DE19533838C1 - Vorrichtung zum Abtrennen von Feststoff-Partikeln aus gasförmigen Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtrennen von Feststoffpartikeln aus gasförmigen Medien gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs 1.

In vielen technischen Anwendungsbereichen ist es erforderlich, ein gasförmiges Me­ dium von Feststoff-Partikeln weitestgehend zu befreien, sei es aus Gründen des Umweltschutzes vor Abgabe des gasförmigen Mediums an eine Umgebung, sei es zur Reinigung des Mediums vor weiteren technischen Nutzungsschritten. So wird beispielsweise Zement aus Silotransportfahrzeugen mit Druckluft in stationäre Silos abgefördert. Der Raum, aus dem das Medium Feststoff-Partikel-Gemisch in diesem Fall gefördert wird, ist somit ein Zement-Silo, aus dem die Druckluft naturgemäß auch entweichen muß, und zwar den Umweltauflagen entsprechend weitestgehend von Zementstaub befreit.

Eine durchaus vergleichbare Situation findet man jedoch auch bei Brennkraftma­ schinen im Bereich des Luftzuführungssystems zu den Brennkammern, in denen wiederum weitestgehend von Feststoffpartikeln, Stäuben od. dgl. befreite Luft zur Verfügung stehen muß.

Das Ausscheiden der Feststoffpartikel aus dem gasförmigen Medium geschieht in vielen derartigen Anwendungsfällen mit Tuch- oder Siebfiltern. Problematisch daran ist, daß man die Maschenweite des Filters relativ groß halten muß, da sich sonst der Filter viel zu schnell zusetzt. Trotzdem ist immer noch eine regelmäßige Wartung mit Wechsel oder Reinigung des eigentlichen Filtereinsatzes erforderlich. In bestimmten Anwendungsfällen müssen für auf diese Weise nicht entfernbare Feinstpartikel teure spezielle Nachfilter eingesetzt werden. Der Einsatz derartiger Tuch- oder Siebfilter ist auch besonders bei aktiven Partikeln, beispielsweise Zement, problematisch. Wird beispielsweise der im Filterbereich gesammelte Zement feucht, ist die Zusetzung irreversibel. Systembedingt besteht immer ein beträchtliches Gefährdungspotential, da sich ein derartiger Filter im Laufe eines Betriebszyklus immer weiter zusetzt, der freie Durchtrittsquerschnitt für das Medium sich also kontinuierlich verringert und es damit auch entsprechend zu einem immer größeren Druckanstieg in dem im wesent­ lichen geschlossenen Raum des Zementsilos kommt. Gerade dieser Druckanstieg kann aber beträchtliche Auswirkungen haben. So kommt es unter Umständen am Beispiel der Zement-Silos zum Öffnen des Sicherheitsventiles mit einer starken Abgabe von Zementstaub an die Umgebung. Aber auch beim Anwendungsbeispiel der Brennkraftmaschinen hat die systematische, kontinuierliche Zusetzung des Filters schädigende Folgen auf den Verlauf und den Wirkungsgrad der Verbrennung, und zwar sowohl beim Einsatz derartiger Filter in der Luftzuführung wie auch bei einem etwaigen Einsatz im Bereich der Abgasreinigung, da im letzteren Fall der kontinuierli­ che Druckanstieg auf die Brennkammer zurückwirkt.

In weiteren Anwendungsfällen, in denen man räumlich nicht beengt ist, werden zum Abtrennen von Feststoffpartikeln aus gasförmigen Medien Zyklone eingesetzt, deren Funktionsprinzip darin besteht, daß das unter Druck zugeführte Gas-Partikel-Ge­ misch durch Querschnittsverengungen im Zyklon so beschleunigt wird, daß es prak­ tisch durch eine Art Eigenfliehkraft zur Trennung der Feststoff-Partikel vom gasförmi­ gen Medium kommt. Die systembedingten Querschnittsverengungen im Zyklonbe­ reich führen aber wieder zu einem beträchtlichen Druckanstieg im Zuführungssystem mit entsprechenden negativen Auswirkungen. Muß beispielsweise beim Silobau auf diese Weise mit einem Druckanstieg von nur 1 bar gerechnet werden, muß die Wandstärke des Silobehälters um das drei- bis vierfache verstärkt werden.

Es ist darüber beispielsweise bekannt (deutsche Zeitschrift "Staubreinhaltung der Luft", 30, 1970, 9, Seite 366 bis 370), rotierende Zentrifugalabscheider mit kontinuier­ licher Staubableitung für die Trennung von Medium-Partikel-Gemischen einzusetzen. Die Wirkungsweise eines Zentrifugalabscheiders dieser Art ist folgende: das Medium- Partikel-Gemisch tritt durch einen Saugstutzen parallel zur Drehachse zwischen die Radialschaufeln eines rotierenden Zentrifugalrades. Die Staubteilchen, die der Ein­ wirkung der Fliehkraft und der Corioliskraft ausgesetzt sind, werden an den Wänden der Schaufeln und an der Wand des Innenmantels des Abscheiders abgeschieden. Von hier werden sie von der Sekundärluft durch einen Schleuderschlitz nach außen befördert. Das reine Gas wird durch einen Lüfter über den inneren Kranz und den Kern des Wirbelrades abgesaugt. Der restliche Teil der Luft, auch als Sekundärluft bezeichnet, führt die abgeschiedenen Teilchen zurück in die Außenluft außerhalb des Zentrifugalabscheiders. Nachteilig an derartigen Zentrifugalabscheidern ist trotz sei­ ner vielfältig denkbaren Anwendungsbereiche, daß für die bekannten Ausführungs­ formen von Zentrifugalabscheidern neben den eigentlichen Einrichtungen zur Tren­ nung des Medium-Partikel-Gemisches ein Lüfter zum Fördern und Ansaugen des Medium-Partikel-Gemisches benötigt wird. Üblicherweise wird der Zentrifugalab­ scheider an der Saugseite eines derartigen Lüfters angeschlossen, Druck und Ge­ samtfördermenge des Lüfters werden nach den Abmessungen des Wirbelrades, ent­ sprechend den Anforderungen an den Druck am Austrittsstutzen des gereinigten Gases gewählt. Hierdurch ist ein erheblicher gerätetechnischer Aufwand notwendig, zu dem muß eine erhöhte Energie zur Aufbringung einer Durchströmung des Zentri­ fugalabscheiders aufgebracht werden.

