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Technischer
Hintergrund
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 zur
kontinuierlichen Messung des Füll-
und Entfeuchtungsvorganges einer diskontinuierlich arbeitenden Zentrifuge.
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Bei
der Trennung von Suspensionen beliebiger Konsistenz in einen Feststoffanteil
und einen Flüssigkeitsanteil
ist es wünschenswert,
den Zentrifugenbetrieb ergebnisabhängig zu steuern. Es wird angestrebt,
den Zeitpunkt des Erreichens der vorgegebenen Werte, insbesondere
der Restfeuchte beziehungsweise die Grenze der Fliehkraftentfeuchtung,
möglichst
genau zu ermitteln, um so dann unmittelbar nachfolgende Verfahrensschritte
einzuleiten, wie zum Beispiel Nachfüllen von Suspension, Einleiten
von Waschflüssigkeit
oder Austragen des Feststoffanteils aus dem Schleuderraum.
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Aus
der
DE 37 26 227 C2 ist
bekannt, die Füllstandshöhe im Schleuderraum
einer Zentrifuge mittels eines mit der Oberfläche des Füllungsinhaltes im Schleuderraum
in Kontakt befindlichen mechanischen Fühler zu ermitteln; des weiteren
wird durch ein integriertes Thermoelement die Oberflächenbeschaffenheit
des Filtergutes erfasst, so dass der Zeitpunkt des Eintauchens der
Flüssigkeitsoberfläche in den
Filterkuchen festgestellt werden kann.
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Auf
diese Weise ist es zwar möglich,
den Zentrifugenbetrieb, sofern es sich um Zentrifugen handelt, bei
denen im Schleuderraum keine Einbauten mit umlaufen, hinsichtlich
eines Nachfüllens
von Suspension oder Waschflüssigkeit
ergebnisabhängig zu
steuern. Es kann jedoch keine Aussage über die Feststoffbeziehungsweise
die Flüssigkeitsmenge
unterhalb der ertasteten Oberfläche
getroffen werden.
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Aus
der
DE 197 16 128
C1 ist bekannt, die Füllstandshöhe im Schleuderraum
einer Zentrifuge mittels eines im Schleuderraum angeordneten Ultraschallsensors,
dessen Sender auf die Oberfläche des
Füllungsinhaltes
der Filtertrommel strahlt, zu ermitteln. Durch Messung der Echolaufzeit
wird der Abstand zwischen Ultraschallsensor und Füllungsoberfläche festgestellt
und daraus die Füllstandshöhe bestimmt.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
den Zentrifugenbetrieb hinsichtlich eines Nachfüllens von Suspension oder Waschflüssigkeit
ergebnisabhängig
zu steuern. Durch die Interpretation der Echogüte beziehungsweise des Reflexionsgrades
kann jedoch nur sehr begrenzt auf die im Filterkuchen noch vorhandene
Flüssigkeitsmenge
geschlossen werden.
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Es
ist auch die Möglichkeit
einer gravimetrischen Füllstandsüberwachung
von Zentrifugen durch Koppelung der Zentrifuge mit einem Kraftmesselement
bekannt. Dadurch lässt
sich eine Aussage darüber
treffen, welches Gewicht sich im Schleuderraum befindet. Vorteilhaft
ist dabei, dass sich das Kraftmesselement außerhalb des Verfahrensraumes
befindet, und der Zentrifugenbetrieb hinsichtlich eines Nachfüllens von
Suspension oder Waschflüssigkeit ergebnisabhängig gesteuert
werden kann. Bei dieser Anordnung kann nicht zwischen einer Füllung aus Feststoff
oder Flüssigkeit
unterschieden werden, so dass nicht feststellbar ist, ob das gemessene
Füllungsgewicht
dem Filterkuchen oder der Suspension zuzuordnen ist.
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Weiterhin
ist auch die Möglichkeit
einer radiometrischen Füllstandsüberwachung
von Zentrifugen bekannt. Dabei wird die Adsorption von radioaktiver
Strahlung gemessen. Die Adsorption von radioaktiver Strahlung ist
abhängig
von der sich im Strahlenfeld befindenden Masse, so dass über die
Dichten der Medien auf eine Füllhöhe zurückgerechnet
werden kann. Da sich im Verlauf des Filtrationsprozesses der Anteil
von Feststoff zu Flüssigkeit
ständig ändert, kann
nur eine begrenzte Aussage darüber
getroffen werden, wie das Verhältnis
der beiden Medien zueinander ist.
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Aus
der
DE 36 15 013 C1 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Restfeuchte
bekannt, bei der zur Ermittlung der Restfeuchte als wesentliche
Einflussgrößen, der
Zeitpunkt, zu dem der Flüssigkeitsspiegel
in den Filterkuchen eindringt, die Filterkuchenhöhe und die Abnahme des Filtrat- Flüssigkeitsstromes
herangezogen werden.
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Nachteilig
ist bei dieser Ausführung,
dass infolge der sensitiven Abhängigkeit
von dem ermittelten Filtratabfluss mit der vorgeschlagenen Messvorrichtung
und der damit erzielbaren Genauigkeit des Filtrat- Flüssigkeitsstromes,
insbesondere wenn sich die Restfeuchte dem vorgegebenen Grenzwert
nähert,
keine gültige
Aussage getroffen werden kann. Des Weiteren müssen zur genauen Bestimmung
des Zeitpunkts, zu dem der Flüssigkeitsspiegel
in den Filterkuchen eindringt, ortsfeste Sensoren im Schleuderraum
angebracht werden. Dadurch kann diese Methode bei Zentrifugen mit
einem geschlossenen Schleuderraum nicht eingesetzt werden.
