DE19833293C1 - Trennvorrichtung - Google Patents

Abstract

Herkömmliche Verfahren zum Abscheiden von Verunreinigungen aus Heiz- und Kühlwasserkreisläufen verwenden nach Teilchengrößen abgestufte Sieb- oder Filtereinsätze, sind wartungsaufwendig, können verstopfen und arbeiten mit hohem Druckverlust. Die neue Vorrichtung soll es ermöglichen, Feststoffe und gleichzeitig Gasbläschen aus dem Kreislauf von Flüssigkeiten unter Einwirkung eines Magnetfeldes auf äußerst wirkungsvolle Weise ohne die vorerwähnten Nachteile abzuscheiden. DOLLAR A Das Rohrteil (1) mit einer tangentialen Anströmöffnung (2) und einer Austrittsöffnung (3) wird schraubenlinienförmig durchströmt. Die Gasbläschen entweichen über eine Entlüftungseinheit mit Absperrvorrichtung (5) und automatisch arbeitendem Ventil (6) ins Freie. Der Großteil aller mitgeführten Teilchen setzt sich im konischen Teil (7) nach dem Zyklonprinzip ab und sammelt sich bei geöffnetem Kugelhahn (8) im Behälter (9). Zur Abscheidung der restlichen magnetisierbaren Feinteilchen wird am Elektromagneten (4) ein Magnetfeld aufgebaut, wodurch diese Teilchen im Einwirkungsbereich des Magnetfeldes eine Schicht aufbauen. Nach Unterbrechung des Magnetfeldes gleitet der angesammelte Schlamm nach unten und wird im Behälter (9) aufgefangen. DOLLAR A Die Vorrichtung eignet sich zur kontinuierlichen Entschlammung und Entgasung von Heiz- und Kühlwasserkreisläufen, insbesondere solchen von mobilen oder stationären Verbrennungsmotoren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Gasen und Teilchen aus flüssigen Medien, insbesondere von magnetisierbaren Teilchen.

In Heiz- und Kühlkreisläufen dient im allgemeinen Wasser als Energieträger. Derartige Kreisläufe finden sich in der Gebäudeheizung und -klimatisierung, in der industriellen Produktion, in der Getränke- und fleischverarbeitenden Industrie, bei Verbrennungsmotoren, angefangen bei Pkw-Motoren bis zum Schiffsdiesel, auch im Zusammenhang mit Blockheizkraftwerken usw. Verursacht durch Korrosion ist das Kreislaufwasser im allgemeinen mit Verunreinigungen belastet, wobei ferromagnetische Teilchen (Magnetit und andere Oxydationsstufen des Eisens) mit bis zu ca. 85% den Hauptanteil darstellen und dies in einer Teilchengröße bis unter 1 µm. Außerdem befinden sich im Kreislaufwasser Luft- und ändere Gasbläschen, die wiederum die Korrosion verursachen.

Eine Anhäufung von Teilchen zu oft funktionsstörenden Schlammengen bildet sich z. B. in Rohren von Fußbodenheizungen, wenn diese Rohre aus sauerstoffdurchlässigen Kunststoffleitungen bestehen, wie sie in den Anfangsjahren dieser Heizungstechnik verwendet wurden. Dieser Tatsache hat sich die Erfindung angenommen.

Aufgabe der Erfindung ist es, gleichzeitig kontinuierlich Gasbläschen und Feststoffe aus dem Kreislauf von Flüssigkeiten abzuscheiden mit dem Ziel, die Oberfläche von Wärmetauschern von Belägen aus Gasblasen und Korrosionsprodukten freizuhalten und dadurch einen hohen Wärmübergang bei der Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeit und Wärmetauscher aufrechtzuerhalten. Damit lassen sich die sog. "fouling-Faktoren" als Sicherheitszuschlag bei der Dimensionierung der Wärmeübertragungsleistung von Wärmetauschern wesentlich niedriger ansetzen, mit der Folge, daß Gewicht und damit Kosten von Wärmetauschern und insbesondere im Fall Kältemaschinen erhebliche Stromenergie eingespart werden können.