Ein weiterer rotierender Zentrifugalabscheider ist aus der DE 5 35 238 bekannt, bei der ein korbartiges Gebilde in einem Behälter umläuft und der mit Partikeln beladene Luftstrom das sich drehende korbartige Gebilde durchströmt. Die Durchtrittsspalte des korbartigen Gebildes können, ohne daß dieses korbartige Gebilde selbst ausge­ wechselt werden muß, derart veränderlich gestaltet sein, daß die das korbartige Gebilde bildenden Roststäbe aus einer Anzahl in einem Kreis angeordneter Klappen bestehen, die um etwa 180 Grad jede für sich drehbar sind. Je nach Anstellwinkel dieser Klappen werden sie die in dem Luftstrom mitgeführten Partikel mehr oder weniger abweisen und auf die Behälterinnenwände hin beschleunigen. Auch ein der­ artiger Zentrifugalabscheider benötigt einen Lüfter zum Fördern und Ansaugen des Medium Partikel-Gemisches, die in ihrer Stellung veränderbar angeordneten Klappen weisen keine strömungstechnischen Besonderheiten auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen in bekannter Weise arbeiten­ den Zentrifugalabscheider derart weiterzuentwickeln, daß er neben den Einrichtun­ gen für die Trennfunktion eines Medium-Partikel-Gemisches zusätzlich ohne weitere Hilfsenergie oder Hilfseinrichtungen funktionsfähig ist, wobei insbesondere Wert auf die Verstellbarkeit und Anpaßbarkeit der Eigenschaften des Zentrifugalabscheiders und seiner Abstimmung auf die Eigenschaften des Medium-Partikel-Gemisches ge­ legt wird und über die Betriebsdauer im wesentlichen gleichbleibende Wirkungsgrade ohne schädigende Rückwirkungen auf nach- oder vorgeschaltete Betriebseinheiten gewährleistet sein muß.

Die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruches 1 in Zusammenwirken mit den Kennzeichen des Oberbegriffs.

Erfindungswesentliches Kennzeichen der vorgestellten Vorrichtung zum Abtrennen von Feststoff-Partikeln aus gasförmigen Medien ist es, daß durch eine tragflügelar­ tige Beschaufelung des Radialbeschleunigers innerhalb der Hüllwand ein Strö­ mungsfeld aus Druck- und Saugbereichen bei der Rotation des Radialbeschleunigers hervorgerufen wird, durch die das Medium-Partikel-Gemisch selbstfördernd in die Vorrichtung eingesaugt und nach der Trennung Medium und Partikel getrennt durch die jeweils zugehörigen Auslässe selbsttätig ausgetragen werden. Hierzu weist die Vorrichtung mindestens einen Einlaß für das Medium-Partikel-Gemisch auf, wobei durch den freien Durchströmungsquerschnitt des Einlasses sowie des in der Hüll­ wand rotierenden Radialbeschleunigers kein Druckanstieg am Einlaß hervorgerufen wird. Der innerhalb einer Hüllwand angeordnete Radialbeschleuniger trennt das Me­ dium-Partikel-Gemisch vorwiegend durch Fliehkraftwirkung in seine Komponenten, wobei sich die Partikel überwiegend durch die Fliehkraftwirkung an der Hüllwand sammeln. Durch den je mindestens einen Auslaß werden die getrennten Bestandteile Medium und Partikel nach außerhalb der Vorrichtung selbsttätig ausgetragen. Die tragflügelartige Beschaufelung wird durch die Rotation des Radialbeschleunigers von dem Medium-Partikel-Gemisch angeströmt und baut in aus der Aerodynamik be­ kannter Weise oberhalb und unterhalb der tragflügelartigen Beschaufelung je nach Anstellung zum anströmenden Medium-Partikel-Gemisch Saug- und Druckzonen auf. Diese an den jeweiligen tragflügelartigen Schaufeln entstehenden Saug- und Druck­ zonen bilden aufgrund der Rotation größere zusammenhängende Saug- und Druck­ zonen innerhalb der Hüllwand, durch die sowohl die Trennung des Medium-Partikel-Ge­ misches als auch die Ansaugung in die Vorrichtung und die Austragung aus der Vorrichtung erzielt bzw. verbessert wird.