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Aus
der
DE 197 03 353
A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Filterzentrifuge
mit sich wiederholenden Filtrationszyklen bekannt, wobei die Trennung der
Suspension in einen Feststoffanteil und in einen Flüssigkeitsanteil
mittels der Zentrifugalwirkung und mit Hilfe einer im Schleuderraum
wirkenden Druckgasüberlagerung
erfolgt. Um den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der Feststoff eine
vorbestimmte Restfeuchte erlangt hat und zu dem nachgeordnete Arbeitsschritte
eingeleitet werden, wird der Zeitpunkt eines Druckabfalls im Schleuderraum
und/oder eines erhöhten
Volumenstromes im Schleuderraum erfasst. Des Weiteren wird zur Bestimmung
des Zeitpunktes des Trockenschleuderns zusätzlich die Abnahme des Filtrat-Flüssigkeitsstromes
gewertet.
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Nachteilig
ist bei dieser Ausführung,
dass nur Zentrifugen mit einem geschlossenen Schleuderraum ergebnisabhängig gesteuert
werden können. Weiterhin
entleeren sich die Kapillaren im Filterkuchen, insbesondere bei
variierenden Korngrößen und/oder
einer uneinheitlichen Kornverteilung nicht gleichmäßig, so
dass ein Druckabfall im Schleuderraum und/oder ein erhöhter Volumenstrom
im Schleuderraum auf einen sektoral begrenzten Gasdurchbruch basieren
kann und somit nur ein sehr begrenzter Rückschluss auf die im Filterkuchen
noch vorhandene Flüssigkeitsmenge
möglich
ist.
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Aus
der
DE 196 48 511
C1 ist eine Stülpfilterzentrifuge
mit einem nachgeschalteten Feststofftrockner bekannt, wobei die
beiden Aggregate über eine
eine dichte Trennung von Stülpfilterzentrifuge und
Feststofftrockner ermöglichende
Verschlusseinrichtung miteinander zu einer Einheit verbunden sind. Durch
Sensoren werden die Betriebsparameter erfasst und mittels einer
gemeinsamen Steuervorrichtung die Betriebszeiten für die Entfeuchtung
und Trocknung in der Stülpfilterzentrifuge
und im Feststofftrockner selbsttätig
so aufeinander abgestimmt, dass beide Aggregate wirtschaftlich arbeiten.
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Nachteilig
ist bei dieser Ausführung,
dass nur bei genauer Kenntnis der diversen Betriebsparameter, insbesondere
der jeweiligen Feuchte des im Schleuderraum der Stülpfilterzentrifuge
befindlichen Filterkuchens, ein optimaler Betrieb dieses Systems möglich ist.
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Aus
dem Abstract
JP 11262686
A ist bekannt, die Füllstandshöhe im Schleuderraum
einer Zentrifuge indirekt durch die Bestimmung der im Schleuderraum
befindlichen Masse zu ermitteln. Dazu wird während dem Füllvorgang permanent sowohl
die Masse der der Filterzentrifuge zulaufenden Suspension wie auch
die Masse des aus der Filterzentrifuge abfließenden Filtrats gravimetrisch
gemessen und aus der Differenz zwischen der zugeflossenen Suspensionsmasse
und der jeweils abgeflossenen Filtratmasse die Füllstandshöhe im Schleuderraum bestimmt.
Vorteilhaft ist dabei, dass sich die gesamte Messeinrichtung außerhalb
des Verfahrensraumes befindet, und der Zentrifugenbetrieb hinsichtlich
eines Nachfüllens
von Suspension oder Waschflüssigkeit
ergebnisabhängig
gesteuert werden kann.
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Nachteilig
ist bei dieser Ausführung,
dass nur die im Schleuderraum befindliche Masse ermittelt werden
kann. Mit dieser Messmethode ist nicht feststellbar, ob es sich
bei der Füllung
um Feststoff oder Suspension handelt. Des Weiteren kann auch keine Aussage
darüber
getroffen werden, wie das Verhältnis
der beiden Medien zueinander ist.
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Bei
diskontinuierlich arbeitenden Zentrifugen erfolgen die verschiedenen
Verfahrensschritte, ein- oder mehrmaliges Füllen mit Suspension, ein- oder mehrmaliges
Zuführen
von Waschflüssigkeit,
sowie das Trockenschleudern des Filterkuchens, nacheinander. Weitere
Verfahrensschritte, ein Restentleeren der Kapillaren im Filterkuchen
mit Druckgas, oder ein Durchströmen
des Filterkuchens mit trockenem Gas, können bei diskontinuierlichen
Zentrifugen die mit einem geschlossenen Schleuderraum ausgerüstet sind,
wie zum Beispiel eine Stülpfilterzentrifuge,
angeschlossen werden.
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Mit
den bekannten Möglichkeiten
können
bestimmte Verfahrensschritte, wie zum Beispiel das Füllen, ergebnisabhängig gesteuert
werden. Da jedoch die Filtriereigenschaften in der Filtertrommel nicht
konstant sind, zum Beispiel infolge variierender Korngrößen im Filterkuchen,
geänderter
Zusammensetzung der Suspension, oder wechselnde Eigenschaften des
Filterelementes durch Einlagerung von Feinanteil aus dem Kornspektrum,
ergeben sich Schwankungen, die nicht zuverlässig erfasst werden können, so
dass die durch einen Sensor ausgelösten weiteren Verfahrensschritte
im Wesentlichen nach vorab festgelegten Taktzeiten ablaufen. Die
Wahl dieser Taktzeiten erfolgt dabei nach Erfahrungswerten, wobei
die vorgegebenen Taktzeiten sicherheitshalber länger gewählt werden, als dies verfahrensbedingt für den jeweiligen
Verfahrensschritt nötig
ist. Die sich daraus ergebende Verlängerung der Zykluszeit reduziert
die Produktionskapazität
und bedingt damit einen unwirtschaftlichen Betrieb der Gesamtanlage.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen,
die es ermöglicht,
den Verlauf der entscheidenden Verfahrensschritte Füllen, Waschen
und Entfeuchten exakt zu erfassen, und damit die Basis für eine ergebnisabhängige Steuerung
aller Verfahrensschritte zu schaffen, um dadurch die Zykluszeit
zu verbessern und die optimale Produktionskapazität zu erzielen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, des
Weiteren sind vorteilhafte Ausgestaltungen in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Lösungsgedanken, dass das abströmende Filtrat
einer Messeinrichtung zugeführt
wird, die mindestens zwei Messempfindlichkeiten aufweist, wobei
der Messempfindlichkeitsbereich abhängig von der Stärke des
Filtratflusses gewählt
wird.