Es ist bekannt, Teilchen aus einem flüssigen Medium mittels Einrichtungen wie Siebe, Filter, Filterpressen, Zyklone, Magnete usw. abzuscheiden.

Alle diese Methoden haben zum Ziel, entweder aus einer Suspension eine von Verunreinigungen freie Flüssigkeit als Produkt zu erhalten, eine Flüssigkeit von Verunreinigungen freizuhalten oder die festen Stoffe als Produkt zu gewinnen. Derartige Vorrichtungen sind beispielsweise in den Schriften DE 25 17 857 C1, in der DE 26 15 581 A1, DE 33 05 023 C1, DE 33 04 863 A1 oder DE 35 22 365 A1 beschrieben.

Es handelt sich hierbei um Anlagen, wo mittels Magnetismus Teilchen aus ferromagnetischem Material aus anderen Stoffen oder Suspensionen abgeschieden werden, um sie als Produkt zu gewinnen oder um Geräte mit innenliegenden Dauermagneten, um z. B. Eisenabrieb im Schmierölstrom von Verbrennungsmotoren festzuhalten.

Alle diese bekannten Vorrichtungen haben den Nachteil, dass sie entweder technisch sehr aufwendig und dadurch voluminös sind, dass sie für einen genau definierten Produktionsprozess konzipiert sind, mit hohem Druckverlust arbeiten und einen hohen Energiebedarf haben. Auch sind sie wegen ihrer anlagenspezifischen Bauweise nicht überall einsetzbar. Bei Einsatz von filterähnlichen Vorrichtungen ist es nachteilig, daß bei der Wartung der Flüssigkeitsinhalt, der sich in den Filterbehältern, z. B. Filtertassen, befindet, verlorengeht und ersetzt werden muß. Dies wirkt sich umso mehr nachteilig aus, je kleiner das Leitungsnetz des betreffenden Kreislaufs und damit dessen Flüssigkeitsinhalt ist.

Im Falle eines Dauermagneten, wie in DE 33 04 863 A1 beschrieben, ist von Nachteil, dass der Behälter mit innenliegendem Dauermagneten zu Reinigungszwecken geöffnet und der Magnet von anhaftenden magnetischen Teilchen mechanisch befreit werden muß, was eine Abstellung der Ölkreislaufströmung voraussetzt. Eine Verstopfung der Vorrichtung ist nicht auszuschließen, der Wartungsaufwand ist deshalb entsprechend hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es, kontinuierlich Gasbläschen und gleichzeitig Feststoffe aus dem Kreislauf von Flüssigkeiten abzuscheiden und dadurch die Oberfläche von Wärmetauschern von Belägen aus Gasblasen und Korrosionsprodukten freizuhalten. Dadurch wird ein guter Wärmübergang bei der Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeit und Wärmetauscher aufrechtzuerhalten. Damit lassen sich die sog. "fouling-Faktoren" als Sicherheitszuschlag bei der Dimensionierung der Wärmeübertragungsleistung von Wärmetauschern wesentlich niedriger ansetzen, mit der Folge, daß Gewicht und damit Kosten von Wärmetauschern und insbesondere im Fall Kältemaschinen erhebliche Stromenergie eingespart werden können.

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die mit Gasbläschen und magnetsierbaren und nicht magnetisierbaren Teilchen behaftete Flüssigkeit seitlich in den oberen Bereich eines zylindrischen Hohlkörpers aus nicht magnetisierbarem Material eingeleitet wird, im unteren Teil dieses Hohlkörpers seitlich austritt und auf diese Weise gezwungen wird, den Hohlkörper in nach unten gerichteter Fließrichtung zu durchströmen.

Nichtmagnetisierbares Material kann sein Kunststoff, Glas, Keramik, Messing Aluminium o. ä., vorzugsweise hochlegierter Stahl.