Hierdurch ist es möglich, die in bekannten Radialbeschleunigern für die Förderung des Medium-Partikel-Gemisches unbedingt notwendige Bereitstellung eines Druckgefälles durch eine separaten Lüfter zu umge­ hen, eine erfindungsgemäße Vorrichtung ist daher selbstansaugend, lediglich die Drehbewegung des Radialbeschleunigers wird durch Fremdenergie hervorgerufen.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die tragflügelartig ausgebildeten Schau­ feln des Radialbeschleunigers mit ihren gedachten Stromlinien jeweils im we­ sentlichen entlang der Hüllwand angeordnet, wobei die tragflügelartig ausgebildeten Schaufeln die aus der Aerodynamik, je nach unterschiedlichem Anwendungszweck bekannten und veränderbaren Formen aufweist.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die tragflügelartig ausgebildeten Schaufeln mit ihren gedachten Stromlinien relativ zu der Hüllwand verstellbar ange­ ordnet, wobei in besonders bevorzugter Weise eine Drehung der Schaufeln um eine an den Tragelementen des Radialbeschleunigers angeordnete Achse erfolgt. Durch eine derartige Verstellung ist es möglich, die auf der Ober- und Unterseite der tragflügelartigen Schaufeln entstehenden Unterdruck- und Überdruckbereiche in ihrer Intensität bzw. in ihrer Anordnung relativ zur Rotationsbewegung des Radiatbe­ schleunigers zu verändern. In besonders bevorzugter Weise ist es dadurch möglich, in einer Einstellung der Beschaufelung auf dem der Hüllwand zugewandten Bereich der Beschaufelung eine Saugzone, auf dem der Drehachse des Radialbeschleuni­ gers zugewandten Bereich eine Druckzone zu erzeugen. Durch entsprechend andere Einstellung der tragflügelartigen Beschaufelung ist es ebenfalls erreichbar, auf dem der Hüllwand zugewandten Bereich der Beschaufelung eine Druckzone und auf dem der Drehachse des Radialbeschleunigers zugewandten Bereich eine Saugzone zu erzeugen. Durch die dergestalt veränderbare Einstellung der tragflügelartigen Be­ schaufelung können die Strömungsverhältnisse innerhalb der Hüllwand abgestimmt werden auf anlagenseitige Bedürfnisse bzw. auf eine Verbesserung der Trennwir­ kung durch die aufgrund der Fliehkraftwirkung vorgenommene Trennung des Me­ dium-Partikel-Gemisches. Insbesondere können durch eine derartige Verstellung der Schaufeln Saug- und Druckverhältnisse innerhalb der Vorrichtung umgepolt werden, so daß die Ein- und Auslässe ihre jeweilige Funktion vertauschen.

Die tragflügelartige Beschaufelung des Radialbeschleunigers kann in einer beson­ ders bevorzugten Ausführungsform mittels einer zentralen Betätigung für alle Schaufeln gleichmäßig auch während des Betriebes des Radialbeschleunigers vor­ genommen werden, wie das in ähnlicher Form bei der Verstellung von Hubschrau­ ber-Rotorblättern möglich ist. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann jede einzelne Schaufel des Radialbeschleunigers nur einzeln, vorzugsweise auch unabhängig voneinander in unterschiedliche Stellungen, mittels je einer Betätigung für jede Schaufel getrennt nur während des Stillstandes des Radialbeschleunigers verstellt werden.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die tragflügelartigen Schaufeln des Radialbeschleunigers so ausgeführt und an dem Radialbeschleuniger angeord­ net, daß sie sich in Abhängigkeit von der Fliehkraftwirkung selbsttätig einstellen.

Hierbei werden die tragflügelartigen Schaufeln vorzugsweise mittels einer Rückhol­ feder wieder in eine Ausgangsstellung zurückgeholt, sobald die Fliehkraftwirkung nachläßt oder der Radialbeschleuniger stillsteht.

Die tragflügelartigen Schaufeln des Radialbeschleunigers können in einer vorteilhaf­ ten Ausführungsform an radial von der Drehachse abstehenden, speichen­ förmigen Elementen an deren von der Drehachse wegzeigendem Ende angeordnet werden. In einer anderen Ausführungsform werden die tragflügelartigen Schaufeln des Radialbeschleunigers an einem kreisförmig ebenen Scheibenelement nahe des Außenumfanges so angeordnet, daß sie mit der Drehachse des Antriebsmotors verbunden sind. Hierbei können die tragflügel­ artigen Schaufeln so angeordnet sein, daß sie überwiegend senkrecht zur Scheibenebene mit ihrer quer zur Anströmrichtung verlaufenden Erstreckung stehen. Es können die tragflügelartigen Schaufeln so angeordnet sein, daß sie mit ihrer drehachsparallelen Erstreckung ko­ nisch zu der Drehachse zulaufend ausgerichtet sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung wird der Auslaß für das abge­ trennte Medium im Einflußbereich der durch die Schaufelanordnung sich einstellen­ den Druckzone angeordnet, so daß das abgetrennte Medium durch den Druck selbstfördernd aus der Vorrichtung ausgeblasen wird. Es kann der Auslaß für die abgetrennten Partikel oder in der Drehachse des Radialbeschleuni­ gers angeordnet sein, wodurch eine besonders platzsparende Bauweise erzielbar ist. Der Auslaß für die abgetrennten Partikel ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungs­ form im Einflußbereich der durch die Schaufelanordnung sich einstellenden Saugzone angeordnet.

In vorzugsweise stationären Einsatzbereichen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Vorrichtung das Medium-Partikel-Gemisch aus einem im wesentlichen abge­ schlossenen, mit Ein- und Auslaßöffnungen versehenen Raum ansaugen und die abgeschiedenen Partikel auch-wieder in diesen Raum austragen. Hierzu wird in be­ kannter Weise ein Reststrom des Mediums, das Sekundärmedium, mit diesen Parti­ keln zurückbefördert. In besonders vorteilhafter Weise erfolgt dieser Austrag in den Einlaßbereich eines derart geschlossenen Raumes, wobei insbesondere eine in dem Einlaßbereich angeordnete Venturi-Düse den Austrag mittels eines nach den Injek­ torprinzip entstehenden Druckgefälles unterstützt und dadurch die Partikel zusätzlich fördert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch aus einer kaskadenartig hintereinan­ dergeschalteten Anzahl von gleichartigen Stufen bestehen, bei denen der in der vor­ hergehenden Stufe der Vorrichtung aus dem Medium-Partikel-Strom getrennte Me­ diumstrom einer nachgelagerten Stufe erneut aufgegeben wird. Hierdurch kann eine weitere Reinigung des getrennten Mediumstroms erfolgen. Die Auslässe der Einzel­ stufen können bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen einer derartigen kaska­ denförmigen Anordnung jeweils in eine gemeinsame Ausblasleitung münden.