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Hierbei
erfolgt die Realisierung der Messempfindlichkeitsbereiche durch
Messbehälter
mit unterschiedlichen Querschnitten.
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Bei
einem Filtrationszyklus wird in der Startphase dem Schleuderraum
Suspension zugeführt und
das abgetrennte Filtrat den Messbehältern zugeleitet, wobei das
Filtrat die Messbehälter
in dieser Phase lediglich durchströmt. Diese Phase endet, wenn
der Schleuderraum bis zu einer vorgegebenen mittels einer Füllstandskontrolle überwachten
Füllhöhe beaufschlagt
ist. Die Suspensionszufuhr wird unterbrochen und der Abfluss aus
den Messbehältern gestoppt.
Durch die Volumenerfassung des weiterhin abströmenden Filtrats über die
Füllstandshöhe im Messbehälter sowie
der Erfassung der Filtratabflussgeschwindigkeit über die Veränderung der Füllstandshöhe pro Zeiteinheit
kann einerseits das Entfeuchtungsverhalten des Filterkuchens und
andererseits das Filterkuchenvolumen im Schleuderraum bestimmt werden.
Auf Grund der gewonnenen Kenntnis über diese beiden wesentlichen
Parameter kann die Entscheidung getroffen werden, ob im Hinblick
auf ein optimales Gesamtergebnis ein Nachfüllen des Schleuderraumes mit
Suspension oder ein Eintritt in den nächsten Verfahrensschritt des
Filtrationszyklusses zweckmäßig ist.
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Wenn
auch auf Grund dieser Bewertung mehrmals der Schleuderraum mit Suspension
nachgefüllt
wird, kommt es zum gegebenen Zeitpunkt zu einer Weiterführung des
Filtrationszyklusses. Bei dem bei Bedarf anschließenden ein
oder mehrmaligem Waschen des Filterkuchens und dem dann nachfolgenden
Trockenschleudern sowie das den Filtrationszyklus abschließende Austragen
des Filterkuchens werden wiederum für die Fortschrittsbewertung
und der damit verbundene Übergang
zur nächsten
Zyklusphase das Entfeuchtungsverhalten und die daraus abgeleitete
Restfeuchte im Filterkuchen herangezogen.
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Da
außer
der Ermittlung des Füllstandes
im Schleuderraum alle für
die Steuerung der Schrittabfolge des Filtrationszyklusses nötigen Daten
mittels der erfindungsgemäßen Messeinrichtung
gefunden werden, hängt
die Qualität
des Gesamtergebnisses direkt von der Messgenauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ab.
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Mit
der erfindungsgemäßen Messeinrichtung wird
gegenüber
einer Messeinrichtung mit nur einem Messbehälter, dessen Volumen zwangsläufig annähernd auf
das Schleuderraumvolumen abgestimmt sein muss, die Messgenauigkeit
erheblich, bis hin zum tausendfachen, gesteigert. Die im Filterkuchen verbleibende
Restflüssigkeit
kann, anstatt wie bisher mit den bekannten Möglichkeiten im Literbereich,
mit der erfindungsgemäßen Messeinrichtung
im Milliliterbereich gemessen werden.
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Für die Ermittlung
der Füllstandshöhe im Schleuderraum
dient eine zweite Messeinrichtung, für deren Realisierung außer den
bekannten Ausführungen
in den Unteransprüchen
weitere Möglichkeiten
aufgezeigt werden.
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So
kann, wie ein Ausführungsbeispiel
ausweist, der Füllstand
im Schleuderraum durch einen Laserstrahl, der die Oberfläche des
Füllungsinhaltes abtastet,
ermittelt werden. Vorteilhaft ist dabei, dass das gesamte dafür benötigte Equipment
außerhalb des
Verfahrensraumes angeordnet ist.
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Bei
einem anderen dargestellten Ausführungsbeispiel
mündet
ein Druckgas führender
Kanal mit seinem auf mehrere Durchbrüche aufgesplitteten Auslass
im Schleuderraum, so dass über
die sich beim Bedecken und damit Verschließen eines Durchbruches mit
Flüssigkeit
infolge des steigenden Füllstandes
im Gaszufuhrkanal ergebende Veränderung der
Gasverhältnisse
(Druck, Durchfluss) die Füllstandshöhe feststellbar
ist.
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Bei
einem weiteren bei Stülpfilterzentrifugen anwendbaren
Ausführungsbeispiel
wird das Ereichen der maximalen Füllstandshöhe im Schleuderraum sehr einfach
aber äußerst effizient
dadurch ermittelt, dass die signifikante Veränderung des Schwingungsverhaltens,
die sich einstellt, wenn die als Stehbolzen ausgebildeten Abstandshalter
zwischen den beiden den Schleuderraum seitlich begrenzenden Elementen,
dem Schleuderraumdeckel und dem Schubboden, in die Suspension eintauchen,
für die
Bewertung herangezogen wird. Vorteilhaft ist bei dieser Ausführung, dass
kein zusätzliches Equipment
erforderlich ist, da bei Zentrifugen grundsätzlich das Schwingungsverhalten überwacht
wird und somit die dafür
erforderliche Ausrüstung
bereits vorhanden ist.
