DE2625422A1 - Rueckverwandlung von drallstroemungsenergie in druckenergie - Google Patents
Rueckverwandlung von drallstroemungsenergie in druckenergieInfo
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Description
Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Riickverwandlung von
Drallströmungsenergie in Druckenergie.
Bei Anlagen zur Stofftrennung mittels Fliehkraft tritt beim Verlassen
des Abtrenngehäuses je nach Art der Anlage eine mehr oder weniger stark drallbehaftete Strömung in die Rohrleitungen ein. Da
die Drallenergie innerhalb der Rohrleitung an sich verloren ist, kann es unter Umständen sinnvoll sein, die Drallenergie durch geeignete
Einrichtungen zurückzugewinnen. Hierdurch kann der Energiebedarf der Anlage stark gesenkt werden. Es sind auch schon verschiedene
Lösungen zur Rückverwandlung von Drall- in Druckenergie bekannt geworden.
Es ist in dem vorliegenden Zusammenhang beispielsweise bekannt, sogenannte Dralldiffusoren zu verwenden. Hier wird die Drallströmung
in ein sich erweiterndes Rohr geleitet. Dabei werden die Umfangs- und die Meridiankomponente der Strömungsgeschwindigkeit infolge
der anwachsenden Querschnittsfläche verzögert, so daß Druckenergie
zurückgewonnen werden kann. Der Dralldiffusor hat jedoch den Nachteil ungünstiger Strömungsführung. Außerdem weist die austretende
Strömung noch immer einen Restdrall auf. Hierdurch ist ein unmittelbarer übergang auf eine parallele Rohrströmung nicht
möglich.
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Eine andere Art der Rückgewinnung von Drallenergie arbeitet mit Hilfe eines Spiralgehäuses. Hier tritt die Drallströmung senkrecht
zur Ebene der Spirale in deren Zentrum in das meist flache Gehäuse ein und verläßt dieses durch eine tangentiale Austrittsöffnung. Ein
Nachteil derartiger Gehäuse besteht darin, daß die Strömung auf ihrem Weg vom Zentrum der Spirale zu deren Außenwand ungünstig geführt
ist. Hierdurch treten Strömungsverluste auf, durch die die Wirksamkeit des Gehäuses stark herabgemindert wird. Konstruktive
Nachteile ergeben sich dadurch, daß Ein- und Austrittskanal einen rechten Winkel bilden.
Ein weiteres Verfahren zur Rückgewinnung von Drallenergie arbeitet
mit Hilfe eines Axial-Leitapparates. Hier wird die drehende Rohrströmung
durch Anordnung eines Zentralkörpers in eine Ringströmung
umgewandelt und dann mit Hilfe eines Leitschaufelkranzes in die Längsrichtung umgelenkt. Hierdurch kann die Umfangskomponente weitgehend
abgebaut werden, so daß am Ende des Zentralkörpers eine hinreichend parallele Rohrströmung vorherrscht. Diese Einrichtung arbeitet
jedoch bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten mit größeren Verlusten, da die Umwandlung von Drall- in Druckenergie hier auf
sehr kurzem Strömungsweg erfolgt. Außerdem erfordert die kurze Umwandlungsstrecke
eine sorgfältige Anpassung der Leitschaufeln an einen vorgegebenen Betriebszustand. Bei Abweichungen von diesem
Betriebszustand arbeitet dieser Apparat immer mit höheren Strömungsverlusten.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung
zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie zu realisieren, die sich durch folgende Merkmale auszeichnet:
1. Parallele Rohrströmung am Ausgang der Einrichtung und
2. gute Wirksamkeit auch bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten der Drallströmung.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein drehsymmetrischer
Zentralkörper derart innerhalb einer drehsymmetrischen Erweiterung einer Rohrleitung angeordnet ist, daß der verbleibende
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drehsyiranetrische Hohlraum für ein stromab bewegtes Volunenelement
nacheinander folgende Abschnitte bildet:
1. Einen sanften Übergang von axialer auf radial nach
außen verlaufender Strömung,
2. einen Plattendiffusor,
3. eine ringförmige Umlenkzone,
4. einen Führungsbereich mit radial nach innen gerichteter Strömungskomponente und
5. einen sanften übergang vom Führungsbereich auf axiale Rohrströmung,
wobei im Bereich niedriger Strömungsgeschwindigkeiten Leitschaufeln
mit meridional ausgerichteten Hinterkanten angeordnet sein können.
Die Erfindung ist anhand der folgenden Abbildungsbeschreibung näher
erläutert. Es zeigen
Abb. 1 einen Fliehkraftabscheider mit zwei erfindungsgemäßen Einrichtungen,
Abb. 2 Schnitt Α-Λ aun Abb. 1
Abb. 3 Schnitt B-B aus Abb. 1
Abb. 3 Schnitt B-B aus Abb. 1
Abb. 4 eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemiißen Einrichtung
ohne Beschleunigung im Führungsbereich und
Abb. 5 eine weitere Ausgestaltung mit großem Austrittsquerschnitt.
