DE2129786B2 - Gegenstrom Gaszentrifuge - Google Patents
Gegenstrom GaszentrifugeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Gegenstrom-Gaszentrifuge,
z. B. mit thermischer Gegenstromerzeugung, mit Zuführung des Gasgemisches etw*. in der Mitte der r,
Trommellänge und Abführung der Gaskomponenten auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Trommel.
Aus der deutschen Patentschrift 8 33 487 ist eine derartige Gaszentrifuge bekannt, bei der das Gasgemisch
aus einer achsnahen öffnung eines die Trommel axial durchsetzenden Rohres in die Trommel eingeführt
wird. Die Ableitung der getrennten Gaskomponenten geschieht durch öffnungen der Trommel, die außerhalb
des Zuführungsrohres für das Gasgemisch angeordnet sind. Um eine technisch auswertbare Gastrennung zu 4r>
erreichen, müssen mehrere derartige Gaszentrifugen hintereinandergeschaltet werden. Aus der US-PS
32 51 542 ist eine ähnliche Gaszentrifuge bekannt, bei der das Zuführungsrohr für das Gasgemisch axial von
einem Ableitungsrohr für eine der getrennten Gaskom- w
ponenten durchsetzt und von außen von einem weiteren Rohr umgeben ist, durch das die andere getrennte
Gaskomponente abgeleitet wird. Die Zugangsöffnungen zu diesen Ableitrohren befinden sich in der Nähe
des Mantels der Zentrifugentrommel an dem gegen- -,5 überliegenden Trommelstirnwänden. Das Zuführungsrohr mündet in der Mitte der Trommellänge nahe der
Trommelachse. Um eine verwertbare Trennung des Gasgemisches zu erhalten, müssen auch bei dieser
Anordnung mehrere Stufen hintereinandergeschaltet werden.
Bekanntlich ist die theoretische Abscheideleistung einer Gaszentrifuge proportional der Trommellänge in
axialer Richtung und der vierten Potenz einer Umfangsgeschwindigkeit (/bwo)4 des Gases, wobei mit ro e>->
der innere Radius der Trommel und mit oj0 die
Winkelgeschwindigkeit der Trommel bezeichnet ist.
In Wirklichkeit ist jedoch die erziclbare Abscheideleistung
wesentlich kleiner als der oben aufgezeichnete theoretische Wert. Das liegt daran, daß sich kein
vernünftiger Gegenstrom und kein entsprechendes Fließverhalten erzielen läßt. Da aufgrund der Gaszuführung
eine auswärtige radial gerichtete Gasströmung von der Hohlwelle zum Mittelteil der Trommel existiert,
weiche das demnächst zu verarbeitende Gasgemisch enthält, hat der größte Teil der Gasmenge eine
geringere Winkelgeschwindigkeit als die Trommel selbst.
Für den Fall, daß keine Gaszufuhr in und keine Gasentnahme aus der Trommel erfolgt, sorgt die
Viskosität des Gases dafür, daß die in Berührung mit der zylindrischen Trommelwand befindliche Gasmenge im
-vesentlichen die gleiche Winkelgeschwindigkeit annimmt wie die Trommelwandung. Dieser Teil der in
kreisförmiger Bewegung befindlichen Gasmenge überträgt diese Bewegung aufgrund der Viskosität auf einen
inneren ringähnlichen Teil der Gasmenge. Dadurch erreicht das Gas in der Trommel eine Winkelgeschwindigkeit,
weiche gleich der Trommel-Winkelgeschwindigkeit im gleichförmigen Zustand ist. Sobald aber eine
Zufuhr von Gas in den Mittelabschnitt der Trommel erfolgt und ein radial nach außen gerrichteter Strom
entsteht, weist der größte Teil der in der Trommel befindlichen Gasmenge eine geringere Winkelgeschwindigkeit
als die Trommel selbst auf. Diese Erscheinung läßt sich in die Rechnung einbeziehen,
wenn man die Viskosität des Gases berücksichtigt
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei der eingangs genannten Gegenstrom-Gaszentrifuge
die Abscheideleistung zu verbessern.