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Bei
einem weiteren Ausführungsbeispiel
wird die zugeführte
Suspension mit dem abgeführten
Filtrat abgeglichen und über
die in der Zentrifuge verbliebene Differenzmenge die Füllstandshöhe im Schleuderraum
errechnet.
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Die
nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung.
Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer Filterzentrifuge mit einer Vorrichtung zur Messung der Filtratabströmung;
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2 schematisch eine gegenüber 1 abgewandelte Ausführungsform
der Vorrichtung zur Messung der Filtratabströmung;
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3 eine schematische Schnittansicht durch
den Verfahrensraum und die Filtertrommel einer Filterzentrifuge;
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4 eine schematische Schnittansicht durch
den Verfahrensraum und die Filtertrommel einer Stülpfilterzentrifuge.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
in 1, 2, und 3 dargestellte
bevorzugte Ausführungsform
einer Filterzentrifuge 1 umfasst ein einen gesamten Verfahrensraum 2 dicht
umschließendes
Gehäuse 3,
in dem eine Filtertrommel 4 rotiert, und die außerhalb
des Verfahrensraumes 2 in einem stationären Maschinengehäuse drehbar
gelagert ist und von einem nicht dargestellten Motor angetrieben
wird.
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Die
Filtertrommel 4 weist an ihrer zylindrischen Außenwand
radial verlaufende Durchlassöffnungen 14 auf,
die durch ein auf die Innenseite der zylindrischen Wand eingelegtes
Filtertuch 6 überdeckt
werden. Auf dem Filtertuch 6 baut sich der Feststoffanteil
aus einer Suspension 8 als Filterkuchen 7 auf.
Das Filtrat 9 strömt in
Richtung der Pfeile 10 durch das Filtertuch 6 und
Durchlassöffnungen 14 in
der Filtertrommel 4 in einen die Filtertrommel 4 umgebenden
Filtratauffangraum 11, einem Teilbereich des Verfahrensraumes 2.
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Wie 1 zeigt, ist der Filtratauffangraum 11 durch
einen Leitkanal 12 mit einer ersten Messeinrichtung 13 verbunden.
Eine den Leitkanal 12 unten begrenzende Umhüllung 19 ist
mit einem Durchbruch 20 versehen, der eine Verbindung zu
einem kleinvolumigen Messbehälter 16,
sowie mit einem weiteren Durchbruch 21, der eine Verbindung
zu einem mittelvolumigen Messbehälter 17 herstellt.
In Fließrichtung des
Filtrats 9 gesehen ist jeweils am Ende der Durchbrüche 20 und 21 eine
saumähnliche
Erhöhung
als Wehr 22 und 23 ausgebildet. Der Leitkanal 12 mündet in
einen großvolumigen
Messbehälter 18,
der bevorzugt als Zyklon zur Ausscheidung der im Gasstrom mitgeführten Flüssigkeitsaerosole
ausgebildet ist. Das Gas wird über
eine Entgasungsleitung 15 entweder über den Verfahrensraumes 2 im
Kreis geführt,
oder über
die Entgasungsleitung 15 einer Entsorgung zugeführt.
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In
Fließrichtung
des Filtrats 9 wird das mitgeführte Gas an einem Sensor 24,
mit dem die Feuchtigkeit und/oder die Temperatur beziehungsweise
der pH-Wert gemessen wird und der bevorzugt im Leitkanal 12 angeordnet
ist, vorbeigeführt.
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An
den unteren Ausgängen
der Messbehälter 16, 17 und 18 ist
vor einer jeweils zugeordneten Abflussleitung 28, 29 und 30 ein
Ventil 25, 26 und 27, das offen oder
geschlossen sein kann, angebracht. Vom Boden des Messbehälter 16 führt eine
Messleitung 32 über
ein Ventil 36, das offen oder geschlossen sein kann, zu
einem Differenzdrucksensor 40, der über eine Verbindungsleitung 41 mit
dem Verfahrensraum 2 kommuniziert und somit auch bei schwankendem
Gasdruck im Verfahrensraum 2 ein dem korrekten Füllstand
entsprechendes Signal mittels einer elektrischen Leitung 42 einer
nicht dargestellten Steuerung zur Weiterverarbeitung zu Verfügung stellt.
Auf dieselbe Weise ist der Boden der Messbehälter 17 oder 18 durch
eine Messleitung 33 oder 34 über ein Ventil 37 oder 38 mit
dem Differenzdrucksensor 40 verbunden.
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2 zeigt eine gegenüber 1 abgewandelte weitere bevorzugte
Ausführungsform.
Beiden Ausführungsformen
ist zu eigen, dass sie bis zum Übergang
des Filtratauffangraumes 11 in den Leitkanal 12 identisch
sind, und sich erst durch die anschließenden unterschiedlichen Ausführungsformen der
ersten Messeinrichtung unterscheiden.
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Der
Filtratauffangraum 11 ist durch den Leitkanal 12 mit
einer Messeinrichtung 44 verbunden und mündet in
einen großvolumigen
Messbehälter 45,
der bevorzugt als Zyklon zur Ausscheidung der im Gasstrom mitgeführten Flüssigkeitsaerosole
ausgebildet ist. Das Gas wird über
die Entgasungsleitung 15 entweder über den Verfahrensraumes 2 im
Kreis geführt,
oder über
die Entgasungsleitung 15 der Entsorgung zugeführt. Die
vom Boden des Messbehälters 45 abgehende
Abflussleitung 30 wird durch einen Ventilteller 47 wahlweise
geöffnet
oder geschlossen. Im Innenraum des Messbehälters 45 ist in fester Verbindung
ein stufenförmiger
Messbehälter 46 angeordnet,
der an seinem am unteren Ende befindlichen Ausgang ebenfalls durch
den Ventilteller 47 geöffnet
oder geschlossen wird, und der an seinem am oberen Ende befindlichen
Eingang durch ein Übergangsstück 48 mit
dem Leitkanal 12 verbunden ist.