Abb. 1 und 2 zeigen eine Wirbelabscheidekammer 1 z.B. nach der DT-OS 21 60 415 mit zwei aufgesetzten erfindungsgemäßen Einrichtungen
zur Rückverwandlung von Drallenergie in Druckenergie. Die Wirkungsweise der Abscheidekammer 1 wird durch Abb. 2 erläutert.
Der Wirbel im Innern der Kammer 1 wird durch die Tangentialströmung
x-y und eine Absaugung durch die Tauchrohre 2 angetrieben. Die erfindungsgemäßen Einrichtungen sind überall dort einsetzbar, wo
rückgswinnbare Drallenergie innerhalb strömender Medien anfällt, z.B. auch bei Zyklonen. Die Einrichtungen bestehen jeweils aus einem
Tauchrohr 2, mit einem sanften übergang 3 von axialer auf radial nach außen verlaufender Strömung, einem Plattendiffusor 4,
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einer ringförmigen ümlenkzone 5, einem Führungsbereich 6 mit radial
nach innen gerichteter Strömung einem sanften tlbergang7 vom Fünrungsbereich 6 auf axiale Strömung und einer Austrittsleitung 8.
Die Strömung innerhalb der Wirbelkammer 1 weist einen sehr hohen Drall auf. Unter dem Einfluß einer Absaugung tritt ein drallbehafteter
Medienstrom in das Tauchrohr 2 ein. Nach kurzer axialer Laufstrecke tritt die Drallströmung in den sanften Mbergang 3 ein, der
die Drallströmung mit geringstmöglichen Energievarlusten in eine
ringförmige Drallströmung umwandelt, die schließlich in radiale Richtung übergeht. In dieser Richtung tritt die Drallströmung bereits
mit einem gewissen Rückgewinn an Druckenergie (da sich ja die radiale Distanz bereits geändert hat) in den Plattendiffusor 4 ein,
in dem der weitaus größte Teil der Drallenergie in Druckenergie zurückverwandelt
wird. Dies beruht auf der Abnahme der Umfangsgeschwindigkeit u bei zunehmendem Radius r etwa nach der Beziehung
_ Konst.
wobei der Exponent m einen Wert um 1 annehmen kann. An seinem Umfang
mündet der Plattendiffusor in die strömungstechnisch günstig
geformte Ümlenkzone 5. Hier wird die Strömung weiter verzögert,
gleichzeitig umgelenkt in die Richtung radial nach innen und dabei wieder etwas beschleunigt, was geringere Umlenkverluste ergibt.
In der Kammer 5 wirkt sich deren Rotationssymmetrie auf das Strömungsfeld
verlustmindernd aus. An jeder Stelle des Umfangs herrscht gleichartige, also quasi zweidimensionale Strömung. Nach der Umlenkung
um 180° oder etwa um 180° nach innen gelangt die Strömung
in den Führungsbereich 6. Hier sind Leitschaufeln 9 mit radial nach innen ausgerichteten Hinterkanten angeordnet, wie dies aus Abb. 3,
einem Schnitt vorwiegend durch den FUhrungsbereich, zu ersehen ist.
Die radialen Leitschaufeln sind im dargestellten Beispiel mit stumpfen Vorderkanten versehen. Hierdurch sollen eventuelle Umfangskomponenten
der Strömungsgeschwindigkeit mit möglichst geringen Strömungsablösungen in den Nasenbereichen in Radialkomponenten verwandelt
werden. Die Schaufeln 9 sind hier am Beispiel einer einfacheren Einrichtung gerade ausgeführt. Zwecks besserer Anpassung
an besondere Strömungsbedingungen sind auch gekrümmte Schaufeln 9
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mit schärferen Nasen denkbar. Die Anzahl der Schaufeln 9 ist nicht
durch das dargestellte Beispiel festgelegt, sondern ergibt sich aus den jeweiligen Auslegungskriterien. Nach dem Verlassen des
Fiihrungsberelches 6 mit den Schaufeln 9 gelangt die Strömung in den Ubergangsbereich 7, wo sie als reine Meridianströmung in
die parallele Rohrströmung 8 umgewandelt wird.
Abb. 4 zeigt eine andere Ausgestaltung der Einrichtung zur Rückverwandlung
von Drallenergie mit dem Tauchrohr 20, dem Ubergangsbereich 21, dem Plattendiffusor 22, der Umlenk- und Verzögerungskammer
23, dem Führungsbereich 24, dem Ubergangsbereich 25 und der Austrittsleitung 26. Hier ist die Strömung gegenüber der vorbeschriebenen
Beispielsausführung ab Austritt Plattendiffusor derart verändert, daß sowohl in der Verzögerungskammer 23 als auch im
FUhrungsbereich 24 keine nennenswerte Beschleunigung mehr stattfindet.