Am Mantel, d. h. auf der Außenseite des Hohlkörpers, im weiteren Verlauf Rohr genannt, sind eine oder mehrere elektrische Spulen mit Eisenkern (sog. Magnetspulen) in engem Kontakt mit der Rohrwand so angebracht, dass das magnetische Kraftfeld, das durch Anlegen einer Gleichspannung aufgebaut wird, zur Rohrachse hin gerichtet ist. Denkbar ist auch eine Ringspule, die über das Rohr geschoben ist.

Vorzugsweise ist die obere Anströmöffnung am Rohr tangential angebracht, während die untere Abflußöffnung sowohl tangential als auch radial zur Rohrmitte angebracht sein kann. Auf diese Weise wird eintrittsseitig eine spiralförmige, zyklonartige Strömung erzeugt mit der Folge, dass sich sogar Microgasbläschen nach innen in das Zentrum des Wirbels bewegen, nach oben steigen und aus der Flüssigkeit austreten, während sämtliche Teilchen, ob magnetisierbar oder nicht, aufgrund der Fliehkraft nach außen hin zur Rohrwand drängen.

Vorzugsweise ragt das Leitungsstück an der unteren Abflußöffnung ein geringes Maß in das Innere des Hohlkörpers hinein, damit durch diese erzwungene Umlenkung der Flüssigkeitsströmung es den noch nicht abgeschiedenen Teilchen erschwert wird, ausgetragen zu werden.

Zur Verstärkung und Aufrechterhaltung der Ringströmung in dem flüssigen Medium auf seinem abwärtsgerichteten Weg kann ein zylindrischer Verdrängungskörper aus nicht magnetisierbarem Material mit einem äußeren Durchmesser, der kleiner ist als der Rohrinnendurchmesser, sodass zwischen dem Verdrängungskörper und der inneren Rohrwand ein Ringspalt ensteht, zentrisch so im Innern des Rohres angebracht werden, daß der untere Auslauf für das Sinkgut nicht behindert ist.

Der Hohlkörper selbst kann auch trichterförmig ausgebildet sein, wobei dann der Verdrängungskörper kegelförmig mit der Spitze nach unten so ausgeführt sein kann, daß sich ein über die Höhe gleichmäßiger Ringspalt ergibt.

Schließlich sind alle Varianten untereinander denkbar wie Rohr mit innenliegendem Kegel und Spitze nach oben oder unten, trichterförmiger Hohlkörper mit innenliegendem Zylinder oder Kegel mit Spitzenach oben zeigend.

Die Höhe der jeweiligen Verdrängungskörper kann variieren zwischen oberer Begrenzung oberhalb, gleich oder unterhalb der Zuflussöffnung.