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Der
Ventilteller 47 nimmt drei verschiedene Betriebsstellungen
ein. In der ersten Betriebsstellung (in 2 dargestellt) ist der Ventilteller 47 in
seiner oberen, den Ausgang des Messbehälters 46 verschließenden und
die Abflussleitung 30 am Boden des Messbehälters 45 freigebenden,
Position. In der zweiten (nicht dargestellten) Betriebsstellung
ist der Ventilteller 47 in seiner unteren, den Ausgang
des Messbehälters 46 freigebenden
und die Abflussleitung 30 am Boden des Messbehälters 45 verschließenden,
Position. In der dritten (nicht dargestellten) Betriebsstellung
ist der Ventilteller 47 in einer mittleren, sowohl den
Ausgang des Messbehälters 46 wie auch
die Abflussleitung 30 am Boden des Messbehälters 45 freigebenden
Position.
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Die Überführung des
Ventiltellers 47 in die jeweilige Betriebsstellung wird
(beispielhaft in 2 dargestellt)
durch eine Verstelleinheit 49, die über eine Kolbenstange 50 mit
dem Ventilteller 47 verbunden ist, bewirkt.
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Vom
Boden des Messbehälters 45 führt die Messleitung 34 über das
Ventil 38, das offen oder geschlossen sein kann, zu dem
Differenzdrucksensor 40, der über die Verbindungsleitung 41 mit
dem Verfahrensraum 2 kommuniziert, und somit auch bei schwankendem
Gasdruck im Verfahrensraum 2 ein dem korrekten Füllstand
entsprechendes Signal mittels der elektrischen Leitung 42 der
Steuerung (nicht dargestellt) zur Weiterverarbeitung zu Verfügung stellt.
Auf dieselbe Weise ist das untere Ende des Messbehälter 46 durch
eine Messleitung 35 über
ein Ventil 39 mit dem Differenzdrucksensor 40 verbunden.
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Bei
der in 3 dargestellten
bevorzugten Ausführungsform
einer Filterzentrifuge ist als zweite Messeinrichtung ein Lasersender 55 in
dem den Verfahrensraum 2 umgebenden Gehäuse 3 so angeordnet,
dass ein emittierter Laserstrahl 56 durch die an einer
Stirnseite 57 offene Filtertrommel 4 auf eine Oberfläche 58 der
aus dem Filterkuchen 7 und / oder Suspension 8 bestehenden
Füllung
trifft, und über
die Auswertung der Laufzeit die Füllhöhe in einem Schleuderraum 5 bestimmt
wird.
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Die
in 4 dargestellte bevorzugte
Ausführungsform
einer Stülpfilterzentrifuge 101 umfasst
ein einen gesamten Verfahrensraum 102 dicht umschließendes Gehäuse 103,
in dem eine Filtertrommel 104 rotiert, die außerhalb
eines Verfahrensraumes 102 in einem stationären Maschinengehäuse drehbar
gelagert ist und von einem Motor (nicht dargestellt) angetrieben
wird.
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An
dem in den Verfahrensraum 102 hineinragenden Ende einer
Hohlwelle 119 ist die Filtertrommel 104 mit einem
Boden 120 angeflanscht. An ihre zylindrischen Außenwand
weist die Filtertrommel 104 radial verlaufende Durchlassöffnungen 114 auf. An
ihrer dem Boden 120 gegenüberliegenden Seite ist die
Filtertrommel 104 offen. An einem diese offene Stirnseite
umgebenden flanschartigen Öffnungsrand 121 ist
mittels eines Halterings 122 der eine Rand eines im wesentlichen
zylindrisch ausgebildeten Filtertuchs 106 dicht eingespannt.
Der andere Rand des Filtertuchs 106 ist in entsprechender
Weise dicht mit einem Schubboden 123 verbunden, welcher
starr an einer verschiebbaren den Boden 120 frei durchdringenden
Schubwelle 124 befestigt ist.
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An
dem Schubboden 123 ist über
Stehbolzen 125 unter Freilassung eines Zwischenraums starr
ein Schleuderraumdeckel 126 befestigt, der einen Schleuderraum 105 der
Filtertrommel 104 mittels einer Schleuderraumdichtung 127 dicht
verschließt und
gemeinsam mit dem Schubboden 123 durch axiales Herausschieben
der Schubwelle 124 aus der Hohlwelle 119 die Filtertrommel 104 öffnet.
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Wie
aus 4 weiterhin ersichtlich
ist der Lasersender 55 in dem den Verfahrensraum 102 umgebenden
Gehäuse 103 so
angeordnet, dass der emittierte Laserstrahl 56 durch einen
durchsichtigen Einsatz 128 im Schleuderraumdeckel 126 auf
eine Oberfläche 129 der
aus dem Filterkuchen 7 und / oder Suspension 8 bestehenden
Füllung
trifft, und über
die Auswertung der Laufzeit die Füllhöhe im Schleuderraum 105 bestimmt
wird.
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Des
Weiteren ist in die Hohlwelle 119 ein axial verlaufender
Kanal 132 eingebracht, der an dem der Filtertrommel 104 zugewandten
Ende in einen radial verlaufenden Kanal 133 übergeht
und sich im Schubboden 123 fortsetzt. Im Verlauf der radialen
Erstreckung des Kanals 133 zum Außendurchmesser des Schubboden 123 sind
Durchbrüche 134 hin
zum Schleuderraum 105 angeordnet, die insgesamt / oder teilweise
offen oder geschlossen sind. Der Kanal 132 in der Hohlwelle 119 ist
auf seiner der Filtertrommel 104 abgewandten Seite mit
einer Druckgasquelle (nicht dargestellt) und einem einen Durchfluss
oder einen Staudruck messenden Equipment (nicht dargestellt) verbunden.