Zur Steuerung des Ein- und Auslaßstromes in die erfindungsgemäße Vorrichtung können an den Einlässen und Auslässen Verstelleinrichtungen, bevorzugt in Form von stellbaren Klappen, angeordnet sein, durch die die Strömungsquerschnitte in ih­ rem freien Querschnitt veränderbar sind.

Die tragflügelartige Beschaufelung des Radialbeschleunigers kann in der in bekann­ ter Weise ausführbaren Schaufelformen durch gerade Schaufeln, schräggestellte Schaufeln und/oder gewundene Schaufeln bestehen.

Ebenfalls kann der Radialbeschleuniger auch bei einstufigem Aufbau mit einer mehr­ stufen Beschaufelung ausstattbar sein. Ebenfalls ist der Vorrichtung eine konventio­ nelle Filterstufe an der Auslaßseite nachschaltbar.

Es wird darauf hingewiesen, daß die verschiedenen beschriebenen Kombinationen von Beschaufelung, Festlegung der Schaufeln auf der Drehachse sowie Ein- und Auslässen und Verstellungen der tragflügelähnlichen Schaufeln in allen Konstellatio­ nen miteinander kombiniert werden können.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in weiteren Unteransprüchen genannt.

Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Radialbeschleuniger sowie Ein- und Auslässen, wobei die tragflügel­ artigen Schaufeln auf einer sternförmigen, speichenähnlichen Struk­ tur angeordnet sind,

Fig. 1a Über- und Unterdruckverteilung an einer tragflügelähnlichen Schaufel entsprechend Fig. 1,

Fig. 2a, 2b den prinziphaften Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Anordnung der tragflügelartigen Schaufeln auf einer ebenen Scheibe, wobei die Schaufeln im wesentlichen axial zur Drehrichtung des Ra­ dialbeschleunigers angeordnet sind,

Fig. 3a, 3b einen Grundaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung entspre­ chend der Fig. 2 mit konisch zur Drehrichtung des Radialbeschleu­ nigers angeordneten Schaufeln,

Fig. 4a, 4b eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit drehbar auf der speichenförmigen Struktur angeordneten Schaufeln und Rück­ holfedern,

Fig. 5a, 5b eine Verstelleinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Fig. 4 mit einer Zentralverstellung,

Fig. 6a, 6b eine erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 4 mit Einzelver­ stellung jeder tragflügelähnlichen Schaufel,

Fig. 7 ein mehrstufiger Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Stufen entsprechend dem Aufbau der Fig. 2,

Fig. 8a, 8b prinziphafter Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 2 mit in Ein- und Auslässen angeordneten Klappen zur Verän­ derung der Ein- und Ausströmquerschnitte.

In den Fig. 1a bis 8b sind unterschiedliche Ausführungsformen der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung zur Abtrennung von Feststoffpartikeln aus gasförmigen Medien dargestellt, die alle einen grundsätzlich ähnlichen Grundaufbau aufweisen. Deshalb wird im folgenden der Grundaufbau ausführlich für die Fig. 1 erläutert, wobei in den folgenden Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Funktionen kennzeichnen. Es wird daher bei der Beschreibung dieser Figuren auf die Fig. 1 verwiesen, wobei ausführ­ lich nur die bestehenden Unterschiede zwischen der Ausführungsform in der Fig. 1 und der jeweils beschriebenen Ausführungsform erläutert werden.

In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt, die bei diesem Ein­ satzfall an einem geschlossenen Raum 11 angeordnet ist, der durch eine Wandung 13 im wesentlichen gegenüber dem Außenbereich abgetrennt ist. Dies kann bei­ spielsweise ein Zementsilo sein, wobei in derartigen Anwendungsfällen üblicherweise eine Einblasleitung 12 für den geschlossenen Raum 11 installiert ist, durch die dieser Raum 11 mit Medium-Partikel-Gemisch gefüllt werden kann. Oberhalb dieses geschlossenen Raumes 11 und mit einem Einlaß 8 sowie einem Auslaß 9 mit dem Inneren des geschlossenen Raumes 11 verbunden ist die erfindungsgemäße Vor­ richtung angeordnet, die in schematischer Darstellung gezeigt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einer Hüllwand 1, die mit dem schon genannten Einlaß 8 sowie mit dem Auslaß 9 mit dem geschlossenen Raum 11 in Verbindung steht. Der Auslaß 9 ist ein Auslaß für rückzuführende Partikel, die nach dem Abtrennen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung dem geschlossenen Raum 11 wieder zugeführt werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist darüber hinaus einen Auslaß 7 auf, durch den das abgetrennte Medium in nicht näher beschriebener Weise an die Umgebung abgegeben wird. Beispielsweise könnte dies jedoch auch eine Austragung in einen anderen geschlossenen Raum 11 darstellen. Innerhalb der Hüllwand 1 ist ein Radialbeschleuniger angeordnet, der aus einer Tragstruktur 4 be­ steht, die auf einer Drehachse 2 angeordnet und mit dieser Drehachse 2 innerhalb des Raumes der Hüllwand 1 drehbar gelagert ist. Auf den von der Drehachse 2 abge­ wandten Enden der hier speichenförmig dargestellten Tragstruktur 4 des Radialbe­ schleunigers sind tragflügelartige Schaufeln 3 angeordnet, die sich mit ihrer Längser­ streckung im wesentlichen entlang der Innenseite der Hüllwand 1 erstrecken. Durch die Drehung der Tragstruktur 4 des Radialbeschleunigers werden diese tragflügelar­ tigen Schaufeln 3 auf einer Kreisbahn um die Drehachse 2 des Radialbeschleunigers herumbewegt, wodurch sich innerhalb der Hüllwand 1 eine in der Fig. 1a näher be­ schriebene Unter- und Überdruckverteilung einstellt. Die Tragstruktur 4 des Radial­ beschleunigers und damit auch die an der Tragstruktur 4 angeordneten tragflügelarti­ gen Schaufeln 3 sind über die Drehachse 2 mit einem nicht dargestellten Antriebs­ motor 19 verbunden, der in vorteilhafter Weise drehzahlregelbar ist.