Das in allen Fällen mehr oder weniger wirkende Zyklonprinzip zur Unterstützung der Entgasung der Flüssigkeit und zur Erzeugung der Zentrifugalkraft, die sowohl auf die magnetisierbaren wie auch auf die nichtmagnetisierbaren Teilchen wirkt, zusammen mit der Magnetwirkung führen zu dem mit der Erfindung beabsichtigten Zweck, dass nämlich magnetisierbare Teilchen durch die Einwirkung des Magnetfeldes angezogen und an der Wand des Rohres festgehalten werden, während die nicht magnetisierbaren Teilchen aufgrund ihrer Schwerkraft unterstützt durch das Zyklonprinzip und die abwärtsgerichtete schraubenlinienförmige Strömung der Flüssigkeit im Ringspalt nach unten sinken.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat als oberen Abschluß eine Entlüftungseinrichtung, die vorzugsweise automatisch arbeitet. Damit werden die schädliche Auswirkung auf den Wärmeübergang und die Korrosion, worauf die Teilchenbildung hauptsächlich beruht, dauerhaft beseitigt. Für den Fall, dass die zirkulierende Flüssigkeit häufigen größeren Temperaturschwankungen unterliegt, wie z. B. im Falle Kühlwasser von Verbrennungsmotoren, ist die Entlüftungseinrichtung zusätzlich mit einem Rückschlagventil ausgerüstet, damit bei der Abkühlung der Flüssigkeit und dadurch möglicherweise Entstehung eines Unterdrucks, keine Luft von außen angesaugt werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist am unteren Ende unterhalb der Ausströmöffnung trichterförmig verjüngt und geht über in einen Auffang- und Sammelbehälter für abgeschiedenen Schlamm. Vorzugsweise ist die trichterförmige Verjüngung asymmetrisch derart ausgeführt, daß sich zwischen Rohrmantel an der Stelle, wo außenseitig der Magnet angebracht ist, und dem asymmetrischen Trichter eine senkrechte Wand ergibt, damit das Abgleiten der Schlammschicht während der Nichteinwirkungsdauer des Magnetismus nicht behindert ist. Der Behälter selbst ist für Wartungsarbeiten, bestehend aus der Entleerung und Reinigung des Behälters, abnehmbar. Zwischen der trichterförmigen Verjüngung und dem eigentlichen Behälter befindet sich ein Absperrorgan, vorzugsweise ein Kugelhahn, der lediglich während der Durchführung von Wartungsarbeiten geschlossen ist. In den Boden des Behälters kann ein Dauer- oder Elektromagnet eingearbeitet sein, um abgeschiedene magnetisierbare Teilchen zusätzlich anzuziehen und gleichzeitig am Aufschwimmen zu hindern.

Die magnetische Anziehungskraft wirkt selbst auf magnetisierbare Teilchen, die ansonsten wegen ihrer geringen Korngröße im Falle ruhende Flüssigkeit in Schwebe bleiben würden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ununterbrochen von der mit Teilchen behafteteten Flüssigkeit mit geringer schraubenlinienförmiger Strömungs­ geschwindigkeit durchströmt. Während dabei die Abscheidung von Gasbläschen und nicht magnetisierbaren Teilchen kontinuierlich erfolgt, läuft die Abscheidung von magnetisierbaren Teilchen in zwei Zyklen ab:

In einem ersten Zyklus wird ein Magnetfeld aufgebaut, beispielsweise im Falle Magnetspule durch Anschließen einer Gleichstromquelle. Während dieser Phase erfolgt die Anziehung der magnetisierbaren Teilchen derart, dass sie zur Rohrwand hinwandern, wo sie im Wirkungsbereich des Kraftfeldes festgehalten werden, zusammenwachsen und eine schlammbildende Schicht aufbauen. Wird nun in einem anschließenden zweiten Zyklus nach einer gewissen Zeit der Stromfluss durch den oder die Elektromagnete unterbrochen, dann gleiten die von der Magnetwirkung angezogenen und festgehaltenen Teilchen als Schlammschicht an der inneren Rohrwand nach unten, ohne von der im unteren Bereich bereits schwachen tangentialen Strömung des flüssigen Mediums mitgerissen und ausgeschleust zu werden.

Dabei hat sich gezeigt, dass die kleinsten magnetischen Teilchen unter der Einwirkung des Magnetfeldes an der Wand zu größeren Partikeln agglomerieren und demzufolge sich im Absinkverhalten wie größere kompakte Teilchen verhalten.

Eine weitere Betriebsweise ist denkbar derart, dass zeitgleich mit der zweiten Phase eine Unterbrechung der Flüssigkeitsströmung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erfolgt.

Die Dauer des ersten Zyklus ist zeitlich um ein Mehrfaches länger als der sich daran anschließende zweite Zyklus.

Der oder die Elektromagnete lassen sich auch durch einen oder mehrere Dauermagnete ersetzen, welche während des Abscheidezyklus eng am Rohr anliegen und während des Abschlammzyklus von dort entfernt werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der äußerst wirkungsvollen Trennung von Gasen und Teilchen aus flüssigen Medien, in dem nahezu vernachlässigbar niedrigen Druckverlust und in dem geringen Energieaufwand zur Erzeugung des Magnetfeldes.

Weiterhin ist die Vorrichtung verschleißfrei, kann nicht verstopfen und braucht deshalb je nach Dimensionierung des unteren Auffang- und Sammelbehälters nur in sehr großen Zeitintervallen gewartet zu werden. Die Vorrichtung nimmt nur wenig Raum ein und ist relativ leicht von Gewicht.

Auch ist ein weiterer Vorteil, dass das Gerät im Hauptstrom des flüssigen Mediums, vorzugsweise aber im Nebenstrom (Bypass) und auch nachträglich ohne größeren technischen Aufwand installiert werden kann.

Die Strömung des flüssigen Mediums durch die Vorrichtung kann entweder mittels einer eigenen Pumpe, in Parallelschaltung mit der Hauptkreislaufpumpe oder parallel zum Hauptstrom nach dem Injektorprinzip bewirkt werden.

Schließlich ist ein weiterer Vorteil, dass die eigentliche Abscheidevorrichtung selbst zur Entleerung des angefallenen Schlamms, bestehend aus abgeschiedenen magnetisierbaren und nicht magnetisierbaren Teilchen, nicht geöffnet werden muß und während dieses Wartungsvorgangs weder eine Abstellung der Strömung im Hauptkreislauf noch im Bypass erforderlich ist. Auch ist positiv zu bewerten, dass hinsichtlich Flüssigkeitsverlust bei den Wartungarbeiten maximal der geringe Inhalt des Sammelbehälters abzüglich des beträchtlichen Feststoffanteils nachträglich nachgespeist werden muß. Ein Einsatz von Chemikalien wird nicht benötigt.

Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht der wesentlichen Teile einer bestimmten Ausführungsart der Vorrichtung ohne inneren Verdrängungskörper

Fig. 2: einen horizontalen Schnitt durch eine Ausführung der Vorrichtung mit innenliegendem Verdrängungskörper in Höhe der Achse der Anströmöffnung

Zu der Zeichnung nach Fig. 1 gehört ein Rohrteil 1 aus nicht magnetisierbarem Material mit einer tangentialen Anströmöffnung 2 für ein flüssiges mit Gasblasen und Teilchen behaftetes Medium, mit einer Austrittsöffnung 3 und einem Elektromagneten 4.

Am oberen Ende von Rohrteil 1 befindet sich eine Entlüftungseinheit, bestehend aus Absperrvorrichtung 5 und automatisch arbeitendem Ventil 6.

Das untere Ende von Rohrteil 1 ist asymmetrisch konisch ausgeführt und wird von einem Kugelhahn 8 abgeschlossen, der mit einem abnehmbaren Schlammsammelbehälter 9 in Verbindung steht. Zentrisch im Innern von Rohrteil 1 ist ein zylindrischer Verdrängungskörper 10 aus nicht magnetsierbarem Material so justiert, dass der Weg des absinkenden Schlammes in den Sammelbahälter 9 nicht behindert ist.

Die Vorrichtung wird von oben nach unten von einer Flüssigkeit mit Gasblasen und sowohl magnetierbaren Teilchen als auch solchen, die nicht magnetisierbar sind, schraubenlinienförmig durchströmt.

Aufgrund der tangentialen Anströmung durch die Eintrittsöffnung 2 stellt sich eine Ringströmung ein, die durch den Verdrängungskörper 10 noch verstärkt wird. Unterstützt durch das Zyklonprinzip sammeln sich die Gasbläschen im Zentrum des Wirbels, steigen wegen ihrer geringen Dichte nach oben und treten aus dem flüssigen Medium aus. Auf diese Weise bildet sich unterhalb der oberen Abdeckung des Rohres ein Gas- und Luftpolster, solange, bis durch Öffnen der Absperrvorrichtung 5 das Gas-Luftgemisch durch das automatisch arbeitende Entlüftungsventil 6 entweicht. Die Absperrvorrichtung 5 kann auch ständig geöffnet sein.