Durch geeignete Auslegung des Strömungsquerschnitts kann hier die Meridiangeschwindigkeit konstant gehalten oder sogar verzögert
werden, so daß diese Bereiche ebenfalls als Diffusor wirken. Die im Führungsbereich 24 angeordneten Leitschaufeln können
in der Gestaltung dem vorherrschenden Strömungsfeld angepaßt werden.
An den Hinterkanten müssen die Schaufeln jedoch in Meridian-Richtung ausgerichtet sein, damit die abfließende Strömung keine
Umfangskomponente aufweist. Nach der sanften Umlenkung innerhalb des Ubergangsbereiches 25 gelangt das strömende Medium drallfrei
in die Austrittsleitung 26. Zum weiteren Druckrückgewinn kann noch ein hier nicht dargestellter Rohrdiffusor nachgeschaltet werden.
Abb. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung mit dem Tauchrohr 30, dem Plattendiffusor 31, dem Zentralkörper 32, der
Umlenkzone 33, dem FUhrungsbereich 34, dem Diffusor 35 und der Austrittsleitung 36. Diese Form der Einrichtung ergibt sich, wenn
die Außenwand der Einrichtung nach Abb. 4 ab der Umlenkzone 23 bis zur Austrittsleitung 26 auf den konstanten Durchmesser d aufgeweitet
und der Zentralkörper stromab verlängert wird. Hier erfolgt der Strömungsverlauf vom Tauchrohr 30 bis zur Umlenkzone
wie z.B. bei der Einrichtung nach Abb. 4. An die Umlenkzone 33 schließt sich der mit Leitschaufeln ausgestattete Führungsbereich
34 an, der unmittelbar in den Diffusor 35 mit vorwiegend axialer
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Strömung übergeht. Der Diffusor 35 stellt gleichzeitig einen sanften übergang vom Führungsbereich 34 auf die axiale Strömung
innerhalb der Austrittsleitung 36 dar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der sich stromab verjüngende Teil des Zentralkörpers
32 in einfacher Weise durch eine Kegelfläche entsprechend der Kontur a gebildet. Der Wirkungsgrad des Diffusors kann erhöht werden,
wenn der Zentralkörper 32 entsprechend einer Kontur b ausgestaltet wird.
Da die Umlenkverluste durch die Schaufeln bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit
ν mit ν anwachsen, ist es zweckmäßig, die Schaufeln in einen Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu
legen. Dies ist in allen gezeigten Beispielausführungen der Fall. Eine weitere Maßnahme zur Verringerung der Umlenkverluste besteht
darin, daß die Schaufeln in einem Bereich mit beschleunigter Strömung, d.h. mit negativem Druckgradienten angeordnet werden,
wie dies in Abb. 1 dargestellt ist. Hierdurch werden Strömungsverluste infolge Strömungsablösung weitgehend vermieden. Unter
bestimmten Umständen kann es zweckmäßig sein, daß man einen gewissen Anteil von Drallenergie in der die Einrichtung verlassenden
Strömung toleriert, um zu einfacheren Ausführungen zu gelangen. In diesen Fällen können die Schaufeln weggelassen werden.
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Patentansprüche
Patentansprüche
Claims (7)
1.) Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in
Druckenergie, dadurch gekennzeichnet, daß ein drehsymmetrischer Zentralkörper (Z) derart innerhalb einer
drehsymmetrischen Erweiterung (E) einer Rohrleitung angeordnet ist, daß der verbleibende drehsymmetrische Hohlraum für ein
stromab bewegtes Volumenelement nacheinander folgende Abschnitte bildet:
a) Einen sanften übergang (3, 21, 30a)
von axialer auf radial nach außen verlaufende Strömung,
b) einen Plattendiffusor (4, 22, 31),
c) eine ringförmige Umlenkzone (5, 23, 33),
d) einen Führungsbereich (6, 24, 34) mit radial nach innen gerichteter Strömungskomponente und
e) einen sanften übergang (7, 25, 35) vom Führungsbereich auf axiale Rohrströmung.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß innerhalb des Führungsbereiches (6, 24, 34) Leitschaufeln mit meridional ausgerichteten flinterkanten angeordnet
sind.
3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strömungsquerschnitt innerhalb
des Führungsbereiches (6, 24) stromab verengt.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsquerschnitt innerhalb des
Führungsbereiches (6, 24) stromab konstant bleibt.
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CRJGiNAL INSPECTED
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5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Strömungsquerschnitt innerhalb
des Führungsbereiches (6, 24) stromab erweitert.
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich
(34) unmittelbar in den Diffusor (35) übergeht, der durch die Außenwand und den kegelig verlängerten Teil des Zentralkörpers
gebildet wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Zentralkörper (32) entsprechend einer Kontur (b) ausgestaltet ist.
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