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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pumpen von gashaltigen Suspensionen, insbesondere Faserstoffsuspensionen mit einem Fluidisierungsrotor mit einem oder mehreren Flügeln und einem Pumpenlaufrad.
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Zum Pumpen von gashaltigen Suspensionen sind bereits eine Reihe von Vorschlägen bekannt. So zeigt die
US 4 971 519 A eine Pumpe mit einem vorgesetzten Fluidisierungsrotor, wobei hier die Suspension derart fluidisiert wird, dass im Wesentlichen verhindert wird, dass Gas zur Saugöffnung der Pumpe gelangt. Weiters sind Ausführungen gemäß der
EP 0474 476 A2 oder
EP 0474 478 A2 bekannt, bei denen hinter dem Pumpenlaufrad ein Laufrad einer Vakuumpumpe angeordnet ist, um das Gas abzusaugen. Bei all diesen Varianten, wie auch bei der
EP 1 147 316 A1 wird durch die Rotation im Zentrum des Rotors eine Zone erzeugt, in der sich das Gas abscheidet. Das abzuscheidende Gas ist im allgemeinen Luft, kann aber bei speziellen Anwendungen auch ein anderes Gas sein. Alle Ausführungen haben den Nachteil, dass zum Abführen des Gases eine zusätzliche Einrichtung entweder direkt in der Pumpe oder getrennt davon, benötigt wird. Für andere Anwendungen wie z.B. Pumpen und Trennen von Zweiphasen-Flüssigkeiten, speziell Ölsuspensionen gibt es bereits gemäß der
US 4 886 530 A Pumpen mit speziellen Rotoren, die gewundene Flügel auf einer Welle aufweisen. Ein separater Fluidisierungsrotor, wie er für Faserstoffsuspensionen vorgesehen wird, ist hier nicht vorhanden. Weiters beschreibt die
EP 330 387 A2 ein Verfahren zur Entgasung von Suspensionen, bei dem das Laufrad eine Trennung von Suspension und Gas erzeugt, wobei sich das Gas im Zentrum des Laufrades ansammelt. Die Suspension wird dabei durch einen rotierenden Förderer dem Laufrad zugeführt. Diese Vorrichtung besitzt keinen Fluidisierungsrotor. Die
EP 298 693 A2 beschreibt eine Vorrichtung, bei der das Gas sich an der Welle sammelt, durch Schlitze in diese Welle gesaugt und anschließend wieder durch Schlitze der Suspension zugeführt und mit dieser gemeinsam aus der Pumpe abgeführt wird. Die
WO 2000/43677 A1 zeigt eine Vorrichtung bei der sich die Zone niedrigeren Druckes am Fuß des Flügels, insbesondere in der Nähe der Achse, am Laufrad befindet. Es kann somit nicht ausreichend Gas abgeschieden werden.
DE 3033450 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Abscheidung von Gas aus Flüssigkeiten mit einer zwischen einem Eintrittsstutzen und einem Austrittstutzen befindlichen Abscheidekammer, der das Flüssigkeit-Gas-Gemisch drallbehaftet zugeführt wird.
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Die vorliegende Erfindung will obige Nachteile beheben und ein Zusatzaggregat einsparen.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pumpen von gashaltigen Suspensionen, insbesondere Faserstoffsuspensionen, mit einem Fluidisierungsrotor mit einem oder mehreren Flügeln und einem Pumpenlaufrad, wobei der Fluidisierungsrotor in den Saugstutzen der Pumpe ragt und eine Nabe aufweist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Saugstutzendurchmesser zu freier Länge des Fluidisierungsrotors folgender Gleichung genügt:
worin
D
s den Saugstutzendurchmesser in Millimeter
FL die freie Länge des Fluidisierungsrotors (Gesamtlänge - Länge der Nabe) in Millimeter
D
p den Druckstutzendurchmesser in Millimeter
bezeichnet.
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Die Vorrichtung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das Streckungsverhältnis λ folgender Gleichung genügt:
worin das Streckungsverhältnis λ definiert ist als (freie Länge FL des Fluidisierungsrotors (Gesamtlänge - Länge der Nabe) / Flügelbreite b) / Anzahl der Flügel n, mit der freien Länge (FL) des Fluidisierungsrotors und der Flügelbreite (b) in Millimeter, und D
p den Druckstutzendurchmesser in Millimeter bezeichnet.
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Besonders günstig hat sich erwiesen, wenn die Rotorlänge Lsp außerhalb des Saugstutzen größer als 0,5 Saugstutzendurchmesser Ds, vorzugsweise größer als 0,6 Saugstutzendurchmesser Ds ist.
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Eine besonders gute Variante der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Länge der Nabe des Fluidisierungsrotors zur Länge des Saugstutzens zwischen 0,9 und 1,1, vorzugsweise etwa 1,0 beträgt und sich die Flügel des Fluidisierungsrotors bis zum Pumpenlaufrad erstrecken. Dadurch können sich an der Ober- bzw. Unterseite der Flügel (in Rotationsrichtung auf das Laufrad gesehen) Zonen niederen bzw. höheren Drucks ausbilden, bei denen sich das Gas abscheiden kann, und es wird verhindert, dass sich das abgeschiedene Gas im Zentrum sammelt, so dass der erzeugte Druck das Gas ohne zusätzliche Hilfsmittel aus dem System austragen kann. Im Bereich des Saugstutzens erzeugt der Fluidisierungsrotor am dem Pumpenlaufrad zugewandten Teil einen hohen Druck, durch den das Gas ohne weitere Aggregate abgeführt werden kann.
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Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel bandförmig ausgebildet sind und die Krümmung der Oberfläche der Flügel vom freien Ende in Richtung zum Pumpenlaufrad abnimmt, wobei dies kontinuierlich, beispielsweise linear erfolgen kann. Durch diese Form der Flügel wird am dem Pumpenlaufrad zugewandten Teil, insbesondere im Saugstutzen ein hoher Druck erzeugt, durch den das Gas ohne weitere Aggregate abgeführt werden kann.
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Wenn die Oberfläche der Flügel am Eintrittsende im Wesentlichen senkrecht zur Achse angeordnet ist, können die Eintrittsverluste stark reduziert werden.
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Vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Oberfläche der Flügel am Austrittsende in einem flachen Winkel zur Achse in die Flügel des Pumpenlaufrades übergeht. Damit wird ein sanfter Übergang von Fluidisierungsrotor zu Pumpenrotor erreicht und die Umlenkverluste verringert.
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Weist das Pumpenlaufrad weitere Flügel zur Förderung der entgasten Faserstoffsuspension auf, die zwischen den mit dem Fluidisierungsrotor verbundenen Flügeln angeordnet sind, so kann eine bessere Förderung der Suspension erzielt werden.
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Mit Öffnungen, die im Pumpenlaufrad an der Unterdruckseite der Flügel vorgesehen sind, wobei die Öffnungen mit einem Abscheideraum in Verbindung stehen können, kann die Gasabscheidung noch effektiver gestaltet werden.
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Vorteilhaft hat sich erwiesen, dass der Fluidisierungsrotor vier Flügeln aufweist. Damit kann eine gute Kraftverteilung erreicht werden.
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Wenn die Flügel des Fluidisierungsrotors am Eintrittsende frei sind, kann die Suspension ungehindert in Richtung Pumpenlaufrad hin fließen, wodurch die Effizienz der Vorrichtung noch gesteigert wird.
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei
- 1 eine 3D Ansicht eines erfindungsgemäßen Fluidisierungsrotors und Pumpenlaufrades
- 2, einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung gemäß der Erfindung,
- 3 eine Draufsicht auf den Fluidisierungsrotor darstellt.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Pumpe 1, die aus einem Gehäuse 2, einem Pumpenlaufrad 3 mit Flügeln 4 sowie einem Fluidisierungsrotor 5 mit Flügeln 6 besteht. Vorteilhafterweise werden vier Flügel 6 verwendet.
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Die Flügel 6 sind bandförmig ausgebildet und die Krümmung der Oberfläche der Flügel 6 nimmt vom freien Ende 7 in Richtung zum Pumpenlaufrad 3 ab.
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Am freien Eintrittsende 7 ist die Oberfläche der Flügel 6 im Wesentlichen senkrecht zur Achse ausgerichtet. Dadurch wird der Eintrittsverlust minimiert, und es kann eine größere Kraft auf die Suspension übertragen werden. Die Oberflächen der Flügel 6 am Austrittsende 8 sind in einem flachen Winkel zur Achse angeordnet und gehen in die Flügel 4 des Pumpenlaufrades 3 über. Weiters sind zwischen den Flügeln 4 weitere Flügel 9 vorgesehen, die die Förderleistung der Pumpe 1 erhöhen. Die Grundplatte 10 des Pumpenlaufrades 3 weist eine Anzahl von Öffnungen 11 auf, die an der Unterdruckseite der Flügel 4 sowie 9 angeordnet sind und der Abfuhr des gesammelten Gases dienen. Wenn sich der Fluidisierungsrotor 5 in Richtung 13 dreht, werden in Richtung der Rotation auf das Laufrad gesehen an der Oberseite der Flügel 6 Unterdruckzonen gebildet. Durch die erfindungsgemäße Form dieser Flügel wird das dort ausgeschiedene Gas in Richtung Pumpenlaufrad 3 hin gepresst und dort durch die Öffnungen 11 aus dem Förderstrom abgetrennt. Weiters wird durch die Flügel 6 ein ausreichender Druck erzeugt, um das abgeschiedene Gas abzuführen und es kann somit eine nachfolgende Vakuumpumpe eingespart werden. Durch die relativ große Breite b der Flügel 6 im Verhältnis zum Durchmesser der Nabe 17 (siehe 2 und 3), der etwa dem freien Zwischenraum im Zentrum entspricht, kann die Abscheidung des Gases, speziell der Luft, an den Flügeln 6 stark unterstützt werden. Damit lässt sich auch die im Zentrum befindliche Suspension leichter fördern. Auch können die Flügel 6 dadurch einen größeren Förderdruck auf die Suspension und auch das abgetrennte Gas ausüben.
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Die Wahl des Durchmessers Ds (siehe 2) des Saugstutzens sollte so erfolgen, dass sich bei gegebenem Durchsatz eine Strömungsgeschwindigkeit im Saugstutzen zwischen 0,5 m/s und 4 m/s, vorzugsweise zwischen 1,0 m/s und 3,0 m/s ergibt. Diese Strömungsgeschwindigkeit, speziell unter 3 m/s führt zu einer optimalen Abtrennung des Gases aus der Suspension.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Man erkennt hier gut die Flügel 6 des Fluidisierungsrotors 5 sowie auch die Flügel 4 und die kürzeren Flügel 9 des Pumpenlaufrades 3. An der Rückseite des Pumpenlaufrades 3 befindet sich ein Abscheideraum 12, in dem das an den Flügeln 6 aus der Suspension abgeschiedene und durch den Fluidisierungsrotor 5 durch die Öffnungen 11 gepresste Gas abgeschieden, in eine Gasabscheidekammer 20 geleitet und anschließend über eine Leitung 16 abgeführt wird. Auf der Rückseite des Pumpenlaufrades 3 können auch noch Flügel 15 angeordnet sein, die eine Abtrennung von mitgerissenen Fasern aus dem Gasstrom ermöglichen. Die entgaste Suspension wird dann über den Auslass 14 weitergefördert.
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Es ist hier gut zu erkennen, dass die Länge IN der Nabe 17 des Fluidisierungsrotors 5 im Wesentlichen die Länge L des Saugstutzens 18 der Pumpe 1 beträgt. Im Bereich des Verhältnisses IN/L zwischen 0,9 und 1,1 werden die besten Werte für die Gasabscheidung und den Pumpenwirkungsgrad erzielt. Weiters haben sich die besten Ergebnisse bei einem Verhältnis von Durchmesser d des Fluidisierungsrotors 5 zu Durchmesser D des Pumpenlaufrades 3 von größer 0,5 ergeben.
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In 3 ist eine Draufsicht auf den Fluidisierungsrotor 5 in Richtung des Pumpenlaufrades 3 hin dargestellt. Daraus ist erkennbar, dass sich die Flügel 6 stark überlappen sowie dass im Zentrum ein freier Raum 19 bleibt, der mit Suspension gefüllt ist. Durch die relativ breit ausgeführten Flügel 6 wird dieser freie Raum 19 im Zentrum möglichst gering gehalten. Durch die relativ große Breite b (siehe 2) der Flügel 6 im Verhältnis zum Durchmesser der Nabe 17, der etwa dem freien Zwischenraum im Zentrum entspricht, kann die Abscheidung des Gases, speziell der Luft, an den Flügeln 6 stark unterstützt werden. Damit lässt sich auch die im Zentrum befindliche Suspension leichter fördern. Auch können die Flügel 6 dadurch einen größeren Förderdruck auf die Suspension und auch das abgetrennte Gas ausüben. Auch die freien (nicht verbundenen) Eintrittsenden 7 sind hier gut sichtbar. Weiters ist auch das Verhältnis der Durchmesser d/D des Fluidisierungsrotors 5 und des Laufrades 3 erkennbar. Auch die Nabe 17 sowie der Saugstutzen 18 sind hier zu erkennen.
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Durch die Rotation des Fluidisierungsrotors 5 in Richtung des Pfeils 13 wird an der Unterseite der Flügel 6 in Richtung auf das Laufrad 3 gesehen ein höherer Druck erzeugt. Gleichzeitig ergibt sich auf der Oberseite der Flügel 6 eine Zone niedrigeren Druckes. Durch die Gestaltung und Steigung der Flügel 6 wird die Suspension zum Laufrad 3 gefördert. Die Nabe 17 verhindert das Ausscheiden des Gases im freien Raum 19 im Zentrum wodurch das Gas an der Unterseite der Flügel 6 entlang geführt und durch die Öffnungen 11 (siehe 2) in der Grundplatte 10 (siehe 2) des Laufrades 3 in den Gassammelraum abgeleitet wird. Durch die im Wesentlichen gleiche Länge IN (siehe 2) von Nabe 17 und Länge L (siehe 2) des Saugstutzens 18 wird in diesem Bereich ein weiterer Druckaufbau ermöglicht, wodurch das Gas in weiterer Folge ohne zusätzliches Aggregat durch die Leitung 16 (siehe 2) abgeführt werden kann.
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Ausführungsbeispiele:
- Eine Pumpe im Stand der Technik weist einen Saugstutzendurchmesser von Ds= 200 mm, einen Druckstutzendurchmesser Dp = 150 mm, eine Flügelbreite von b= 45mm, 3 Flügeln und eine freie Länge des Fluidisierungsrotors von FL = 305 mm auf.
- Damit ergibt sich einerseits ein λ = 2,26, das wesentlich größer als 1,325 ist, sowie das Verhältnis Ds/FL von 0,66, das wesentlich kleiner als 1,06 ist.
- Es hat sich gezeigt, dass hier zum Pumpen von gashaltigen Suspensionen unbedingt eine zusätzliche Vakuumpumpe erforderlich ist, um eine ausreichende Abtrennung des Gases und somit auch eine ausreichende Förderung der Suspension zu gewährleisten.
- Bei Versuchen wurde eine Pumpe mit Saugstutzendurchmesser von Ds= 175 mm, einem Druckstutzendurchmesser Dp = 100 mm, einer Flügelbreite von b = 50 mm, 4 Flügeln und einer freien Länge des Fluidisierungsrotors von FL = 160 mm eingesetzt. Dies ergibt einerseits ein λ = 0,8, das wesentlich kleiner als 1,57 ist, sowie das Verhältnis Ds/FL von 1,09, das wesentlich größer als 1,03 ist.
- Bei einer Ausführung entsprechend diesen Werten ergab sich eine sehr gute Abscheidung der Luft aus einer Faserstoffsuspension, wodurch sich auch der Wirkungsgrad der Pumpe wesentlich verbesserte und zu einem geringeren Energieeinsatz führte. Insbesondere konnte eine nachfolgende Vakuumpumpe entfallen.
- Für größere Durchsätze wurden Pumpen eingesetzt mit Saugstutzendurchmesser von Ds= 400 mm bzw. 475, Druckstutzendurchmesser Dp = 250 mm bzw. 300 mm, Flügelbreiten von b= 110 mm bzw. 120 mm, 4 Flügeln und einer freien Länge des Fluidisierungsrotors von FL = 240 mm bzw. 270 mm. Dies ergibt einerseits ein λ = 0,55 bzw. 0,56, das wesentlich kleiner als 0,775 ist bzw. unter diesem Grenzwert von 0,775 liegt, sowie das Verhältnis Ds/FL von 1,67 bzw. 1,76, das wesentlich größer als 1,3 bzw. 1,39 ist. Bei größeren Pumpen mit Druckstutzendurchmessern größer 250 mm hat es sich gezeigt, dass sich die Geometrie des Fluidisierungsrotors bei gleich bleibender Leistung nur mehr unwesentlich ändert.
- Auch hier kann eine nachfolgende Vakuumpumpe entfallen, was zu großen Energieeinsparungen aber auch zu Einsparungen bei den Investitionskosten führt.
- Durch die relativ breiten und auch relativ langen und weit in ein nicht gezeigtes Standrohr reichenden Flügel des Fluidisierungsrotors wird sehr gut das Gas aus der Suspension abgeschieden und durch den erzeugten Druck ausgetragen.
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Es können auch z.B. andere Abmessungen gewählt werden, die stark abhängig von der Größe und der Förderleistung der Pumpe sind. Wesentlich sind jedoch die grundsätzliche Ausbildung des Fluidisierungsrotors und die Anordnung im Pumpengehäuse und/oder Saugstutzen, wodurch der Fluidisierungsrotor das abgeschiedene Gas aus der Pumpe hinauspresst und keine zusätzlichen Einrichtungen zu einer Vakuumerzeugung mehr nötig sind.