Die Funktion dieser Ausführungsform des Radialbeschleunigers läßt sich so be­ schreiben, daß durch die in der Regel schnelle Rotation der Tragstruktur 4 und der daran angeordneten tragflügelartigen Schaufeln 3 das durch den Einlaß 8 eintretende Medium-Partikel-Gemisch innerhalb der Hüllwand 1 in eine Drehbewegung entspre­ chend der Drehrichtung 5 des Radialbeschleunigers versetzt wird. Durch diese Dreh­ bewegung entstehen für die Partikel in dem Medium-Partikel-Gemisch auf diese ein­ wirkende Zentrifugalkräfte sowie Corioliskräfte, die für eine Bewegung dieser Partikel auf die Hüllwand 1 zu und damit von der Drehachse 2 weg sorgt. Durch diese überwiegend als Zentrifugalkraft wirksame Beschleunigung sammeln sich die Partikel aus dem Medium-Partikel-Gemisch in der Nähe oder innen an der Hüllwand 1 und werden durch Schleppkräfte der darübergleitenden Strömung in Richtung auf den Auslaß 9 geschoben.

Diese bis hierhin an sich bekannte Wirkung eines Radialbeschleunigers, der in be­ kannter Ausführungsform ausschließlich mit Radialschaufeln versehen ist, wird durch die an der Tragstruktur 4 angeordneten tragflügelartigen Schaufeln 3 in besonders vorteilhafter Weise verbessert. Wie in der Fig. 1a dargestellt, bildet sich an jeder der tragflügelartigen Schaufeln 3 aufgrund der Gesetze der Aerodynamik und in Abhän­ gigkeit von der Krümmung und der Anstellung der Schaufel relativ zur Anströmrich­ tung 14 eine Saugzone 15 und eine Druckzone 16. In dem Ausführungsbeispiel ist die Druckzone 16 auf der Seite der tragflügelartigen Schaufel 3 angeordnet, die zur Drehachse 2 der Tragstruktur 4 zeigt, die Saugzone bildet sich auf der zur Hüllwand 1 zeigenden Seite der Schaufel 3. Diese Effekte werden an jeder der Schaufeln wirk­ sam, so daß sich in der Summe für den Innenraum innerhalb der Hüllwand 1 eine Druckverteilung ergibt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß innerhalb der umlaufen­ den tragflügelartigen Schaufeln 3 sich eine Druckzone 16 aufbaut und außerhalb der umlaufenden Schaufeln 3 eine Saugzone 15.

Diese Druckverteilung wirkt nun insofern besonders positiv auf die Trennwirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, daß die Bestandteile des durch die Zentrifugalwir­ kung schon grob vorgetrennten Medium-Partikel-Gemisches sich weiter trennen, in­ dem das abgetrennte Medium durch die Saugzone 15 im Bereich außerhalb der Bahn der Schaufeln 3 in den Bereich innerhalb der Bahn der Schaufeln 3 gesaugt wird und dort durch die dort vorherrschende Druckzone 16 in besonders vorteilhafter Weise durch den Auslaß 6 ausgeblasen wird. Dieser Auslaß 6 ist in dieser Ausfüh­ rungsform rings um die Drehachse 2 der Tragstruktur 4 angeordnet und mündet in die Abführung 7, die in schon beschriebener Weise mit der Umgebung oder einem anderen Raum 11 in Verbindung steht.

Durch dieses Saugverhalten aufgrund der Druckverteilung innerhalb der Hüllwand 1 tritt eine signifikante Verbesserung des Trennverhaltens der erfindungsgemäßen Vor­ richtung ein, die zu wesentlich reineren Medienströmen führt. Gleichzeitig wird durch die entsprechende Schleppströmung das Austragen des Partikelstromes durch die Abführung 9 weiter verbessert. Hierzu dient im weiteren auch die in Verlängerung der Abführung 9 angeordnete Injektordüse 10, durch die der abgetrennte Partikelstrom der Einblasleitung 12 für den geschlossenen Raum 11 zugeführt wird und dort durch den Venturieffekt zu einer günstigen Abführung in den in den geschlossenen Raum 11 eingeblasenen Medium-Partikel-Strom eintritt.

Dieses Grundprinzip der in der Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung wird durch die im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele weiter verbessert.

In der Fig. 2a und 2b ist eine grundsätzlich ähnlich zur Fig. 1 gestaltete erfin­ dungsgemäße Vorrichtung dargestellt, wobei jedoch die tragflügelartige Beschaufe­ lung 3 nicht auf einer Tragstruktur 4 in Form einer speichenähnlichen Einrichtung an­ geordnet ist, sondern die tragflügelartigen Schaufeln 3 auf einem ebenen Scheiben­ element 4 angeordnet sind, das mit der Antriebswelle 18 und dem Antriebsmotor 19 des Radialbeschleunigers verbunden ist. Hierdurch kann die Stabilität des Radialbe­ schleunigers bei geringem Materialbedarf noch einmal verbessert werden. Die An­ ordnung der tragflügelartigen Schaufeln 3 ist in der Fig. 2b derart, daß die gedach­ ten Stromlinien der tragflügelartigen Schaufeln 3 sich parallel zur Hüllwand 1 orientie­ ren, wobei senkrecht zur Umlaufrichtung der tragflügelartigen Schaufeln 3 diese Schaufeln 3 im wesentlichen auf einem gedachten Zylinder angeordnet sind.

