DE2140331B2 - Schleudertrommel fur eine Gas zentrifuge - Google Patents

Description

lung des äußeren Zylinders 3 die Glasfasern ohne Strecke R-N gekennzeichnet ist, erheblich geringer Einhaltung eines bestimmten Winkels in Umfangs- als bei alleiniger Belastung des Zylinders. Die zurichtung aufgewickelt werden. Dies ist insofern vor- lässige Spannung für eine aus dem inneren Zylinder teilhaft, als dadurch eine unerwünschte Verringerung imd dem äußeren Zylinder zusammengesetzten der Umfangs-Zugfestigkeit sowie des Elastizitätsmo- 5 Schleudertrommel 1 ist durch die Strecke S-N geduls und mit diesem eine Verringerung der zulässi- kennzeichnet, wobei S den Punkt darstellt, welcher gen Drehzahlen verhindert werden kann. die Strecke A-R im Verhältnis U U₁ (Fi g. 2), d. h.

Ausreichende Trennergebnisse können bei einer im Verhältnis der Dicke t, des äußeren Zylinders 3 derartigen Schleudertrommel mit einer Umfangsge- zur Dicke I₁ des inneren" Zylinders 2 teilt. Diese schwindigkeit von mehr als 400 m/s erzielt werden. io durchschnittlich zulässige Spannung S-N ist geringer Praktisch ist es jedoch unmöglich, die Schleuder- als die zulässige Spannung A-N für den inneren Zytrommel mit so hoher Umfangsgeschwindigkeit um- linder, wenn dieser allein belastet wird. Daher ist es laufen zu lassen, da der innere Zylinder und der äu- schwierig, eine Umfangsgeschwindigkeit für eine ßere Zylinder verschiedene Spannungs-Dehnungs- Schleudertrommel in einer Zentrifuge zur Trennung Charakteristiken aufweisen. Bei der in F i g. 1 dar- 15 von gasförmigen Substanzen anzugeben,
gestellten Schleudertrommel ist bei Stillstand der Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird die Schleudertrommel im inneren und äußeren Zylinder Innenfläche der Schleudertrommel erfindungsgemäß die Umfangsspannung und -dehnung Null. Der in- einem Innendruck ausgesetzt, welcher eine Verfornere und der äußere Zylinder wird nun getrennt be- mung der gesamten Trommel in ihrer Umfangsrichtrachtet und zur Erzeugung einer Umfangsverfor- 20 tung und gleichzeitig eine plastische Verformung des mung der jeweiligen Zylinder belastet. Für diesen inneren Zylinders in Richtung auf den äußeren Zy-FaIl sind die Spannungs-Dehnungs-Diagramme des linder bewirkt. In diesem Fall ist der innere und äuinneren und des äußeren Zylinders durch Kurven α ßere Zylinder um im wesentlichen den gleichen Be- und b in F i g. 3 gezeichnet. Wenn z. B. der innere trag verformt, da die Dicke t der Trommel gegen-Zylinder mit hoher Drehzahl umläuft, wird auf 25 über ihrem Durchmesser d außerordentlich klein ist. Grund der wirksamen Zentrifugalkraft eine Um- Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm für die fangsspannung und Dehnung erzeugt, die längs der Schleudertrommel im Betrieb wird nun an Hand der Kurve Q-A-B verläuft und beim Punkt C endet, an Fig. 3 erläutert. Wenn die Trommel zur Erzeugung welchem der Zylinder zerstört wird. Der Punkt A einer Umfangsdehnung 0-P im inneren Zylinder zur kennzeichnet die Elastizitätsgrenze. Sobald die Be- 30 plastischen Verformung desselben einem Innenlastung am Punkt B oberhalb des Punktes A zurück- druck ρ ausgesetzt wird, dann ändert sich das Spangeht, verringert sich die Spannung und Dehnung ent- nungs-Dehnungs-Verhältnis im inneren Zylinder aus lang der Kurve B-H-I, wobei ein stabiler Zustand Extra-Super-Duraluminj längs der Kurve Q-A-B bis im Punkt / erreicht wird, bei welchem die Spannung zur Erzeugung einer durch die Strecke B-P gekenn-NuIl ist. Der innere Zylinder wird somit einer pla- 35 zeichneten Umfangsspannung. In diesem Fall ist der stischen Verformung der Größe 0-/ unterworfen. Zylinder einer plastischen Verformung außerhalb der