Alleine infolge des Zyklonprinzips drängt sich ein Großteil aller mitgeführten Teilchen entlang der Innenwand von Rohrteil 1 und würde sich, unterstützt durch die abwärtsgerichtete Strömung, im konischen Teil 7 von Rohrteil 1 absetzen, wo die Möglichkeit besteht, sich im Behälter 9 bei geöffnetem Kugelhahn 8 zu sammeln.

Besonders zur Abscheidung der restlichen magnetisierbaren Feinteilchen aus dem flüssigem Medium wird deshalb durch Anlagen einer Gleichspannung an den Elektromagneten 4 ein Magnetfeld aufgebaut. Dadurch wird erreicht, dass sämtliche magnetisierbaren Anteile innerhalb des Einflussbereichs, in dem der Magnetismus wirkt, an den Rand gezogen und dort festgehalten werden und im Verlauf der Einwirkungsdauer des Magnetfeldes eine Schicht 12 aufbauen. Nach entsprechender Zeit, die in den beabsichtigten Anwendungsfällen bis zu mehreren Wochen oder Monaten betragen kann, wird der Stromfluss und damit die magnetische Anziehungskraft unterbrochen mit der Folge, dass der bis dahin angesammelte Schlamm 12 beginnt nach unten abzusinken und sich im Behälter 9 anzusammeln. Letzterer Effekt ist innerhalb relativ kurzer Zeit, d. h. in wenigen Minuten abgeschlossen und der gesamte Vorgang kann von Neuem beginnen. Bei entsprechender Auslegung des Volumens von Sammelbehälter 9 kann die Wartungsfrist für Entleerung und Reinigung bis auf mehrere Jahre ausgedehnt werden.

In Fig. 2 ist eine Art der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bestehend aus Rohrteil 1, der Zuströmleitung 2, der Abströmleitung 3, dem Elektromagneten 4 und einer Schlammschicht 12 durch einen Horizontalschnitt durch die Achse von Anströmöffnung 2 der Fig. 1 dargestellt. Durch Wiedergabe des in diesem Fall eingebauten Verdrängungskörpers 10 wird der Ringspalt 11 zwischen der Innenseite von Rohrmantel 1 und dem Verdrängungskörper 11 veranschaulicht.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Gasen und festen Stoffen aus flüssigen Medien, bestehend aus einem senkrecht angeordneten zylindrischen Hohlkörper (1) aus nicht magnetisierbarem Material, mit zwei seitlich angeordneten Stutzen (2) und (3), von denen der obere (2) einen Einlaß und der untere (3) einen Auslaß für das flüssige Medium darstellt, wobei sich am äußeren Mantel des Hohlkörpers (1) eine Magnetspule (4) befindet.

2. Vorrichtung nach Anspruch, dadurch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der senkrecht stehende zylindrische Hohlkörper (1) trichterförmig nach unten verjüngt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Stutzen (2) tangential angesetzt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Umfang mehrere Magnetspulen (4) angebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (4) als über den Hohlkörper (1) gestülpte enganliegende Ringspule ausgebildet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Stutzen (3) geringfügig in den Innenraum des Hohlkörpers (1) hineinragt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zentrisch in den Hohlkörper (1) ein Verdrängungskörper (10) aus nicht magnetisierbarem Material unter Ausbildung eines Ringspaltes (11) eingesetzt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der obere Abschluß des Hohlkörpers (1) mit einer Entlüftungsvorrichtung (6) versehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsvorrichtung (6) mit einem Rückschlagventil (5) ausgerüstet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende (7) trichterförmig asymmetrisch ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass das untere Ende des Hohlkörpers (1) als abnehmbarer Behälter (9) mit dazwischenliegender Absperrvorrichtung (8) ausgeführt ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden des Behälters (9) mit einem Dauer- oder Elektromagneten versehen ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie in Kühl- oder Heizkreisläufen verwendet werden kann.