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Im
Betrieb wird in der Startphase eines Filtrationszyklusses der Schleuderraum 5, 105 der
in 1 bis 4 gezeigten Filterzentrifuge 1, 101 bei
umlaufender Filtertrommel 4, 104 über eine
Fülleinrichtung
(nicht dargestellt) so lange mit Suspension 8 gefüllt, bis
eine vorgegebene Füllstandshöhe erreicht ist.
Die Füllstandshöhe wird
durch eine herkömmliche
Füllstandshöhenmesseinrichtung
oder erfindungsgemäß, wie 3 und 4 zeigt, durch einen Lasersender 55,
dessen emittierter Laserstrahl 56 die Oberfläche 58, 129 des
Füllungsinhaltes
abtastet, ermittelt. Die flüssigen
Bestandteile der Suspension 8 gelangen als Filtrat 9 in
Richtung der Pfeile 10 durch die Durchlassöffnungen 14, 114 der
Filtertrommel 4, 104 in den Filtratauffangraum 11, 111.
Die Feststoffteilchen der Suspension 8 werden vom Filtertuch 6, 106 aufgehalten
und lagern sich als Filterkuchen 7 im Schleuderraum 5, 105 an.
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In
dem in 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel
wird in dieser Startphase, die mit einem hohen Filtratanfall verbunden
ist, das aus dem Filtratauffangraum 11 abfließende Filtrat 9 über den
Leitkanal 12 der ersten Messeinrichtung 13 zugeleitet. Die
beiden Ventile 25 und 26 an den Ausgängen des kleinen
und mittleren Messbehälters 16 und 17 sind geschlossen.
Das abfließende
Filtrat 9 füllt
rasch die beiden Messbehälter 16 und 17,
die ihnen zugeordneten Wehre 22 und 23 werden überflutet,
der große Messbehälter 18 und
das ihm zugeordnete offene Ventil 27 werden durchströmt, und
weiterführend
wird das Filtrat 9 über
die Abflussleitung 30 seiner weiteren Bestimmung zugeführt.
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Bei
Erreichung der vorgegebenen Füllstandshöhe im Schleuderraum 5 wird
ausgelöst durch
ein Signal der Füllstandshöhenmessung
das Ventil 27 geschlossen, und das ab diesem Zeitpunkt aus
dem Schleuderraum 5 abfließende Filtrat 9 im großen Messbehälter 18 gesammelt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
wird die Füllstandstandshöhe und damit
das Filtratvolumen im großen
Messbehälter 18 durch
den den hydrostatischen Druck erfassenden Sensor 40, der
bei geöffneten
Ventil 38 über
die Messleitung 34 mit dem großen Messbehälter 18 verbunden
ist, ermittelt, wobei zur Vermeidung von störenden Einflüssen die
beiden Messbehälter 16 und 17 durch
Schließen
der beiden zugeordneten Ventile 36 und 37 abgekoppelt
sind, und der sich gegebenenfalls verändernde Gasdruck im Verfahrensraum 2 vom
Sensor 40 durch die Verbindungsleitung 41 erkannt
und kompensiert wird.
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Der
von dem den hydrostatischen Druck erfassenden Sensor 40 ermittelte
Wert kann auch durch einen zusätzlichen
im Verfahrensraum 2 installierten den Gasdruck erfassenden
Sensor (nicht dargestellt) korrigiert werden.
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Die
Füllstandshöhe in den
Messbehältern kann
ebenso mittels anderer bekannter (nicht dargestellten) Messmethoden,
wie zum Beispiel, Ultraschall, Radar, Radiometrie, kapazitiven /
konduktiven Messorganen, u. s. w., ermittelt werden.
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Über das
sich im großen
Messbehälter 18 ansammelnde
Filtratvolumen wird einerseits festgestellt, wie weit sich der Schleuderraum 5 entleert
hat, und andererseits über
die Veränderung
des Filtratsvolumen pro Zeiteinheit die Filtratabflussgeschwindigkeit
ermittelt. Auf der Basis dieser Daten kann die für einen optimalen Gesamtverlauf
eines Filtrationszyklusses wichtige Entscheidung, ob ein Nachfüllen des
Schleuderraums 5 oder die Weiterführung des Filtrationszyklussees
besser ist, getroffen werden, wobei Nachfüllvorgänge nach der beschriebenen Vorgehensweise
vollzogen werden.
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Bei
Weiterführung
des Filtrationszyklusses sinkt infolge der Abnahme der Flüssigkeitshöhe im Schleuderraum 5 die
durch die Zentrifugalkraft bedingte hydraulische, die Flüssigkeit
durch den Filterkuchen 7 treibende Kraft, und damit verlangsamt
sich der Filtratabfluss stetig, bis er annähernd oder vollständig zum
Erliegen kommt.
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Dieser
Zustand tritt spätestens
ein, wenn die als Ring verteilte Suspension 8 über dem
Filterkuchen 7 nur noch sehr dünn ausgebildet ist, oder sich die
Flüssigkeitsoberfläche bereits
in die Kapillaren des Filterkuchens 7 zurückgezogen
hat, und dadurch im großen
Messbehälter 18 keine
signifikante Veränderung
der Füllstandshöhe mehr
feststellbar ist. Da es aber gerade in diesem Bereich extrem wichtig
ist zu wissen, wie erfolgreich die Entleerung der Kapillaren, die
direkte Rückschlüsse auf
die Restfeuchte im Filterkuchen 7 zulässt, weitergeführt werden
kann, wird innerhalb der Messeinrichtung 13 auf den mittleren
Messbehälter 17 mit
seinem reduzierten Querschnitt umgeschaltet. Das Ventil 38 wird
geschlossen und das Ventil 37 geöffnet, so dass der Sensor 40 über die
Messleitung 33 den hydrostatischen Druck erfassen kann
und damit die Füllstandshöhe im mittleren
Messbehälter 17 bestimmbar
ist. Gleichzeitig wird bei Einleitung dieses Vorganges durch kurzzeitiges Öffnen des
am Ausgang befindlichen Ventils 26 der mittlere Messbehälter 17 ganz
oder teilweise entleert.