Erfindungsgemäß ist hierfür vorgesehen, daß die Zuführung des Gasgemisches nahe der zylindrischen
Trommelwand mündet, während die Auslässe für die Gaskomponenten auf erheblich kleineren Radien liegen,
also etwa auf dem halben Trommelradius. Damit gelingt eine erhebliche Zunahme der Drehbeschleunigung des
zu trennenden Gasgemisches und Hglich eine bessere Annäherung an die theoretische Abscheideleistung. Bei
gleicher geforderter Abscheidele'stung einer Anlage kann die Anzahl der hintereinanderzuschaltenden
Stufen verringert werden.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Anschließend wird nun ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Gegenstrom-Gaszentrifuge
in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, welche eine wesintlich höhere Abscheideleistung
erbringt. Es zeigt
Fig. I einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Zentrifugal-Gasabscheider,
Fig.2 einen Querschnitt im Verlauf einer Ebene H-Il
durch den Gasabscheider von Fig. 1,
Fig.3 eine grafische Darstellung mit verschiedenen,
vom radialen Abstand abhängigen Winkelgeschwindigkeiten für Gas innerhalb einer Zentrifugen-Trommel,
wobei auf der Ordinate das Verhältnis zwischen den Winkelgeschwindigkeiten des Gases und der Trommel,
und auf der Abszisse der radiale Abstand von der Längsachse der Trommel aufgetragen ist, und
Fig.4 einen Querschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel.
In den einzelnen Figuren der Zeichnung sind identische oder entsprechende Einzelheiten mit gleichen
Bezugszahlen versehen.
In F i g. T ist eine in einem Gehäuse 11 untergebrachte
Zentrifugen-Trommel 10 dargestellt. Dieses Gehäuse It
ist als Vakuumbehälter ausgebildet und besitzt einen Deckel 12 und einen Boden 13. Im Deckel 12 und Boden
13 befindet sich je eine zentrale Lagerung 14 und 15 mit dämpfenden und abdichtenden Eigenschaften zur
drehbaren Lagerung einer Welle für die Zentrifugen-Trommel 10, die aus zwei Halbwellen 16 und 17 gebildet
wird. Die beiden Lagerungen 14 und 15 können aus je einem Lager bestehen, das an seiner äußeren Stirnseite
federnd im Gehäuse 11 aufgehängt und mit einem Dichtelement, beispielsweise mit einer Stirnflächendich- ι ο
tung, abgedichtet ist.
Die Zentrifugen-Trommel 10 setzt sich aus einer zylindrischen Wandung 18, einem oberen Deckel 19, in
dessen Mitte die hohle Haibwelle 16 befestigt ist, durch
die ein Gasgemisch in das Innere der Zentrifugen-Trommel
10 eingeführt wird, und aus einem unteren Deckel 20, in dessen Mitte die Halbwelle 17 befestigt ist,
zusammen. Der obere Deckel 19 besitzt eine mit der Innenbbbohrung der hohlen Haibwelle 16 fluchtende
Zentralbohrung 19a und, von dieser ausgehend, mehrere radial verlaufende Kanäle ISi.
Der obere Deckel 19 der Zentrifugen-Troumel 10 kann entweder aus einer einzelnen Platte oder aus zwei
Teilen, nämlich einer oberen und einer unteren Scheibe zusammengesetzt sein. Im letzteren Falle kann die
untere Scheibe Teil eines inneren Zylindereinsatzes 21 der Zentrifugen-Trommel 10 sein. Dieser innere
Zylindereinsatz 21 erstreckt sich mit seiner axialen Länge über etwa die halbe Trommellänge und ist so
koaxial innerhalb der Zentrifugen-Trommel 10 befe- jo stigt, daß zwischen seiner äußeren zylindrischen
Wandung und der Innenseite der zylindrischen Wandung 13 der Zentrifugen-Trommel 10 ein enger
ringförmiger Zwischenraum 22 verbleibt Der Zylindereinsatz 21 kann an seinem oberen und unteren Rand mit r>
räumlich verteilten Ansätzen versehen sein, welche eine sichere Befestigung des Zylindereinsatzes 21 im Innern
der Zentrifugen-Trommel 10 gestatten. Der Innenraum der Zentrifugen-Trommel 10 ist über den ringförmigen
Zwischenraun. 22 und die Kanäle 196 mit der Zentralbohrung 19a im Deckel 19 verbunden, so daß
durch die hohle Halbwelle 16 zugeführtes Gasgemisch über die Zentralbohrung 19a, die Kanäle 19/?, und den
Zwischenraum 22 am unteren Ende des Zylindereinsatzes 21 in den Innenraum der Zentrifugen-Trommel 10 -n
gelangen ka;in. Während das Gas durch die Kanäle \9b
und den Zwischenraum 22 einfließt, nimmt es kinetische Energie von der rotierenden Zentrifugen-Trommel 10
auf. Seine Winkelgeschwindigkeit ist im wesentlichen gleich der Winkelgeschwindigkeit der zylindrischen -,0
Trommelwandung 18, wenn es durch einen ringförmigen Auslaß 22a an der Unterkante des Zylindereinsatzes
21 in den freien Innenraum der Zentrifugen-Trommel 10 einfließt.
