DE1072024B

DE1072024B - Vorrichtung zur Umwand lung der kinetischen Energie eines Wirbels in Druck

Info

Publication number: DE1072024B
Application number: DENDAT1072024D
Authority: DE
Inventors: Axel Goran Gustavsson Enkopmg Karl (Schweden)
Original assignee: Bahco AB
Current assignee: SNA Europe Industries AB
Priority date: 1952-07-11
Publication date: 1959-12-24
Also published as: FR1082970A; US2771157A; BE521267A; GB727215A

Description

Die Erfindung betrifft Mittel zur Umwandlung der kinetischen Energie einer Wirbelströmung in Druck, insbesondere bei einem Wirbel in einem flüssigen oder gasförmigen Medium, das auf Grund eines Druckunterschiedes einer zentralen Abflußöffnung zuströmt und eine tangentiale Bewegungskomponente aufweist. Derartige Strömungsverhältnisse herrschen z.B. in einem Zyklon. Dementsprechend bilden ein bevorzugtes "Anwendungsgebiet der Erfindung neue und verbesserte Umlenk- oder Leitmittel, die in Zyklonen, und zwar in der Abflußleitung derselben, verwendet werden.

In einem Wirbel dieser Art tritt eine Beschleunigung der Strömungsgeschwindigkeit des strömenden flüssigen oder gasförmigen Mediums auf. Zusammen mit dem Einfluß der herrschenden Reibungskräfte verläuft die wirkliche Stromlinie der Wirbelströmung annähernd in Form einer archimedischen Spirale. Wenn die kinetische Energie einer Wirbelströmung z. B. am Abfluß eines Zyklons mit gutem Wirkungsgrad in Druckenergie umgewandelt werden soll, so müssen diese Strömungsverhältnisse im Wirbel bei der Gestaltung der Vorrichtung berücksichtigt werden.

Hierbei ist es wichtig, daß die Leitschaufeln, die zur Umlenkung des Spiralstroms benutzt werden, eine Einlaßkarte aufweisen, die so ausgebildet ist, daß ihre Neigung der Strömungsrichtung in verschiedenen Abständen vom Zentrum der Spiralströmung gut angepaßt ist. Die vorliegende Erfindung gibt eine einfache und zuverlässige Lösung dieses Problems an.

Es sind bereits Anordnungen bekannt, bei denen eine Druckrückgewinnung in sich erweiternden Kanälen zwischen Leitschaufeln, d. h. in gekrümmten Diffusoren, erfolgt. Die Rückgewinnung beiträgt bei derartigen Anordnungen etwa 17%.

Anordnungen mit Schaufeln, die eine Spiralströmung aus tangentialer Richtung in radiale Richtung in der Rotationsebene umlenken, sind ebenfalls bekannt. Mit derartigen Anordnungen kann man ebenfalls etwa 17% Druckrückgewinnung erhalten; sie bringen jedoch eine erhebliche Störung der Strömungsverhältnisse in einem Zyklon mit sich, so daß das Absehe idevermögen herabgesetzt wird.

Es sind schließlich auch Anordnungen bekannt, bei (Ionen die Umlenkung des Gasstromes ohne Herabsitzung der Strömungsgeschwindigkeit so erfolgt, daß. die zwischen den Schaufeln gebildeten Kanäle längs des ganzen Umlenkungsweges senkrecht zur Richtung des Gasstromes einen sich etwas verengenden Querschnitt haben und der Gasstrom danach in einem Aus-Strömraum eine Herabsetzung seiner Geschwindigkeit erfährt, wodurch seine kinetische Energie in Druck umgewandelt wird. Aber auch derartige Anordnungen berücksichtigen nicht die in Wirbeln, insbesondere im Vorrichtung zur Umwandlung
der kinetischen Energie
eines Wirbels in Druck

Anmelder:
Aktiebolaget Bahco, Stockholm

Vertreter: Dr, W. Schalk

und Dipl.-Ing. P. Wirth, Patentanwälte,

Frankfurt/M., Große Eschenheimer Str. 39

Beanspruchte Priorität:
Schweden vom 11. Juli 1952

Karl Axel Göran Gustavsson, Enköping (Schweden),
ist als Erfinder genannt worden

Wirbelkern herrschenden, oben erörterten besonderen Strömungsverhältnisse, so daß es bei derartigen Vorrichtungen kaum möglich ist, die Stromfäden des Wirbels ohne Ablösung mit den Leitflächen aufzufangen und dadurch einen guten Wirkungsgrad zu erzielen.

Zur Überwindung aller dieser Schwierigkeiten wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, Schaufeln zu benutzen, die nur in einer Ebene gekrümmte Platten sind, und deren Eintrittskante derart geschwungen ist, daß der Auftreffwinkel des Gasstromes auf die Schaufeln an jedem Punkt ihrer Eintrittskanten etwa 0° beträgt.