-
Der
stark abgeschwächte,
auf ein Rinnsal zurückgegangene
Filtratanfall fließt
unten an der inneren Oberfläche 19 der
Umhüllung
des Leitkanals 12, überflutet
den vollen kleinen Messbehälter 16 und das
ihm zugeordnete Wehr 22, und ergießt sich durch die Öffnung 21 in
den mittleren Messbehälter 17,
wobei das zugeordnete Wehr 23 zusätzlich ein Weiterfließen, beziehungsweise
ein Vorbeifließen
an der Öffnung 21,
verhindert.
-
Auf
die gleiche Art und Weise wird vom mittleren Messbehälter 17,
wenn keine signifikante Füllstandshöhenänderung
mehr feststellbar ist, auf den kleinen Messbehälter 16 umgeschaltet.
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Diese
beispielhafte (dargestellte) Ausführung mit drei Messbehältern kann
im Bedarfsfall mit zusätzlichen,
im Querschnitt weiter reduzierten Messbehältern ergänzt oder aber auch auf eine
Ausführung
mit nur zwei Messbehältern
beschränkt
werden.
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Wird
im Verlauf einer Messung im Messbehälter die maximale Füllstandshöhe erreicht,
und auf Grund des detektierten Filtratflusses ist noch kein Umschalten
auf einen Messbehälter
mit kleinerem Querschnitt geboten, wird der im Gebrauch befindliche
zwischenentleert, so dass die Messung in demselben Messbehälter wieder
aufgenommen werden kann.
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Im
dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist der kleinere stufenförmige
Messbehälter 46 in
den großen
Messbehälter 45 integriert,
so dass bei gleicher Funktion die beim Einsatz in hochreinen Produktionen
gewünschte
Reinigungsfreundlichkeit infolge der glatten Außenoberfläche gegeben ist.
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In
der Startphase eines Filtrationszyklusses wird die große anfallende
Filtratmenge über
den Leitkanal 12 der Messeinrichtung 44 zugeführt. Der
Ventilteller 47 ist in einer mittleren Position (nicht
dargestellt), somit sind die Ausgänge sowohl des großen Messbehälters 45 wie
auch des kleineren stufenförmigen
Messbehälters 46 offen
und das ankommende Filtrat 9 durchströmt beide Messbehälter hin
zur Filtratabflussleitung 30 solange, bis die vorgegebene Füllstandshöhe im Schleuderraum 5 erreich
ist. Durch Überführung des
Ventiltellers 47 in seine untere Position (nicht dargestellt)
wird der Ausgang des großen
Messbehälters 45 geschlossen,
und dadurch das nunmehr zufließende
Filtrat 9 gesammelt.
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Die
für die
Bestimmung des Entfeuchtungsfortschrittes relevanten Messvorgänge werden
auf die gleiche Art und Weise wie bereits für 1 beschrieben durchgeführt, wobei
der jeweils erforderliche Messbehälter durch Verschieben des
Ventiltellers 47 in die untere oder obere Position zugeschaltet wird.
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Durch
die Ausbildung der Messbehälter
in anderen (nicht dargestellten) sich verjüngenden, zum Beispiel abgestuften
oder kegeligen geometrischen Formen, anstatt der zylindrischen Ausführung, verändert sich
ohne Umschalten auf einen anderen Messbehälter die Messgenauigkeit mit
der Veränderung der
Füllstandshöhe im Messbehälter.
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Infolge
der mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung
erzielbaren hochgradigen Messgenauigkeit ist die Restfeuchte im
Filterkuchen 7 eindeutig bestimmbar, und demzufolge zusammen
mit der Füllstandshöhenmessung
im Schleuderraum 5, 105 die Basis für die zielgerichtete
Steuerung eines optimalen Filtrationszyklusses gegeben. Das bedeutet,
dass nach der Startphase auch die nachfolgenden Zyklusphasen, das
ein oder mehrmalige Waschen sowie das Trockenschleudern des Filterkuchens 7,
ferner bei Zentrifugen mit geschlossenem Schleuderraum 105 erforderlichenfalls
ein Restentleeren der Kapillaren im Filterkuchen 7 mittels
Druckgas, sowie das den Filtrationszyklus abschließende Ausbringen
des trockenen Filterkuchens, in der kleinstmöglichen Gesamtzeit durchgeführt wird.
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Vor
dem Austragen des mechanisch, das heißt mit Fliehkraft und Druckgas
entfeuchteten, Filterkuchens 7 kann bei Zentrifugen mit
einem geschlossenen Schleuderraum 105 der Filterkuchen 7 zusätzlich einer
thermischen Trocknung unterzogen werden. Dazu wird trockenes, vorzugsweise
erwärmtes
Gas durch die Kapillaren des Filterkuchens 7 geblasen,
wobei das durch die Kapillaren des Filterkuchens 7 strömende Gas
die noch vorhandene Feuchtigkeit aufnimmt. In dieser nachgeschalteten
Trocknungsphase wird der Trocknungsfortschritt mittels dem in 1 und 2 gezeigten Sensor 24, der die Feuchte
und / oder die Temperatur des an ihm vorbeiströmenden Gases misst, bestimmt.
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Bei
einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel wird das in
einer Entgasungsleitung abströmende
feuchte Gas durch einen Kondensator mit nachgeschaltetem Demister
(Tröpfchenabscheider)
geleitet, wobei die im Demister abgeschiedene Flüssigkeit zur Bestimmung des
Trocknungsfortschrittes, entweder über eine Verbindungsleitung
der bereits an der Zentrifuge vorhandenen erfindungsgemäßen Messeinrichtung,
oder aber einer zusätzlichen
erfindungsgemäßen Messeinrichtung
die in unmittelbarer Nähe
zum Demister installiert ist, zugeführt wird.