Wie insbesondere F i g. 2 erkennen läßt, befinden sich -,-> im oberen Deckel 19 einige kreisförmig um die
Zentralbohrung 19a verteilte und etwa auf halbem Wege zwischen dieser Zentralbohrung 19a und dem
äußeren Umfang liegende enge Durchlässe 19c, weiche in axialer Richtung durch den oberen Deckel 19 *>o
hindurchführen. Diese Durchlässe 19c sind so verteilt, daß sie keine Verbindung mit den radialen Kanälen 196
des oberen Deckels 19 haben. Die Durchlässe 19c dienen als Auslässe für abgetrenntes Gas. Der dem
oberen Deckel 19 gegenüberliegende untere Deckel 20 1,-,
besitzt ebenfalls eine Anzahl von engen Durchlässen 20a, welche den zuvor bes' hriebenen Durchlässen 19cin
Größe und Anordnung ähnlich sind.
Im Inneren des Gehäuses 11 befinden sich zwei ringförmige Trenneinsätze 23 und 24, weiche mit der
zylindrischen Wandung 18 der Zentrifugen-Trommel 10 an deren Enden jeweils einen schmalen Spalt bilden und
somit den zwischen der Außenwand der Trommel 10 und der Innenwand des Gehäuses 11 befindlichen freien
Raum in eine zylinderförmige Kammer 25 zwischen den beiden Trenneinsätzen 23 und 24, in eine obere Kammer
27 und eine untere Kammer 28 aufteilen. Durch einen Einlaß 26 wird ein Gasgemisch zugeführt, beispielsweise
Helium. Die beiden Trenneinsätze 23 und 24 verhindern das Abfließen dieses Gasgemisches in die benachbarten
Kammern 27 und 28. In der oberen Kammer 27 und in der unteren Kammer 28 befinden sich getrennte Gase,
die mit einer geringen Helium-Gasmenge aus der Kammer 25 durch je einen Auslaß 29 und 30 abgeführt
und einer nachfolgenden Verarbeitungsstufe zugeführt werden.
Ferner befinden sich in der oberen Kammer 27 eine Kühleinrichtung 31 zum Kühlen des e':sren Deckels 19
und in der unteren Kammer 28 eine Heizeinrichtung 32 zum Beheizen des unteren Deckels 20. Hierdurch wird
eine thermische Konvektion erzielt und damit ein Gegenstrom in Umlauf gebracht. Der Temperaturunterschied
zvischen dem oberen Deckel 19 und dem unteren Deckel 20 kann in der Größenordnung von 10 bis 200C
liegen.
Im Betrieb des erfindungsgemäßen Zentrifugal-Gasabscheiders
wird die Zentrifugen-Trorrunel 10 durch geeignete Mittel, beispielsweise einen Elektromotor mit
extrem hoher Drehzahl angetrieben, damit die Gasfüllung in der Trommel einer hohen Zentrifugalkraft
unterworfen wird und eine Auftrennung der Gase erfolgt, bei der das Gas mit den leichteren Molekülen
nach innen und das Gas mit schweren Molekülen nach außen strebt; dies ist eine Folge der Druckdiffusion.
Gleichzeitig fließt, da der obere Deckel 19 etwas kühler als das Gas ist, das Gas durch thermische
Konvektion dort radial nach außen. In analoger Weise bewegt sich das Gas in der Nähe des unteren Deckels
20, ν sicher wärmer als das Gas ist, aufgrund der thermischen Konvektion radial nach innen. Infolgedessen
fließt das Gas zwischen den beiden Deckeln in der Nähe der Rotationsachse aufwärts und das Gas in der
Nähe der Trommelwandung 18 in einem lelativ konstanten Strom abwärts.