Es wird hierdurch mit einfach gestalteten Umlenkschaufeln ein sehr hoher Wirkungsgrad der Umwandlung der Wirbelenergie in Druck erzielt. Dies ist besonders für Zyklone kleiner Baugröße von großer Bedeutung, weil diese einfach gestalteten Umlenkschaufeln auch für kleine Zykloneinheiten billig hergestellt und eingebaut werden können. Wegen dieser erheblichen Vorteile lohnt es sich durchaus, die Eintrittskante der Umlenkschaufeln auf Grund der im Wirbel herrschenden Strömungsverhältnisse zu berechnen. Besonders lohnend ist diese Berechnung dann, wenn es sich um Multizyklone handelt, bei welchen eine große Anzahl von Zykloneinheiten gleicher'Art und Größe zusammengebaut werden.

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Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen beispielsweise dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Abflußleitung eines Wirbelraumes mit darin angebrachten erfindungsgemäßen Umlenkschaufeln,

Fig. 2 eine Unteransicht von Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Umlenkschaufeln nach Fig. 1,

Fig. 4 eine die tatsächlichen und die idealen Strömungsbedingungen zeigende graphische Darstellung und

Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch einen mit einer Leitung gemäß der Erfindung ausgerüsteten Zyklon.

Fig. 5 zeigt am Beispiel eines Zyklons eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit der Erfindung. Der Zyklon 5 besitzt die übliche Bauart mit tangentialem Zufluß 6. Ferner ist er mit einer zentralen Abflußleitung versehen, deren oberer Teil 3 einen sich nach unten verjüngenden Abströmraum bildet, während ihr Einlauf 1 sich nach unten erweitert. In diese Abfhißleitung sind Umlenkschaufeln 2 eingesetzt, wie sie in Fig. 1 bis 4 näher erläutert sind.

Gemäß Fig. 1 und 2 sind mehrere Umlenkschaufeln 2 — im Beispiel der Zeichnung acht — kreissymmetrisch im Einlauf 1 der Abflußleitung angebracht. Durch diese Umlenkschaufeln soll die Wirbelströmung in dem Zyklon5 ohne wesentliche Änderung ihrer Geschwindigkeit so in die Abflußleitung umgelenkt werden, daß dort eine möglichst wirbclfreie Strömung erzielt wird. Um diese Umlenkung mit geringem Bauaufwand zu bewirken, sind die Umlenkschaufeln 2 in an sich bekannter Weise als mir in einer Ebene gekrümmte Platten ausgebildet. Zur Verringerung der Strömungsverluste soll dabei die Eintrittskante 4 der Umlenkschaufeln so geschwungen sein, daß die Auftreffwinkel der Wirbelströmung auf die Schaufeln an jedem Punkt der Eintrittskante 4 0° bzw. annähernd 0° beträgt. Hierfür muß die Eintrittskante 4 so an die Krümmung der Umlenkschaufeln angepaßt werden, daß die Umlenkschaufel jeweils dort beginnt, wo ihre Neigung mit der örtlichen Strömungsrichtung der Wirbelströmung etwa übereinstimmt.

Wenn die Schaufeln 2 nach einer bekannten stetig verlaufenden Kurve gekrümmt sind, ist ihre Neigung tang α gegenüber der waagerechten Ebene an jedem Punkt bekannt. Für die Ermittlung der Form der Eintrittskante ist dann für jeden Punkt dieser Kante 4 die Bedingung zu erfüllen:

Dabei ist v_ax die mittlere axiale Geschwindigkeit des Wirbels an der Eintrittsöffnung der Zentralleitung und v_t seine örtliche tangentiale Geschwindigkeit. Beide Geschwindigkeitskomponenten sind bei dem jeweiligen Anwendungsfall für jeden radialen Abstand von der Wirbelmitte bestimmbare Größen.

Für die Dichte der Bestimmungspunkte reicht es aus, wenn die bestimmten Punkte in radialer Richtung in einem gegenseitigen Abstand von 2O°/o der radialen Ausdehnung der Schaufel liegen, d. h., es sind sechs Punkte ausreichend.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Leitung wie Fig. 1 und 2, bei der vier Schaufeln 2 vorgesehen sind, deren geschwungene Eintrittskanten 4 entsprechend den tatsächlichen Strömungsbedingungen geformt sind.

In einer idealen, d. h. reibungslosen Strömung verläuft diese spiralig nach der Gleichung:

wobei v_tR die tangentiale Bewegungskomponente auf einem äußeren Radius R und i>_fr die tangentiale Bewegungskomponente auf einem inneren Radius r ist; dabei stellen die Radien R und r die geringsten Entfernungen vom Zentrum C der Abflußöffnung dar.