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Eine
weitere bevorzugte Ermittlung der Füllstandshöhe ist bei Zentrifugen mit
Einbauten im Schleuderraum 105, die mit der Filtertrommel 104 umlaufen,
wie dies beispielhaft anhand einer Stülpfilterzentrifuge 101 in 4 gezeigt wird, möglich. Die als
Abstandshalter zwischen dem Schleuderraumdeckel 126 und
dem Schubboden 123 dienenden Stehbolzen 125 sind
so angeordnet, dass sie die gewünschte
maximale Füllstandshöhe repräsentieren, und
die sich einstellende signifikante Veränderung des Schwingungsverhalten
der Stülpfilterzentrifuge 101,
wenn bei steigendem Füllstand
die Stehbolzen 125 in die Suspension 8 oder Waschflüssigkeit
eintauchen, von einem außerhalb
des Verfahrensraumes 102 befindlichen (nicht dargestellten)
Sensor detektiert wird.
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Die
bei unterschiedlichen Produkten für eine optimale Fahrweise erforderlichen
unterschiedliche maximale Füllstandshöhe wird
durch den Einsatz von angepassten Einbauten, bei denen die den Schleuderraumdeckel 126 und
den Schubboden 123 verbindenden Stehbolzen 125 in
ihrer radialen Anordnung auf einem entweder nach innen oder nach
außen
veränderten
Teilkreis angeordnet sind, erzielt.
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Bei
einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Stehbolzen 125 sowohl
auf dem Schleuderraumdeckel 126 wie auch auf dem Schubboden 123 verschiebbar
angeordnet, so dass jeder beliebige Teilkreis und somit jede beliebige
maximale Füllstandshöhe eingestellt
werden kann.
-
Bei
einem weiteren in 4 dargestellten bevorzugten
Ausführungsbeispiel
werden bei steigender Füllstandshöhe die in
radialer Erstreckung im Schubboden 123 vorhandenen Durchbrüche 134 (beispielhaft
sind fünf
Durchbrüche
gezeigt) mit Suspension 8 oder Waschflüssigkeit bedeckt, und die dadurch
bedingte Veränderung
des Staudruckes beziehungsweise des Gasflusses, in dem die Durchbrüche 134 mit
Druckgas versorgenden Kanal 132 mittels eines Sensors (nicht
dargestellt) detektiert. Auf diese Art und Weise wird die Füllstandshöhe entweder
stufenweise erfasst, in dem die sich bei jeder weiteren Bedeckung
eines Durchbruchs 134 mit Flüssigkeit ergebende Veränderung
des Gasverhaltens im Kanal 132 ausgewertet wird, oder die
Durchbrüche 134 sind bis
auf einen, der für
das jeweilige Produkt die festgelegte maximale Füllstandshöhe definiert, geschlossen.
-
Bei
einer weiteren bevorzugten Ermittlung der Füllstandshöhe im Schleuderraum 5, 105 wird
in einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl das Volumen
oder die Masse der zugeführten Suspension 8 wie
auch das Volumen oder die Masse des abgeführten Filtrats 9 gemessen,
und über
einen laufenden Abgleich die im Schleuderraum 5, 105 befindliche
Bestandsdifferenz und damit die Füllstandshöhe im Schleuderraum 5, 105 bestimmt.
-
- 1
- Filterzentrifuge
- 2
- Verfahrensraum
- 3
- Gehäuse
- 4
- Filtertrommel
- 5
- Schleuderraum
- 6
- Filtertuch
- 7
- Filterkuchen
- 8
- Suspension
- 9
- Filtrat
- 10
- Pfeile
- 11
- Filtratauffangraum
- 12
- Leitkanal
- 13
- Messeinrichtung
- 14
- Durchlassöffnungen
- 15
- Entgasungsleitung
- 16
- Messbehälter – klein –
- 17
- Messbehälter – mittel –
- 18
- Messbehälter – groß –
- 19
- Umhüllung
- 20
- Durchbruch
- 21
- Durchbruch
- 22
- Wehr
- 23
- Wehr
- 24
- Sensor
- 25
- Ventil
- 26
- Ventil
- 27
- Ventil
- 28
- Abflussleitung
- 29
- Abflussleitung
- 30
- Abflussleitung
- 32
- Messleitung
- 33
- Messleitung
- 34
- Messleitung
- 35
- Messleitung
- 36
- Ventil
- 37
- Ventil
- 38
- Ventil
- 39
- Ventil
- 40
- Sensor
- 41
- Verbindungsleitung
- 42
- elektrische
Leitung
- 44
- Messeinrichtung
- 45
- Messbehälter – groß –
- 46
- Messbehälter – stufenförmig –
- 47
- Ventilteller
- 48
- Übergangsstück
- 49
- Verstelleinheit
- 50
- Kolbenstange
- 55
- Lasersender
- 56
- Laserstrahl
- 57
- Stirnseite
- 58
- Oberfläche
- 101
- Stülpfilterzentrifuge
- 102
- Verfahrensraum
- 103
- Gehäuse
- 104
- Filtertrommel
- 105
- Schleuderraum
- 106
- Filtertuch
- 111
- Filtratauffangraum
- 114
- Durchlassöffnungen
- 119
- Hohlwelle
- 120
- Boden
- 121
- Öffnungsrand
- 122
- Haltering
- 123
- Schubboden
- 124
- Schubwelle
- 125
- Stehbolzen
- 126
- Schleuderraumdeckel
- 127
- Schleuderraumdichtung
- 128
- durchsichtiger
Einsatz
- 129
- Oberfläche
- 132
- Kanal
(axial)
- 133
- Kanal
(radial)
- 134
- Durchbrüche