Eine weitere Folge dieser Vorgänge ist, daß sich das leichtere Gas in der Nähe des oberen Deckels 19
ansammelt und durch die Durchlässe 19c hindurch in die obere Kammer 27 einfließt. Diese leichtere Gasmenge
fließt mit einer kleinen Gasmenge, welche zusätzlich durch den Spalt zwischen der Wandung 18 und dem
ringförmigen Trenneinsatz 23 aus der Kammer 25 eindringt, aus der oberen Kammer 27 über den Auslaß
29 ab, um danach wieder in einem geeigneten Separaior voneinander getrennt zu werden. Ein hierfür geeigneter
Separator könnte eine Kühlfalle sein, weiche in der Zeichnung nicht dargestellt ist. In ähnlicher Weise
sammelt sich das se!-were Gas in der Nähe des unteren
Deckels 20 an und gelangt durch die Durchlässe 20a in die untere Kammer 28. Hier mischt sich das schwerere
Gas mit einer geringen Gasmenge aus der Kammer 25, welche eine Wiedervermischting der zuvor getrennten
und jetzt in Kammer 27 und 28 befindlichen Gase wirksam verhindert, ü^er den Auslaß 30 in eine weitere
Verarbeitungsstufe, um dort in ähnlicher Weise wie zuvor beschrieben getrennt zu werden.
Das Gasgemisch gelangt also durch den zylindrischen
Auslaß 22a zwischen Zylindereinsatz 21 und Trommelwandung 18 in das Innere der Zentrifugen-Trommel 10,
während die getrennten Gase einzeln durch die Durchlässe 19c bzw. 20c im oberen Deckel 19 bzw. im
unteren Deckel 20 abgeleitet werden. Mit anderen Worten, die Gaszufuhr erfolgt auf einem großen
Rotationsradius und die Gasabfuhr auf einem kleineren Rotationsradius. Dadurch wird, im ganzen gesehen, eine
radial gerichtete Strömung aufgebaut. Außerdem hat die zugeführte Gasmischung eine Umfangsgeschwindigkeit,
die im wesentlichen der Umfangsgeschwindigkeit der Trommelwandung 18 entspricht.
Bezeichnet man den Innenradius der Trommelwandung 18 mit ro, die Winkelgeschwindigkeit der Trommel
10 mit 0)0, und die Winkelgeschwindigkeit des Gases im
Radius rmit ω, so kann man sagen, daß bei einer radial nach innen gerichteten Strömung des Gasgemisches mit
einer Umfangsgeschwindigkeit von etwa /oWo die
Winkelgeschwindigkeit ω des in der Trommel 10 befindlichen Gases eine Winkelgeschwindigkeit erreicht,
welcher größer ist als ωο. Diese Erscheinung ist in
F i g. 3 grafisch dargestellt. Auf der Ordinate dieses
Schaubildes ist der Quotient —, und auf der Abszisse der
"1O
Radius raufgetragen. Eine Kurve 1 stellt dar, wie stark
bei bekannten Gasabscheidern die Winkelgeschwindigkeit des Gases von der Winkelgeschwindigkeit der
Trommel abweicht, während eine weitere Kurve 2 die günstigen Verhältnisse innerhalb der Trommel 10 des
erfindungsgemäßen Zentrifugal-Gasabscheiders
wiedergibt.
Wie man aus F i g. 3 entnehmen kann, bewegt sich der
größte Teil des Gases innerhalb der Trommel 10 mit einer höheren Winkelgeschwindigkeit als die Trommel
selbst, wodurch die Gastrennleistung wesentlich erhöht wird, weil diese im wesentlichen der vierten Potenz der
Winkelgeschwindigkeit proportional ist.
Der obere Teil der Zentrifugen-Trommel 10 ist mit leichterem Gas und der untere Teil mit schwerem Gas
angereichert, und über die Länge der Trommel in axialer Richtung besteht ein Konzentrations-Gradient von
leichterem zu schwerem Gas. Die Zufuhr von Gasgemisch wird daher vorzugsweise in einer Höhe der
Trommel 10 vorgenommen, wo das Gemisch aus leichterem und schwerem Gas etwa dem zugeführten
Gasgemisch entspricht. Folglich wurde die Länge des inneren Zylindereinsatzes 21 so gewählt, daß sie etwa
der halben inneren Trommellänge entspricht.