Die Stromlinie ist gemäß dieser Gleichung eine logarithmische Spirale, und die Größe der tangentialen Bewegungskomponente verläuft, wenn sie in einer graphischen Darstellung über dem Radius aufgetragen wird, nach einer Hyperbel, deren Asymptote für die Gerade R = O ist.

Auf Grund der inneren Reibung in einer wirklichen Strömung verläuft diese nicht nach der idealen Gleichung (1).

Gemäß verschiedener, experimenteller, im Schrifttum veröffentlichter Angaben nimmt die Tangentialgeschwindigkeit bei einer wirklichen Wirbelströmung mit abnehmender Entfernung vom Wirbelzentrum umgekehrt proportional zur Wurzel des Radius zu. Es ist also:

Im Zentrum der Wirbelströmung oder in dessen

Nähe sind die Reibungskräfte gewöhnlich so groß, daß das flüssige oder gasförmige Medium, z. B. Luft, sich wie ein fester Körper dreht, der mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit rotiert, also nach der Gleichung:

Die wirkliche Stromlinie verläuft annähernd in Form einer archimedischen Spirale.

Der Grenzwert des Radius, bis zu dem die Gleichung (2) und von dem an Gleichung (3) gilt, ist jeweils empirisch festzustellen. Er hängt insbesondere von den Abmessungen des Wirbelraumes und der Art des strömenden Mediums ab.

Von den Gleichungen (1), (2) und (3) und den diesen entsprechenden Kurven der Fig. 4 haben nur die Gleichungen und Kurven (2) und (3) für die Berechnung der Schaufelkantenform Bedeutung. Die Gleichung (1) ist nur eingeführt worden, um die theoretischen Grundlagen für die tatsächlichen Strömungsverlaufe zu zeigen.

Ein Beispiel, wie die tatsächlichen Strömungsbedingungen ermittelt werden können, zeigt Fig. 4. Hiernach werden drei Kurven für die tangentialen Geschwindigkeitskomponenten benutzt, wie sie gestrichelt dargestellt sind. Diese Kurven entsprechen den oben angeführten Gleichungen (1), (2) und (3). Die Ausgangswerte der diese Kurven bestimmenden Tangentialgeschwindigkeiten mit großem und kleinem Radius lassen sich durch Messungen ohne weiteres feststellen.

Aus den drei Kurven läßt sich die in Fig. 4 gezeigte ausgezogene Kurve ermitteln, die über die Tangentialgeschwindigkeit des Wirbels in jedem Abstand von der Wirbelmitte Auskunft gibt. Die so ermittelten Tangentialgeschwindigkeiten sind dann für

Claims

die Bestimmung der Eintrittskanten 4 nach Gleichung (4) zu benutzen.

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Umwandlung der kinetischen Energie eines Wirbels in Druck, bestehend aus einer zentral in einer Kammer, z. B. einem Zyklon, angebrachten Abflußleitung, deren Einlauf mit zwei oder mehreren kreissymmetrisch angeordneten Umlenkschaufeln versehen ist, die derartig gekrümmt sind, daß sie die der Abflußleitung zufließende Wirbelströmung in einen senkrecht zur Ebene des Wirbels verlaufenden diffusorartigen Abströmraum ablenken, in dem die kinetische Energie der Strömung in Druck umgewandelt wird, wobei die Schaufeln und bzw. oder die Abflußleitung derart geformt sind, daß die Strömungskanäle zwischen den Schaufeln längs des ganzen Umlenkweges senkrecht zur Richtung der Strömung einen im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt haben, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkschaufeln (2) in an sich bekannter Weise nur in einer Ebene gekrümmte Platten sind und daß ihre Eintrittskanten (4) derart bogenförmig verlaufen, daß der Auftreffwinkel der Wirbelströmung auf die Umlenkschaufeln (2) an jedem Punkt der Eintrittskanten (4) etwa 0° beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 115 430, 134 360, 378, 469 934;

deutsche Patentanmeldung D8751III/50e (bekanntgemacht am 5.6. 1952).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

©l 909 690/316 12.

ZEICHNUNGEN BLATTl

AUSGABETAG: 24. DEZEMBER 1959

KL.47f 1/01 INTERNAT. KL. F 06 1

ZEICHNUNGEN BLATTl

AUSGABETAG: 24. DEZEMBER 1959

KL.47f 1/01

INTERNAT. KL. F 06 1

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,EICHNUNGEN BLATTl

AUSGABETAG: 24. DEZEMBER 1959

KL.47f 1/01 INTERNAT. KL. -F 06 1

909 690/316