In den Fig. 3a und 3b ist eine der Fig. 2a und 2b im wesentlichen entspre­ chende Vorrichtung dargestellt, wobei jedoch die tragflügelartigen Schaufeln 3 sowie die radiale Umfangsfläche der Hüllwand 1 eine konische Form aufweisen. Hierdurch können unterschiedliche Umfangsgeschwindigkeiten und damit noch einmal ein ver­ bessertes Trennverhalten bzw. eine verbesserte Abführung des Partikelstromes er­ zielt werden. Ansonsten gelten die für die Fig. 2a und 2b sowie 1 gemachten Aus­ führungen.

Sind in den Fig. 1 bis 3b alle tragflügelartigen Schaufeln 3 fest auf dem jeweiligen Tragelement 4 befestigt, so ist in der Fig. 4a und der Fig. 4b eine in ihrer Anstel­ lung zur Anströmrichtung 14 veränderliche tragflügelartige Beschaufelung 3 darge­ stellt. Der Grundaufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht der Fig. 1, so daß die dort gemachten Ausführungen gelten. Die tragflügelartigen Schaufeln 3 sind je­ doch mittels einer Drehachse 20 auf der im wesentlichen speichenartigen Tragstruk­ tur 4 befestigt, wobei, wie in der Fig. 4b dargestellt, am Ende dieser Speichen eine Drehlagerung 20 angeordnet ist. Zusätzlich ist konstruktiv dafür gesorgt, daß der Schwerpunkt 22 jeder tragflügelartigen Schaufel 3 in Drehrichtung gesehen hinter der Drehachse 20 liegt, um die gewünschte geschwindigkeitsabhängige Verstellung der tragflügelähnlichen Schaufel 3 zu erreichen. Hierdurch ist gewährleistet, daß bei hö­ heren Geschwindigkeiten der Schwerpunkt 22 der tragflügelartigen Schaufel 3 das Bestreben hat, auf einen größeren Rotationsumfang auszuweichen und damit die tragflügelartige Schaufel 3 mit ihrem Anströmquerschnitt nach innen richtet. Zum selbsttätigen Zurückstellen der Schaufel 3 bei geringeren Drehzahlen oder Stillstand ist eine Rückholfeder 21 zwischen die speichenartige Tragstruktur 4 und die tragflü­ gelartige Schaufel 3 geschaltet, die auf der dem Schwerpunkt gegenüberliegenden Seite bezogen auf dem Drehpunkt 20 angelenkt ist. Hierdurch wird ein Verhalten wie bei einem bekannten Zentrifugalregler erreicht.

In Fig. 5a und der Fig. 5b ist ein Ausführungsbeispiel für eine zentrale Verstellung der auf der Tragstruktur drehbar angeordneten tragflügelartigen Schaufeln 3 angege­ ben. Diese Zentralverstellung ist grundsätzlich aus dem Bereich der Hubschrauber­ technik bekannt, bietet jedoch für diesen Einsatzfall eine besonders gute Anpassung der Eigenschaften des Radialbeschleunigers während seines Betriebes. Als zusätzli­ che Elemente weist dieser Radialbeschleuniger eine Verstelleinrichtung auf, die aus einem Stellgriff 24 besteht, der über eine Stellgabel 25 und eine Lagerung 23 in grundsätzlich bekannter Weise die Verschwenkung der Stellgabel über einen Druck­ ring auf mit der Tragstruktur 4 umlaufende Übertragungshebel 26 überträgt, die wie­ derum mit der tragflügelartigen Schaufel 3 gelenkig verbunden sind. Hierdurch kann mit dem feststehenden und nur um einen Drehpunkt beweglichen Stellgriff 24 auch während des Laufes des Radialbeschleunigers eine Verstellung der tragflügelartigen Schaufeln 3 und damit eine Anpassung an erwünschte Betriebsverhältnisse der Vor­ richtung erreicht werden.

In den Fig. 6a und 6b ist eine andere Verstelleinrichtung dargestellt, mit der jede der einzelnen, auf der speichenartig ausgebildeten Tragstruktur 4 angeordneten trag­ flügelartigen Schaufeln 3 einzeln, allerdings nur im Stillstand des Radialbeschleuni­ gers, verstellt werden kann. Hierzu ist auf der Drehachse 2 des Radialbeschleunigers ein Stellring 27 angeordnet, an dem ebenfalls wieder Übertragungshebel 26 gelenkig angeordnet sind, die mit der tragflügelartigen Schaufel 3 gelenkig verbunden sind. Durch Verdrehen des Stellringes 27 relativ zur speichenartigen Tragstruktur 4 wird der Hebelarm geändert, mit dem die Übertragungshebel 26 jeweils auf die tragflügelartige Schaufel 3 wirken und damit in der Summe eine Verdrehung der trag­ flügelartigen Schaufel 3 um ihren Drehpunkt 20 erreicht. In nicht näher beschriebener Weise kann diese Verdrehung des Stellringes 27 auch von außerhalb des Gehäuses der Hüllwand 1 vorgenommen werden. Hierdurch ist auf konstruktiv einfache Art und Weise eine Anpassung der Stellung der tragflügelartigen Schaufeln 3 an gewünschte Betriebsverhältnisse möglich.

