DE1507791C - Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung von in einem strömenden flüssigen oder gasförmigen Medium mitgeführten feinteiligen festen oder flüssigen Stoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung von in einem strömenden flüssigen oder gasförmigen Arbeitsmedium mitgeführten feinteiligen festen oder flüssigen Stoffen, bestehend aus einem stehend angeordneten zylindrischen Gehäuse, welches jeweils eine Zu- und Ableitung für das strömende Medium, ferner im mittleren Bereich einen in der Verbindung zwischen Zu- und Ableitung für das strömende Arbeitsmedium angeordneten, aus langgestreckten und parallel zur Gehäuselängsachse ausgerichteten Gitterelementen bestehenden Einsatz, sowie einen im unteren Gehäusebereich befindlichen Sammelbehälter für die abgetrennten Stoffe enthält.

Es ist bereits eine Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung bekannt, bei welcher das strömende Medium von der Peripherie der Vorrichtung entgegen der Wirkung der Zentrifugalkraft nach einer Axialzone in einen dort befindlichen Rotor einströmt (deutsche Patentschrift 825 538).

Es ist ferner eine Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung bekannt, bei welcher zum Waschen von Luft ein rotierender, aus Gitterelementen bestehender Käfig verwendet wird, welcher einen rotierenden Sprühstrahl der Waschflüssigkeit erzeugt, durch den die zu reinigende Luft hindurchtritt (britische Patentschrift 819 914).

Schließlich ist es bereits bekannt, in einer Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung stationär angeordnete Gitterelemente vorzusehen, an welchen das strömende Medium im wesentlichen normal vorbeiströmt, wobei die Trennwirkung auf der Formgebung der stationär angeordneten Stäbe beruht, die mit einem Längsschlitz und einer axialen öffnung versehen sind (USA.-Patentschrift 3 140 937).

Bei allen bekannten Vorrichtungen zur Fliehkraftabtrennung vom Gittertyp werden die Trennkräfte dadurch erzeugt, daß das strömende Medium über die Oberfläche der Gitterelemente geleitet wird, dessen einzelne Elemente so geformt sind, und sich in einem solchen Abstand befinden, daß das Fliehkraftfeld erzeugt wird und das strömende Medium in einen teilchenfreien und in einen teilchenmitführenden Teil unterteilt wird. Die Wirksamkeit von Reinigern dieser Art hängt von der Stärke des erzeugten

ίο Fliehkraftfeldes ab, das seinerseits von der relativen Geschwindigkeit der Gitterelemente und des zu behandelnden Stromes abhängt. Die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Strom und den Gitterelementen zum Abtrennen sehr kleiner Teilchen ist so groß, daß eine praktische Beschränkung hinsichtlich der Mindestgröße von Teilchen, die aus dem strömenden Medium entfernt werden können, besteht.

Eine wirksame Regelung des Grenzschichtphänomens hat sich bei den bisherigen mit Gitterelementen

so arbeitenden Trennvorrichtungen ebenfalls als schwierig erwiesen. In einer Grenzschicht mitgenommene Teilchen bev/egen sich mit dieser oft mit dem Ergebnis, daß Teilchen in denjenigen Teil des Stroms des strömenden Mediums bewegt werden, der teilchenfrei sein soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Gitterelementen arbeitende Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung diesbezüglich weiter zu verbessern, welche zudem einen höheren Wirkungsgrad besitzt als bekannte Vorrichtungen.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Rohrabschnitte der Gitterelemente des Einsatzes mittels eines Drehantriebs hochtourig im gleichen Drehsinn jeweils um ihre eigene Längsachse rotierbar angebracht sind, und die Zuleitung für das strömende Arbeitsmedium oberhalb des Einsatzes und die Ableitung für das aus dem Einsatz austretende Arbeitsmedium in gleicher Höhe mit dem Einsatz liegt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung ist völlig selbstreinigend und ist infolge der an den Gitterelementen geschaffenen neuartigen Grenzschichtphänomene nicht der Schleifwirkung der feinteiligen Stoffe in dem zu behandelnden Medium ausgesetzt, so daß die Vorrichtung im Betrieb praktisch keinem Verschleiß unterliegt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gitterelemente ringförmig angeordnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung wird anschließend an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung,

F i g. 2 in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht im senkrechten Schnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 3 in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht im Schnitt, welche bauliche Einzelheiten der einzelnen Gitterelemente und ihrer Lagerung zeigt,

F i g. 4, 5 und 6 Ansichten im Schnitt nach den Linien 4-4, 5-5 und 6-6 in F i g. 3 und

F i g. 7 in vergrößertem Maßstab eine Teilansicht im Schnitt, welche in schematischer Darstellung die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugte Trennwirkung zeigt.