Wenn der äußere Zylinder in gleicher Weise be- Elastizitätsgrenze A ausgesetzt.

lastet wird, ändern sich die Umfangsspannungen und Andererseits ändert sich die Spannung und die -dehnungen längs der Kurve Q-D-E-F, welche im Dehnung im äußeren Zylinder längs der Kurve wesentlichen bis zum Punkt G, an welchem der Zy- 40 QR-D-E-F zur Erzeugung einer Dehnungsspannung linder zu Bruch geht, gerade verläuft. Sobald die Be- F-P. Sobald der Innendruck aufhört, ändert sich die lastung von einem vor dem Punkt G liegenden Punkt Spannung und Dehnung im inneren Zylinder entlang der Kurve zurückgeht, wird auch die Spannung und der Kurve B-H-I-J. Ein stabiler Zustand wird im Dehnung bis zum Punkt 0 reduziert. Eine plastische inneren Zylinder im Punkt / erreicht, in welchem die Verformung tritt bei dem äußeren Zylinder daher 45 Spannung auf Null reduziert wird, falls der äußere nicht auf. Werden der innere und der äußere Zylin- Zylinder nicht vorhanden ist. Da jedoch der äußere der wieder belastet, dann folgt die Spannung und Zylinder an diesem Punkt / noch einer Spannung unDehnung im inneren Zylinder der Kurve I-H'-B', terworfen ist, wird der innere Zylinder bis zum wobei eine fortschreitende Vergrößerung der Verfor- Punkt J deformiert, wobei eine Druckkraft entspremung im Zylinder auftritt. Der Bruchpunkt C wird 50 chend der Strecke J-L auftritt. Wenn die Belastung erreicht, wenn die Belastung und Entlastung öfter des äußeren Zylinders aufhört, verläuft die Spannung wiederholt wird. Der innere Zylinder muß daher bei und Dehnung längs der Kurve F-E-D, wobei der einer Spannung unter dem die Elastizitätsgrenze dar- Rückgang im Punkt D aufhört, an welchem die auf stellenden Punkt A betrieben werden. den Zylinder wirkende Zugspannung D-L im Gleich-

Der äußere Zylinder kann wiederholten Be- und 55 gewicht mit der auf den inneren Zylinder wirkenden Entlastungen ausgesetzt werden, onne daß irgendeine Druckspannung J-L steht. Das Verhältnis in der auf plastische Verformung auftritt. Wie aus Kurve b her- den inneren Zylinder einwirkenden Spannung J-L vorgeht, kann die Belastung jedoch nur so weit er- zur Spannung D-L des äußeren Zylinders wild befolgen, daß der Punkt G nicht erreicht wird. stimmt vom Verhältnis der Dicke I₁ des inneren Zy-

Im folgenden wird das Spannungs-Dehnungs-Dia- 60 linders zur Dicke t₂ des äußeren Zylinders nach folgramm für die aus einem inneren und einem äußeren gender Gleichung:
Zylinder bestehende Schleudertrommel 1 in Ver- — JLIDL = t It
bundkonstruktion diskutiert. Auch in diesem Fall ist ²' *'
die Elastizitätsgrenze A des inneren Zylinders, wie Bei einem erneuten Ansteigen des Innendruckes ρ oben beschrieben, der maßgebende Faktor, wobei die 65 J_n der Trommel zur Erzielung einer weiteren Defor-Dehnung an diesem Punkt durch die Strecke Q-N mation in Umfangsrichtung ändert sich die Spannung charakterisiert ist. Daher ist die auf den äußeren Zy- und Dehnung im inneren Zylinder gemäß der Kurve linder einwirkende Spannung, welche durch die J-K-H. Wenn daher der innere Zylinder über den

