit rechteckigen Querschnitt gilt, α ≥ arctan [ha ansaug/(di zyklotron – 2 × ba ansaug) × π)wobei d = Durchmesser des Ansaugkanals bzw. Zyklotronabscheiders; h = Höhe, b = Breite des Ansaugkanals ist.
Zyklotron nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem der obere Abschluss (Deckel ZD) des Zyklotronabscheiders (ZA) spiralförmig unter Anpassung an den Winkel α ausgeführt ist.
Zyklotron nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Querschnitt des Ansaugkanals (AS) rund ist.
Zyklotron nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem der Querschnitt des Ansaugkanals (AS) viereckig ist.
Zyklotron nach einem der Ansprüche 2 bis 16, bei dem der Querschnitt des Ansaugkanals (AS) vor der Krümmung (KR) rund ist und bei Eintritt in den Zyklotronabscheider (ZA) viereckig ist.
Verwendung des Zyklotrons nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Reinigung der Abluft bei einem elektrografischen Druck- oder Kopiergerät.