Die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 20 besteht aus einem aufrecht angeordneten länglichen, zylindrischen Gehäuse. Die Vorrichtung besitzt einen oberen Gehäuseteil 22 mit einer Zulei-

tung 24 für das strömende Medium, einen mittleren Gehäuseteil 26 mit einer Ableitung 28 für das strömende Medium und einen unteren abnehmbaren Sammelbehälter 30 für die abgetrennten Stoffe.

Zweckmäßig ist die ganze Vorrichtung auf einem Gestell 32 angeordnet.

Der obere Gehäuseteil 22 weist zwei nach unten gerichtete Flansche 34 und 36 auf, zwischen welchen ein Lagerungsabschnitt 38 für die Gitterelemente 72 angeordnet ist. Die Teile werden im zusammengebauten Zustand, in welchem sich der untere Rand des Flansches 36 in Anlage an einer ringförmigen Auflagerfläche am mittleren Gehäuseteil 26 befindet, durch mehrere Schrauben 40 gehalten, wobei die Teile durch Dichtungsringe 42, 44 und 46 abgedichtet sind und einen Ringkanal 48 mit einer Lufteinlaßöffnung 50 zur Verbindung mit einer Druckluftquelle bilden.

An seinem unteren Ende endet der mittlere Gehäuseteil 26 mit einem nach innen gerichteten Lagerflansch 52, an welchem ein Zwischenring 54 und ein unterer Deckel 56 durch einen inneren und einen äußeren Satz von Schrauben 58 und 60 befestigt sind. Die erwähnten Teile sind durch Dichtungsringe 62, 63, 64 und 65 abgedichtet und bilden einen unteren Ringkanal 66. Der obere, und der untere Ringkanal 48 bzw. 66 sind durch ein oder mehrere Luftüberführungsrohre 68 verbunden:

Der Sammelbehälter 30 ist durch einen Einspannring 70 lösbar befestigt, der am Außenumfang des Ringes 54 angebracht ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht im wesentlichen einen unbehinderten Durchtritt des strömenden Mediums von der Zuleitung 24 zur Ableitung 28. Im Weg des strömenden Mediums liegen die Gitterelemente 72, die vorzugsweise in Form eines kreisförmigen Gitters angeordnet sind, so daß das gesamte von der Zuleitung 24 zur Ableitung 28 strömende Medium durch die verhältnismäßig engen Räume zwischen den einzelnen Gitterstäben hindurchtreten muß.

Wie sich am besten aus F i g. 3 ergibt, werden die einzelnen Gitterelemente 72 durch drehbare Rohrabschnitte 74 und feststehende innere Träger 76 gebildet. Die Träger 76 weisen je einen oberen Lagerungskopf 78 auf, der sich mit enger Passung in einer Bohrung 80 des Lagerungsabschnitts 38 des mittleren Gehäuseteils befindet. Der Kopf 78 trägt einen Dichtungsring 82, um die Teile abzudichten, wenn sie zusammengebaut sind.

Jeder Träger 76 weist ferner Lagerflächen 84 und 86 benachbart seinem oberen Ende und ähnliche Lagerflächen 88 und 90 benachbart seinem unteren Ende auf, die durch einen langgestreckten zylindrischen Abschnitt 92 miteinander verbunden sind. Der abgesetzte zylindrische untere Endteil 96 des Trägers 76 erstreckt sich mit enger Passung in einen Bund 98, welcher mit Reibung in einer Bohrung 100 des Ringes 52 durch einen Dichtungsring 102 gehalten wird. Ein Dichtungsring 104 dichtet in ähnlicher Weise das Innere des Bundes 98 ab. Eine Tellerfeder 106 hält die Oberseite des Bundes 98 elastisch gegen eine Schulter 108 am Träger 76.

Vorzugsweise wird Druckluft sowohl zum Antrieb der Rohrabschnitte 74 als auch zu deren Lagerung zur Drehung mit hoher Geschwindigkeit verwendet. Für diesen Zweck sind die oberen Enden der Träger 76 zum oberen Ringkanal 48 offen und je mit einem Innenkanal 108 versehen, der sich vom oberen Ende des Trägers zu dem Bereich benachbart der unteren Lagerfläche 90 erstreckt. Das erweiterte obere Ende des Kanals 108 steht mit zwei engen senkrechten gebohrten Kanälen 110 und 112 in Verbindung, die zu tangentialen Düsen 114 und 116 (F i g. 4) führen, die ihrerseits zu einer ringförmigen Luftkammer 118 führen, welche durch einen abgesetzten Abschnitt des Trägers 76 gebildet wird. Die Luft tritt aus der Kammer 118 durch zwei entgegengesetzte Düsen 120 und 122 aus, die am oberen Ende des Rohrabschnitts 74 ausgebildet oder an diesem befestigt sind, und eine Drehung des Rohrabschnitts mit der gewünschten Drehzahl hervorrufen. Nach dem Durchtritt durch

is die Düsen 120 und 122 strömt die Luft durch eine Anzahl nicht gezeigter radialer Kanäle 124 und verbindet sich mit der Haupt-Innenluftströmung.

Die Lagerabschnitte 84, 86, 88 und 90 sind von identischer Ausbildung jedoch verschieden gerichtet.

ao Wie sich am besten aus F i g. 5 ergibt, ist jeder dieser Abschnitte im wesentlichen zylindrisch und durch drei in gleichen Abständen voneinander befindliche Abflachungen 126 unterbrochen. Drei gebohrte radiale Kanäle 128 verbinden den mittigen Luftkanal 108 mit der jeweiligen Mitte der zylindrischen Abschnitte der Lagerflächen zwischen den Abflachungen 126. Im Betrieb bildet die durch die Kanäle 128 strömende Luft einen dünnen Luftfilm zwischen dem feststehenden Träger und dem Rohrabschnitt 74, so daß ein Luftlager erhalten wird, welches eine Drehung des Rohrabschnitts mit hoher Geschwindigkeit bei vernachlässigbarem Reibungsverlust erleichtert. Um die richtige Luftlagerwirkung zu erzielen, ist das Spiel zwischen den zylindrischen Teilen des Träger-Stabes 76 und dem Inneren des Rohrabschnitts 74 sehr klein. Bei einer beispielsweisen Ausführungsform beträgt der Innendurchmesser des Rohrabschnitts 74 22,225 mm und der Durchmesser der zylindrischen Lagerteile des Trägerstabes 76 22,2225 mm. Nach dem Verlassen der Lagerfläche nimmt die Luft ihren Weg axial nach unten und tritt am unteren · Ende des Rohrabschnitts 74 in der Hauptsache durch eine Reihe von radialen Kanälen 130 (F i g. 6) aus, die in der Oberseite des Bundes 98 ausgebildet sind.

Druckluft wird ferner aus dem unteren Ringkanal 66 durch einen Kanal 132 einer Bohrung 134 zugeführt, die im Teil 96 des Trägers 76 vorgesehen ist. Aus der Bohrung 134 gelangt die Luft durch mehrere gebohrte Kanäle 136 in einen Sammelkanal 138, der im Bund 98 ausgebildet ist, und von diesem zu einer Anzahl geneigter Kanäle 140 (von denen einer dargestellt ist), welche zu einem engen Spielraum führen, der zwischen dem unteren Ende des Rohrabschnitts 74 und der flachen Oberseite des Bundes 98 vorgesehen ist und an dieser Stelle ein Luft-Drucklager bildet.

In einem beispielsweisen Fall drehen sich die ein^L zelnen Gitterelemente mit hoher Geschwindigkeit, d.h. mit 50000 bis 100000 U/Min., obwohl bei manchen Anlagen etwas höhere oder niedrigere Drehzahlen verwendet werden können. Diese Drehung kann durch den dargestellten Luftturbinenantrieb oder durch mechanische Antriebe mit Riemen, Zahnrädem u. dgl. erhalten werden. Ferner werden die Stäbe vorzugsweise mit im wesentlichen der gleichen Drehzahl angetrieben. Bei dem dargestellten besonderen Beispiel beträgt der Durchmesser der Rohrab-

schnitte 74 etwa 22,2 mm. Wenn die Rohrabschnitte mit 75 000 U/Min, zur Drehung angetrieben werden, beträgt die Oberflächengeschwindigkeit über 5180 m/Min. Bei Vorrichtungen mit diesen Abmessungen und Geschwindigkeiten beträgt der Abstand zwischen benachbarten Teilen der Gitterelemente (der in F i g. 7 übertrieben dargestellt ist) etwa 1 mm.

Wenn die Trennvorrichtung in Betrieb ist, entsteht ein Strom des teilchenbelade'nen Mediums entweder durch die Drehung der Gitterstäbe oder durch eine äußere Druckluftquelle. Das Medium strömt in der Umfangsrichtung der Gitteranordnung und radial nach außen durch die Zwischenräume zwischen den benachbarten Rohrabschnitten 74. Bei einem beispielsweisen Fall hat das Medium eine Geschwindigkeit von 34 mVMin. und führt Teilchen von einer Größe von 1 bis 4 Mikron mit sich. Die mitgeführten Teilchen nähern sich der Innenfläche des Gitters und werden der neuartigen Wirkung der Gitterstäbe ausgesetzt, die nachfolgend mit näheren Einzelheiten in Verbindung mit F i g. 7 beschrieben wird.

Wenn sich die Gitterelemente drehen, entsteht eine Grenzschicht von sich verändernder Dicke über die Oberfläche ihrer zylindrischen Abschnitte, wobei sich die Grenzschicht in ihrer Dicke in Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen der Oberflächengeschwindigkeit der Gitterelemente und der Geschwindigkeit des umgebenden Mediums verändert. Unter der hier verwendeten Bezeichnung »Grenzschicht« ist der Mediumbereich zu verstehen, welcher durch die Drehung der Gitterelemente in Bewegung gesetzt wird. Bekanntlich verändert sich die Geschwindigkeit dieses Mediumbereichs im reziproken Verhältnis zum Abstand von der Oberfläche der Gitterelemente und der Höchstwert dieser Geschwindigkeit ist im wesentlichen gleich der Oberflächengeschwindigkeit der Gitterelemente. Bei der dargestellten Ausführungsform nimmt die Grenzschicht eine Gestalt an, die durch den schraffierten Bereich b in F i g. 7 dargestellt ist, d. h. die Grenzschicht ist verhältnismäßig dünn oder nichtbestehend im Bereich, in welchem das strömende Medium sich in der gleichen Richtung wie die Oberfläche der Gitterelemente bewegt, während sie verhältnismäßig dick in dem Bereich ist, in welchem die Gitterelemente und das strömende Medium sich in entgegengesetzten Richtungen bewegen. Die genaue Dicke und Verteilung der Grenzschicht ist in einem besonderen Fall einer genauen Berechnung zugänglich.

Vorzugsweise wird die Vorrichtung dadurch betrieben, daß die Zuleitung 24 mit einem teilchenbeladenen Medium verbunden wird. Ein Druckmedium ist jedoch nicht erforderlich, da die Gitterelemente, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit zur Drehung angetrieben werden, eine ausreichende Pumpwirkung haben, um das Medium durch die Vorrichtung zu bewegen. In jedem Falle wird dem Medium innerhalb der Einheit eine Strömung in einer Umlaufbahn entweder durch den Betrieb der Gitterelemente allein oder durch die kombinierte Wirkung der Gitterelemente und der Zufuhr von Druckmedium tangential durch die Zuleitung 24 mitgeteilt.

Die feinteiligen Stoffe folgen einer spiralig nach unten verlaufenden Bahn, wobei die größeren Stoffteilchen sich rascher als die kleineren Teilchen nach unten bewegen. Große Stoffteilchen fallen rasch in den Sammelbehälter 30. Unter der Wirkung der Fliehkraft und der Auswärtsströmung des Mediums durch die Vorrichtung nähern sich die kleineren Stoffteilchen der Innenfläche des durch die Stäbe gebildeten Gitters. Wenn die Stoffteilchen die einzelnen Gitterelemente erreichen, werden sie durch die Grenzschicht, welche jedes Gitterelement umgibt, auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, welche im wesentlichen die gleiche wie die Oberflächengeschwindigkeit der Gitterelemente ist, so daß sie der Wirkung