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Punkt H hinaus deformiert wird, dann ändert sich die Schleudertrommel ist gegeben durch die folgende das Spannungs-Dehnungs-Verhältnis zum Punkt C Gleichung und ist maximal
hin anstatt zu Punkt B. Eine Wiederholung der Be-
und Entlastungen in diesem Zustand führt zum Zerstören des inneren Zylinders. Die Umfangsverfor- 5 g _ h&i + Ma ,γ>
mungen, denen der innere Zylinder wiederholt aus- O₁' ■ ε₂ '
gesetzt wird, sollten sich daher im Bereich H-I-J-K-H
bewegen. Der äußere Zylinder sollte allein im Be-

reich D-E deformiert werden. Die Durchschnittsurn- _{Wenn ferner das ifische Gewicht des inneren}

fangsspannung und -dehnung in der Schleudertrom- io _{Zylinders nicht sehr vom spezinsche}n Gewicht des

mel sind durch die Punkte L und Q gekennzeichnet _{äußeren Zylinders abwei}cht, kann die durchschnitt-

und zwar, wenn die Trommel in Ruhe steht und _{Uche Zugfestigkeit δ der Trommel mit einem Dicke}.

wenn sie mit maximaler Drehzahl umlauft. Zwischen _{verhältnis von t/t n}°_ach Gleichung (1) durch die Be-

diesen beiden Maximalwerten ändert sich die durch- _zi_ehung
schnittliche Spannungsdehnung der Trommel längs 15

der KurveL-Q- Obgleich das durchschnittliche Span- _ij(5_i ^. _t^

nungs-Dehnungs-Diagramm für die Trommel vom <5₀ =

Wert der Verformung 0-P des inneren Zylinders be- *ι7Ί + '«V«

stimmt ist, wenn dieser plastisch deformiert wird.

gibt es bestimmte Grenzen im Spannungs-Dehnungs- ao

Diagramm H-I-J-K-H für den inneren Zylinder in dargestellt werden, worin γ_ί und γ₂ jeweils das spe-

Ruhelage sowie der Spannung E-M und der Dehnung zifische Gewicht des inneren und äußeren Zylinders

0-M des äußeren Zylinders 3 im Betrieb. und die spezifische Zugfestigkeit maximal ist.

Diese Grenzen werden im folgenden erläutert: Es ist dargelegt worden, daß die durchschnittliche Vorausgesetzt, daß E₁ (= ML), O₁ (= HM) und as zulässige Spannung für eine Schleudertrommel nach S₁'(= JL) die zulässige Dehnung, die zulässige Zug- der Erfindung durch die Strecke Q-M in Fig. 3 gespannung sowie die zulässige Druckspannung im kennzeichnet ist. Falls der innere Zylinder keiner Spannungs-Dehnungs-Diagramm für den inneren Zy- plastischen Verformung unterworfen wird, ist die zulinder darstellen, und daß ε₂(= MO) und <5₂ (= EM) lässige Verformung der Trommel gleich der Strecke die zulässige Dehnung bzw. die zulässige Spannung 30 0-M, welche der Elastizitätsgrenze des inneren Zyim Dehnungs-Spannungs-Diagramm für den äußeren linders entspricht. In diesem Fall ist die durchZylinder 3 sind, ist das Verhältnis der Dicke i_t des schnittlich zulässige Spannung für die Trommel inneren Zylinders 2 zur Dicke f₂ des äußeren Zylin- gleich der Strecke F-N, wobei sich das Spannungsders 3 gegeben durch Dehnungs-Verhältnis, wie beschrieben, entlang der

35 Kurve 0-5 ändert. Es ist ersichtlich, daß somit eine

t — <5₂(ε₂ — E₁) Trommel, deren innerer Zylinder gemäß der Erfin-

~ ⁼ J~, · 0) dung plastisch verformt wurde, eine erheblich hö-

'* * '^Ea here Umfangsgeschwindigkeit aushalten kann, als

eine Trommel, deren innerer Zylinder plastisch nichi

Die durchschnittliche Zugspannung δ (= QM) für 4° verformt wurde.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

^; M 9

Claims (3)

•»ν 1 2 Patentansprüche· ausgebildete Schleudertrommeln für die Trennung von UF6 ungeeignet sind.

1. Schleudertrommel einer Gaszentrifuge, be- Es ist ein Verfahren zur Herstellung von rotastehend aus einem inneren Metallzylinder und tionssymmetrischen Hohlkörpern aus einem durch einem äußeren Zylinder aus faserverstärktem 5 Wärme härtenden Kunstharz bekannt, bei dem die Kunststoff, welche durch Verformung des Metall- fließfähige Kunstharzmasse in einer rotierendenHohlzylinders gegeneinander radial verspannt sind, form durch Zentrifugalkräfte an der Innenwand der dadurch gekennzeichnet, daß der Me- Hohlform ausgebreitet und durch Erhitzen gehärtet tallzylinder (2) bis in seinen plastischen Bereich wird (schweizerische Patentschrift 296 748). Zur Erverformtist io ziehrag besonderer Eigenschaften der Hohlkörper

2. Schleudertrommel nach Anspruch 1, dadurch können den Kunstharzmassen gegebenenfalls Glasgekennzeichnet, daß der innere Zylinaer (2) aus fasern zugesetzt werden. Besondere Füllmittel und einer hochfesten Aluminiumlegierung und der Kunstharzmassen können auch nacheinander oder äußere Zylinder (3) aus glasfaserverstärktem abwechselnd in die Hohlform eingebracht werden, Epoxydharz besteht 15 so daß mehrschichtige Hohlkörper entstehen. Eine

3. Verfahren zur Herstellung der Schleuder- feste Verbindung beispielsweise des äußeren Metalltrommel nach Anspruch 1 ouer 2, dadurch ge- zylinders der Form mit den Kunstharzmassen bzw. kennzeichnet, daß der Metallzylinder (2) durch den Füllstoffen ist jedoch nicht vorgesehen.

einen Innendruck (p) bis in seinen plastischen Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schleudertrom-

Bereich verformt wird. 20 mel für Gaszentrifugen zu schaffen, bei welcher die

zulässigen Festigkeiten, insbesondere die zulässige

Zugfestigkeit in Umfangsrichtung im Betrieb verbessert ist. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße

Die Erfindung betrifft eine Schleudertrommel einer Schleudertrommel eine ausreichende mechanische Gaszentrifuge, bestehend aus einem inneren Metall- 25 Festigkeit gegen axial gerichtete Zugspannungen bezylinder und einem äußeren Zylinder aus faserver- sitzen, die im Betrieb auftreten,
stärktem Kunststoff, welche durch Verformung des Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch

Metallzylinders gegeneinander radial verspannt sind. gelöst, daß der Metallzylinder bis in seinen plasti-

Eine derartige Schleudertrommel ist bereits durch sehen Bereich verformt ist. Dies geschieht in vorteildas ältere deutsche Patent 1943 820 geschützt. 30 hafter Weise durch Erzeugen eines Innendruckes ρ

Bei der Konzentrierung von UF₆ durch Zentrifu- im Metallzylinder, der sich dadurch bis in seinen piagieren hat sich gezeigt, daß dieses Verfahren wirt- stischen Bereich verformt.

schaftlicher als das Gas-Diffusions-Verfahren ist, Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der

wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Schleuder- Zeichnung dargestellt. Es zeigt
trommel der Zentrifuge größer als 400 m/s beträgt. 35 F i g. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht der Das Trennvermögen ändert sich proportional zur vier- Schleudertrommel,

ten Potenz der Umfangsgeschwindigkeit der Schleuder- Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie III-III in

trommel, d. h., schon eine geringfügige Vergrößerung Fig. 1,

oder Verkleinerung der Umfangsgeschwindigkeit führt Fig. 3 ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm der

zu einer erheblichen Änderung des Trennerfolges. Da- 40 Schleudertrommel bei der Herstellung, im Betrieb her sind erhebliche Anstrengungen zur Vergrößerung und im Stillstand.

der Umfangsgeschwindigkeit von hochtourig umlau- Die Schleudertrommel 1 weist eine sogenannte

fenden Schleudertrommeln in derartigen Zentrifugen Verbundstruktur auf und besteht aus einem inneren gemacht worden, wobei Verbesserungen der mechani- Zylinder 2 aus einem Metall, wie beispielsweise sehen Festigkeit der Trommel als wichtigstem Merk- 45 Extra-Super-Duralumin mit hoher spezifischer Zugmal zum Erreichen der gewünschten größeren Um- festigkeit. Dieses Metall ist plastisch verformbar und fangsgeschwindigkeit im Vordergrund standen. Hier- wird von dem bei der Zerlegung von UF„ entstezu ist es erforderlich, die Schleudertrommel aus einem henden HF nicht angegriffen. Der innere Zylinder 2 Material herzustellen, das eine große Ringzugfestig- wird von einem äußeren Zylinder 3 umgeben, welkeit, ein geringes spezifisches Gewicht und somit eine 50 eher aus Kunststoff, beispielsweise Epoxydharz, behohe spezifische Zugfestigkeit besitzt. Metalle, wie steht und dessen Außenmantel durch ein Fasermaz. B. hochfeste Aluminiumlegierungen, sowie nicht- terial, wie beispielsweise Glasfaser, verstärkt ist. metallische Materialien, wie z. B. synthetische, an Diese Bauweise hat den Vorteil, daß der äußere Zyseiner Umfangsfläche durch Glasfasern verstärkte Under 3 auch Umfangsgeschwindigkeiten von mehr Harze, haben sich als vorteilhafteste Materialien zur 55 als 400 m/s aushalten kann und der innere Zylinder 2 Ausbildung von Schleudertrommeln für Gaszentri- die axialen Zugspannungen aufnimmt und darüber fugen erwiesen. Eine Schleudertrommel aus einer hinaus die Glasfasern vor dem korrosiven Gas hochfesten Aluminiumlegierung besitzt eine ausrei- schützt.

chende spezifische Festigkeit, die einer Umfangsge- Bei herkömmlichen Verfahren zur Herstellung

schwindigkeit von bis 400 m/s widerstehen kann. 60 von Zylinderkörpern durch Bewickeln des Außen-Eine Schleudertrommel aus glasfaserverstärktem mantels mit Glasfasern od. dgl. wurden zur Erzie-Kunstharz besitzt dagegen eine ausreichend hohe lung einer Zugfestigkeit in Umfangs- ebenso wie in spezifische Zugfestigkeit, durch die die Trommel auch Axialrichtung die Glasfasern unter einem Winkel gehöhere Umfangsgeschwindigkeiten als 400 m/s aus- genüber der Umfangsrichtung gewickelt, um dadurch halten kann. Nachteilig ist jedoch, daß Glasfasern 65 die erforderliche Zugfestigkeit in beiden Richtungen außerordentlich leicht von dem korrosiven HF-Gas zu erhalten. Bei dem Erfindungsgegenstand besitzt angegriffen werden, welches sich aus dem UF₆ in dagegen der innere Zylinder 2 die erforderliche Gegenwart von Feuchtigkeit bildet, so daß derartig axiale Zugfestigkeit. Somit können bei der Herstel-