In der Fig. 7 ist eine kaskadenförmige Anordnung von hier 3 Einzelstufen darge­ stellt, die jede für sich gesehen eine der vorstehend beschriebenen Ausführungsfor­ men darstellt. Die Einzelstufen sind koaxial zueinander angeordnet und werden über einen Zentralantrieb in Form eines Antriebsmotors 19, einer Zentralantriebswelle 28 sowie auf der Zentralantriebswelle angeordneten Getrieben 29 mit gleicher Drehzahl motorseitig angetrieben, wobei in einer bevorzugten Ausführungsform auch unter­ schiedliche Drehzahlen durch die gewählte Getriebeübersetzung der Getriebe 29 möglich sind. Die Einzelstufen, die in bekannter Weise aufgebaut sind, sind nun insofern miteinander verschaltet, daß der durch den Einlaß 8 in die erste Stufe ein­ tretende Medium-Partikel-Strom in dieser Stufe zu einem bestimmten Anteil getrennt wird, wodurch in schon bekannter Weise der Medium-Strom durch einen Auslaß, hier den Auslaß 6′, aus dem von der Hüllwand 1 begrenzten Volumen ausgeführt wird. Ebenfalls wird der Partikel-Strom durch einen Auslaß 9, der an der Hüllwand ange­ ordnet ist, abgeführt. Bei der kaskadenförmigen Verschaltung gemäß der Fig. 7 wird nun der durch den Auslaß 6′ abgeführte Medium-Strom mittels eines Saugrohres 30 dem Einlaß 8 einer zweiten Stufe zugeführt, in dem eine entsprechende weitere Trennung vorgenommen wird. Dieser kaskadenförmige Aufbau ist in jeder beliebigen Stufenzahl denkbar, so daß auch für sehr hohe Anforderungen an die Reinheit des abgetrennten Mediums der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung sinnvoll ist.

Als weitere konstruktive Besonderheit wird bei diesem Ausführungsbeispiel die Ver­ schaltung der Auslässe 9 für die Partikel aus den jeweiligen Stufen der kaskadenför­ migen Vorrichtung genannt. Diese werden aus jeder Stufe einzeln in ein alle Aus­ lässe verbindendes Auslaßrohr geführt, daß in der schon vorstehend beschriebenen Weise in hier z. B. den geschlossenen Raum 11 zurückgeführt.

In den Fig. 8a und 8b sind am Beispiel der Ausführungsform aus der Fig. 2a die Möglichkeiten aufgezeigt, die Stoffdurchsätze durch eine erfindungsgemäße Vor­ richtung zu beeinflussen, in dem in den Ein- und Auslässen 8,9 diese Ausführungs­ form Verstellklappen 31, 32 und 33 angeordnet sind, wobei die Verstellklappe 31 für den Einlaß 8, die Verstellklappe 32 für den Partikelauslaß 9 und die Verstellklappe 33 für den Mediumauslaß 6 gedacht ist. Durch eine derartige Einstellung der Medien-Ströme können ebenfalls in weiten Bereichen die Eigenschaften der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung vorgenommenen Trennung beeinflußt werden.

Bei den Ausführungsformen mit beweglichen tragflügelartigen Schaufeln 3 ist darüber hinaus noch anzumerken, daß durch entsprechende Stellung der Schaufeln 3 die Druckverteilung, die üblicherweise mit einem Unterdruck außerhalb der Schaufelbahn und einem Überdruck innerhalb der Schaufelbahn eingestellt ist, auch umgekehrt werden können. Auch hierdurch können die Trennungseigenschaften der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung beeinflußt werden.

Bezugszeichenliste

1 Hüllwand
2 Drehachse Radialbeschleuniger
3 tragflügelartige Schaufeln
4 Tragstruktur des Radialbeschleunigers
5 Drehrichtung Radialbeschleuniger
6, 6′, 6′′ Auslaß
7 Abführung Medium
8 Einlaß
9 Abführung Partikel
10 Injektordüse
11 geschlossener Raum
12 Einblasleitung für geschlossenen Raum
13 Wandung
14 Anströmrichtung
15 Unterdruckzonen/Saugzonen
16 Überdruckzonen/Druckzonen
17 Scheibenelement
18 Antriebswelle
19 Antriebsmotor
20 Drehachse Schaufel
21 Rückholfeder
22 Schwerpunkt
23 Lagerung
24 Stellgriff
25 Stellgabel
26 Übertragungshebel
27 Stellring
28 Zentralantriebswelle
29 Getriebe
30 Saugrohre
31 Verstellklappe Einlaß
32 Verstellklappe Auslaß Partikel
33 Verstellklappe Auslaß Medium

Claims (25)

1. Vorrichtung zum Abtrennen von Feststoffpartikeln aus gasförmigen Medien, wobei die Vorrichtung

• - mindestens einen Einlaß (8) für das Medium-Partikel-Gemisch,
• - einen keinen Druckanstieg am Einlaß (8) hervorrufenden freien Durchströmungsquerschnitt,
• - einen innerhalb einer Hüllwand (1) angeordneten, rotierend angetriebe­ nen Radialbeschleuniger, der das Medium-Partikel-Gemisch vornehm­ lich durch Fliehkraftwirkung in seine Komponenten trennt, wobei die Partikel sich an der Hüllwand (1) sammeln
• - je mindestens einen Auslaß (7, 9) für die getrennten Bestandteile von Medium und Partikeln

aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Radialbeschleuniger eine tragflügelartige Beschaufelung (3) aufweist, die bei Rotation des Radialbeschleunigers innerhalb der Hüllwand (1) ein Strö­ mungsfeld aus Druck- und Saugbereichen (15, 16) hervorruft, das das Me­ dium-Partikel-Gemisch selbstfördernd in die Vorrichtung einsaugt und nach der Trennung Medium sowie Partikel durch die zugehörigen Auslässe (7, 9) selbsttätig austrägt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tragflügel­ artig ausgebildeten Schaufeln (3) mit ihren gedachten Stromlinien jeweils im wesentlichen entlang der Hüllwand (1) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die tragflügel­ artig ausgebildeten Schaufeln (3) mit ihren gedachten Stromlinien relativ zu der Hüllwand (1) verstellbar angeordnet sind, wobei die Verstellung vorzugs­ weise durch eine Drehung um eine an dem Radialbeschleuniger angeordnete Achse (20) erfolgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der tragflügelartige Beschaufelung (3) des Radialbeschleunigers derart eingestellt ist, daß auf dem der Hüllwand (1) zugewandten Bereich der Beschaufelung (3) eine Saugzone (15), auf dem der Drehachse (2) des Radi­ albeschleunigers zugewandten Bereich eine Druckzone (16) vorliegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tragflügelartige Beschaufelung (3) des Radialbeschleunigers derart eingestellt ist, daß auf dem der Hüllwand (1) zugewandten Bereich der Beschaufelung (3) eine Druckzone (16), auf dem der Drehachse (2) des Radi­ albeschleunigers zugewandten Bereich eine Saugzone (15) vorliegt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tragflügelartige Beschaufelung (3) des Radialbeschleunigers mittels einer zentralen Betätigung (29, 25, 26) für alle Schaufeln (3) gleichmäßig auch während des Betriebes des Radialbeschleunigers verstellbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede einzelne Schaufel der tragflügelartigen Beschaufelung (3) des Radialbeschleunigers nur einzeln, vorzugsweise auch unabhängig voneinan­ der, mittels je einer Betätigung (27, 26) für jede Schaufel (3) getrennt nur wäh­ rend des Stillstandes des Radialbeschleunigers verstellbar ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die tragflügelartigen Schaufeln (3) des Radialbeschleunigers in Abhängig­ keit von einer Fliehkraftwirkung selbst einstellend ausgeführt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den tragflü­ gelartigen Schaufeln (3) des Radialbeschleunigers eine Rückholfeder (21) ange­ ordnet ist, mit denen die Schaufeln (3) im Stillstand wieder in eine Ausgangs­ stellung zurückholbar sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die tragflügelartigen Schaufeln (3) des Radialbeschleunigers an radial von der Drehachse (2) abstehenden, speichenförmigen Elementen (4) an deren von der Drehachse (2) wegzeigendem Ende angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die tragflügelartigen Schaufeln (3) des Radialbeschleunigers an einem kreisförmig ebenen Scheibenelement (4) nahe seines Außenumfangs angeordnet sind, das mit der Drehachse (2) des Antriebsmotors (19) verbun­ den ist und mit ihrer drehachsparallelen Erstreckung überwiegend senkrecht zur Scheibenebene (4) stehen.

12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die tragflügelartigen Schaufeln (3) des Radialbeschleunigers an einem kreisförmigen Scheibenelement (4) nahe seines Außenumfangs ange­ ordnet sind, das mit der Drehachse (2) des Antriebsmotors (19) verbunden ist und die drehachsparallele Erstreckung der Schaufeln (3) konisch zu der Drehachse (2) zulaufend ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (6, 6′, 6′′) für das abgetrennte Medium im Einflußbereich der durch die Schaufel­ anordnung (3) sich einstellenden Druckzone (16) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (9) für die abgetrennten Partikel im Einflußbereich der durch die Schaufelanord­ nung (3) sich einstellenden Saugzone (15) angeordnet ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung das Medium-Partikel-Gemisch aus einem im wesentlichen abgeschlossenen, mit Ein- und Auslaßöffnungen versehenen Raum (11) an­ saugt und die abgeschiedenen Partikel auch wieder in diesen Raum (11) aus­ trägt.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Austrag der Partikel in einen mit Medium-Partikel-Gemisch durchströmten Einblasbereich (12) des geschlossenen Raums (11) erfolgt, wobei insbesondere eine in dem Einblasbereich (12) angeordnete Venturi-Düse (10) den Austrag mittels eines nach dem Injektorprinzip entstehenden Druckgefälles unterstützt.

17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hüllwand (1) sich von der Einlaßseite der Vorrichtung zu der Auslaßseite des abgetrennten Mediums hin kegelförmig erweitert.

18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hüllwand (11) ortsfest angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Radialbeschleuniger von einem Motor (19), bevorzugt ei­ nem drehzahlveränderbaren Motor angetrieben ist.

20. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Einlaß (8) in die Vorrichtung für das Medium-Partikel-Ge­ misch im Einflußbereich der zur Hüllwand (1) wirksamen Saugzone (15) ange­ ordnet ist.

21. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorrichtung aus einer kaskadenartig hintereinanderge­ schalteten Anzahl von gleichartigen Einzelstufen gebildet ist, bei denen der in der vorhergehenden Stufe der Vorrichtung aus dem Medium-Partikel-Strom getrennte Medium-Strom in die nachgelagerte Stufe eingegeben wird.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslässe der Einzelstufen einer kaskadenförmigen Anordnung jeweils in eine gemein­ same Ausblasleitung münden.

23. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsquerschnitte an Einlässen (8) und Auslässen (7, 9) der Vorrichtung durch Verstelleinrichtungen (31, 32, 33), bevorzugt in Form von stellbaren Klappen, in ihrem freien Querschnitt veränderbar sind.

24. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die tragflügelartige Beschaufelung (3) des Radialbeschleuni­ gers mit geraden und schräggestellten und/oder gewundenen Flügelorientie­ rungen ausführbar ist.