ίο des starken örtlichen Fliehkraftfeldes ausgesetzt werden, das durch jedes der sich rasch drehenden Gitterelemente erzeugt wird. Die Stoffteilchen werden daher zu den zwischen den benachbarten Gitterelementen gebildeten Engstellen bewegt. Für den Durchtritt durch diese Räume müssen die Stoffteilchen sich jedoch in einem radialen Abstand bewegen, der geringer als der Abstand zwischen der Oberfläche des einen Gitterelements und der Grenzschicht an der Oberfläche des nächstbenachbarten Gitterelements ist, so lange sich das Teilchen über den Winkel A (F i g. 7) bewegt. Stoffteilchen, die sich in einem größeren Abstand bewegen, werden von der sich nach innen bewegenden Grenzschicht des nächstbenachbarten Gitterelements aufgenommen und zu dem strömenden Medium zurückgeführt, das innerhalb der Gitteranordnung umläuft. Die tatsächliche Bahn, der ein gegebenes Stoffteilchen folgt, wird in der Hauptsache durch die Fliehkraft F_c bestimmt, die auf das Stoffteilchen P ausgeübt wird und die in der Hauptsache von der Masse des Teilchens und dessen Winkelgeschwindigkeit abhängt, welch letztere ihrerseits durch die Drehgeschwindigkeit der Gitterelemente bestimmt wird. Wenn sich das Teilchen radial längs der in F i g. 7 schematisch dargestellten Bahn bewegt, erfährt seine Bewegung eine Gegenwirkung durch eine radial wirkende Mediumwiderstandskraft F_ä. Diese Kraft ist jedoch klein im Vergleich zu der entgegenwirkenden Fliehkraft und kann mit Ausnahme für außerordentlich kleine Stoffteilchen vernachlässigt werden. Daher wird, wenn die Gitterelemente mit einer hohen Oberflächengeschwindigkeit gedreht und sie in einem verhältnismäßig engen Abstand zueinander angeordnet werden, Stoffteilchen von sogar sehr geringer Größe eine ausreichende radiale Geschwindigkeit mitgeteilt, so daß sie in die Grenzr schicht des nächstzugeordneten Gitterelements zur Rückführung zum Hauptstrom an der Innenseite der Gitteranordnung gelangen, wo sie ihre spiralige Abwärtsbewegung fortsetzen und schließlich in den Sammelbehälter 30 gelangen. Auf diese Weise ist die erfindungsgemäße Trennvorrichtung viele Male wirksamer als die bisher bekannten Trennvorrichtungen mit feststehenden Gitterelementen.

Infolge des starken Fliehkraftfeldes, das im Bereich der Oberfläche der einzelnen Gitterelemente erzeugt wird, sind diese selbstreinigend, und da alle Teilchen von den erwähnten Oberflächen weggedrückt werden, sind diese Oberflächen im Betrieb nur einem vernachlässigbaren Verschleiß ausgesetzt.

Obwohl, wie erwähnt, die Gitterelemente vorzugsweise zylindrisch sind, können auch andere Formen mit guten Ergebnissen verwendet werden. Beispielsweise können die Oberflächen der Elemente genutet, gerillt oder aufgerauht sein. Es kann jede Art von Gitterclcment verwendet werden, so lange es wirksam ein starkes örtliches Flieh kraftfei d erzeugt und den Abstand zwischen den Umfangsflächen der benachbarten Elemente im wesentlichen gleichmäßig

hält. Gitterelemente mit einem ovalen oder viereckigen Querschnitt sind nicht zufriedenstellend, da sie diesen gleichmäßigen Abstand zwischen den Gitterelementen nicht aufrechterhalten.

Die Gitterelemente können zur Bildung von Gittern von anderen Formen angeordnet werden. Beispielsweise können die Gitterelemente in einer geraden Linie oder in Form eines Bogens angeordnet werden, welch letzterer kreisförmig oder nicht kreis-

förmig sein kann. In den Fällen, in welchen das Gitter nicht kreisförmig ist, müssen Dichtungen oder Schaber an den entgegengesetzten Enden des Gitters vorgesehen werden, um ein Lecken in diesen Bereichen zu verhindern. Unabhängig von der Gestalt des Gitters kann der Drehantrieb der Gitterelemente in jeder Richtung erfolgen. Ferner ist die Richtung des strömenden Mediums mit Bezug auf das Gitter unwesentlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

209 512/348

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Fliehkraftabtrennung von in einem strömenden flüssigen oder gasförmigen Arbeitsmedium mitgeführten feinteiligen festen oder flüssigen Stoffen, bestehend aus einem stehend angeordneten zylindrischen Gehäuse, welches jeweils eine Zu- und Ableitung für das strömende Medium, ferner im mittleren Bereich einen in der Verbindung zwischen Zu- und Ableitung für das strömende Arbeitsmedium angeordneten, aus langgestreckten und parallel zur Gehäuselängsachse ausgerichteten Gitterelementen bestehenden Einsatz, sowie einen im unteren Gehäusebereich befindlichen Sammelbehälter für die abgetrennten Stoffe enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohrabschnitte (74) der Gitterelemente des Einsatzes mittels eines Drehantriebs hochtourig im gleichen Drehsinn jeweils um ihre eigene Längsachse rotierbar angebracht sind, und die Zuleitung (24) für das strömende Arbeitsmedium oberhalb des Einsatzes und die Ableitung (28) für das aus dem Einsatz austretende Arbeitsmedium in gleicher Höhe mit dem Einsatz liegt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterelemente (72) ringförmig angeordnet sind.