Die innere Radialströmung wird durch Verdrängung in radialer Richtung zwischen dem Ort, an dem Gas
abgezogen wird und dem Ort, wo es zugeführt wird, hervorgerufen. Die im oberen Deckel 19 und im unteren
Deckel 20 vorhandenen Durchlässe 19c bzv.\ 20a zur Ableitung der getrennten Gase sind auf einem möglichst
kleinen Radius außerhalb der Rotationsachse angeordnet. Je kleiner jedoch ihr Abstand von der Rotationsachse
ist, desto geringer ist der Gasdruck an diesem Ort,
und um so schwieriger wird die Abfuhr der Gase. Aus diesem Grunde wurde ein Kompromiß geschlossen und
die Durchlässe 19c und 20a auf einem Kreis angeordnet, der etwa dem halben Radius der beiden Deckel 19 und
20 entspricht, zumindest beim vorliegenden Ausführungsbeispiel.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß F i g. 4 verläuft die hohle Halbwelle 16 axial
durch den oberen Deckel 19 hindurch bis in die Trommelmitte hinein. Am freien unteren Ende dieser
hohlen Halbwelle 16 ist ein Verteilerstück 41 befestigt, in dem sich vier in radialer Richtung verlaufende Kanäle
befinden, welche die Innenbohrung der Halbwelle 16 mit je einem Auslaß 42 des Verteilerstückes 41
verbinden. Sämtliche Auslässe 42 liegen dicht an der Innenseite der zylindrischen Wandung 18 der Zentrifugen-Trommel
10. Bei diesem Alisführungsbeispiel benötigt der obere Deckel i9 keine radialen Kanäle i9ö
(wie in Fig. 1), besitzt jedoch nach wie vor Durchlässe
19czur Gasabgabe.
Die Arbeitsweise des in Fig. 4 dargestellten erfindungsgemäßen
Ausführungsbeispiels ist der von F i g. 1 weitgehend ähnlich, so daß sich eine nochmalige
Beschreibung erübrigt.
Obwohl in beiden Ausführungsbeispielen die Deckel 19 und 20 mit mehreren Durchlässen 19c und 20a zum
AbfOJ.vtn der getrennten Gase vorgesehen sind, gibt es für diesen Zweck noch weitere Möglichkeiten.
Eine solcher Möglichkeiten wäre die Verwendung einer hohlen Halbwelle 17. Dan.i führt man durch jede
Halbwelle 16 und 17 je ein feststehendes Rohr so hindurch, daß zwischen Rohr und Innendurchmesser der
hohlen Halbwellen noch ein freier Zwischenraum verbleibt. Beide Rohre führen in den Innenraum der
Trommel 10 und sind dort im rechten Winkel umgebogen und so abgeschnitten, daß ihre Abschlußöffnung
auf einem Ort liegt, der etwa den halben Radius der Trommel 10 aufweist. Zur Vermeidung von
Turbulenzen durch die ortsfesten Rohre innerhalb der Trommel können innerhalb der Trommel durchbohrte
Trennwände so angeordnet sein, daß für jedes der ortsfesten Rohre eine Kammer geformt wird. In diesem
Fall kann die mit Heliumgas gefüllte äußere Kammer 25 mit den beiden Trenneinsätzen 23 und 24 entfallen, weil
bei einem solchen Ausführungsbeispiel keine Wiedervermischung der getrennten Gase außerhalb der
Trommel 10 möglich wäre. Allerdings muß gesagt werden, daß der Aufbau eines solchen Zentrifugal-Gasabscheiders
ziemlich kompliziert ist, außerdem sind Schwierigkeiten bei der Wartung, Inspektion u. jgl. zu
erwarten.
Alle zitierten Ausführungsbeispiele der Erfindung weisen jedoch den eminenten Vorteil auf, daß sich im
Trommelinnern eine radiale Strömung aufbaut und die Gase eine höhere Winkelgeschwindigkeit als die
Trommel selbst annehmen können, so daß die Abscheideleistung wesentlich erhöht werden kann.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Gegenstrom-Gaszentrifuge, ζ. B. mit thermischer
Gegenstromerzeugung, mit Zuführung des Gasgemisches etwa in der Mitte der Trommellänge
und Abführung der Gaskomponenten auf gegenüberliegenden Stirnseiten der Trommel, dadurch
gekennzeichnet, daß die Zuführung des Gasgemisches nahe der zylindrischen Trommelwand ι ο
(18) mündet, während die Auslässe (19c; 2Oa^ für die
Gaskomponenten auf erheblich kleineren Radien liegen, also etwa auf halbem Trommelradius.
2. Gegenstrom-Gaszentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des
Gasgemisches in das Innere der Trommel (10) über einen ringförmigen Spalt (22) erfolgt, der sich
zwischen einem im Inneren der Trommel befestigten Zylindereinsatz (21), dessen axiale Länge etwa gleich
der halbes Trommellänge ist, und der zylindrischen Wandlung (i 8) der Trommel erstreckt.
3. Gegenstrom-Gaszentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zufuhr des
Gasgemisches in die Trommel zunächst über eine in der Rotationsachse der Trommel verlaufende Röhre
(16) und anschließend über nahe der zylindrischen Trcmmelwand (18) ausmündende Kanäle (41, 42)
erfolgt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: KABUSHIKI KAISHA TOSHIBA, KAWASAKI, KANAGAWA, JP |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |