DE2742945A1 - Einspeisung von verfahrensgasen in ein wirbelrohr - Google Patents

Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft

München, den 23. September 1977 Einspeisung von Verfahrengsgasen in ein Wirbelrohr

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Einspeisung von Verfahrensgasen in ein Wirbelrohr zur Trennung von Isotopen- oder Gasgemischen.

Das Wirbelrohrverfahren ist ein Trennverfahren für Gasgemischen, bei dem der Gasstrahl tangential in eine vom Wirbelrohr umschlossene Wirbelkammer einströmt und dort drin schraubenförmig zirkuliert. Durch die Rotation des Gases, werden infolge der Zentrifugalkräfte die schweren Teilchen von den leichteren Teilchen getrennt.

Es ist ein konisches Wirbelrohr bekannt, dessen Ende mit dem größeren Durchmesser geschlossen ist. An diesem Ende sind tangentiale öffnungen durch die Rohrwand geführt, die zur Einspeisung des Verfahrensgases dienen. Das eintretende Gas

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strömt schraubenförmig zum anderen Ende hin. Hier wird durch das offene Ende die sich in der Wand-Nähe ansammelnde schwerere Fraktion entnommen, während die innere leichtere Gasfraktion durch den sich am kleineren Durchmesser bildenden Druck umgelenkt und in die Gegenrichtung über ein Entnahmerohr abgesaugt wird, das am Ende mit dem größeren Durchmesser in die Wirbelkammer eingeführt ist.

Um eine möglichst hohe Strömungsgeschwindigkeit und damit eine ausreichende Trennleistung zu erreichen, sind in der bekannten Vorrichtung Eintrittsdüsen vorgesehen, durch die der Druck des Speisegases teilweise in Geschwindigkeit umgewandelt wird und damit günstigere Leistungswerte erreicht werden. Mit diesem Verfahren wird zwar der Wirkungsgrad ein wenig verbessert, es lassen sich jedoch keine hohen Geschwindigkeiten erreichen, weil die aus der Düse expandierende Strömung in der gezielten Strömungsrichtung maximal die Schallgeschwindigkeit erreichen kann, die dann durch die Wandreibung zusätzlich eine starke Minderung erfährt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Trennleistung durch Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit eines Wirbelrohrsystemes zu verbessern.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Gas in einer Kammer unter Überdruck gesammelt wird und unter gerichteter Nachexpansion in das Wirbelrohr eingespeist wird.

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Durch die geführte Expansion wird die in kinetische Energie umgesetzte potentielle Energie annähernd vollständig zur Beschleunigung des Gases in die gewünschte Strömungsrichung ausgenutzt. Hierdurch wird die Eintrittsgeschwindigkeit und damit .die für die Trennleistung verantwortliche Drehgeschwindigkeit des Wirbelstromes gegenüber dem bisher bekannten Verfahren weitgehend verbessert. Durch die vorgeschaltete Druckkammer wird außerdem erreicht, daß das zufließende Gas sich vor dem Eintritt in die Wirbelkammer beruhigt, um somit einer Turbulenz des Gasstromes entgegenzuwirken.

Das Verfahren kann durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung durchgeführt werden, bei der für die Gaseinspeisung mindestens eine tangential in die Wirbelkammer einmündende Düse vorgesehen ist, deren Querschnitt sich in Strömungsrichtung stetig vergrößert.

Diese sogenannte Lavaldüse verhindert, daß das aus dem engsten Querschnitt heraustretende Gas sich senkrecht zur Mündung expandiert. Das Gas wird vielmehr über die konisch sich erweiternde Düsenwand in die Einströmrichtung gelenkt, so daß die Beschleunigung des Gases infolge der Expansion im wesentlichen Komponenten erhält, die in die gezielte Strömungsrichtung gerichtet sind.

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Die Düse kann ein getrenntes Bauteil sein, wie z.B. ein Rohr, das mit tangential zum Wirbelrohr gerichteten Mundstück in die Wirbelkammer hineinragt. Gemäß einer fertigungstechnisch einfachen Ausgestaltung, ist die Düse in Form einer Durchlaßöffnung ein Bestandteil des Wirbelrohres.

Vorteilhaft ist die Verwendung von mehreren auf den Umfang des Wirbelrohres verteilten Düsen, beispielsweise in der Form von Durchlaßöffnungen, wodurch der Düsenquerschnitt zur Anhebung der Strömungsgeschwindigkeit beliebig weit reduziert werden kann, ohne damit den erforderlichen Gasdurchlaß unterschreiten zu müssen.

Die Düse stellt eine Verengung des Zufuhrkanales des Speisegases dar. In Strömungsrichtung vor dieser Verengung sammelt sich unter Aufbau eines Druckes das Gas, bevor es durch die Düse durchtritt. In diesem Zusammenhang wird ferner vorgeschlagen, den Vorraum unter Bildung einer Druckkammer zu erweitern, um damit eine Beruhigung des zufließenden, im allgemeinen turbulenten Gases zu erreichen. Hierdurch kann die Bildung eines laminaren Stromes in der Wirbelkammer und damit die Trennleistung unterstützt werden.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht diese Kammer in einem Ringraum, der das Wirbelrohr im Bereich der Einlaßdüsen umgibt und tangential einmündende Zuführungen des Frischgases hat.

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Mit der hier dargelegten Art der Einspeisung läßt sich zusammenfassend in einer einfachen Art ohne nennenswerten fertigungstechnischen Mehraufwand eine bemerkenswerte Erhöhung der Trennleistung mit dem Wirbelrohrverfahren erzielen.

Eine weitere Verbesserung läßt sich durch eine Kombination der erfindungsgemäßen Düse mit einem rotierenden Wirbelrohr herstellen. Hierdurch werden zusätzlich die Reibungsverluste stark reduziert, so daß die Eintrittsgeschwindigkeit nahezu im Verlauf des Wirbelstromes erhalten werden kann.

In Verbindung mit einem rotierenden Wirbelrohr ist es besonders vorteilhaft, wenn die Düse sich im mitrotierenden System befindet. Hierdurch setzt sich die Austrittsgeschwindigkeit des Gases additiv aus der Geschwindigkeit des rotierenden-Wirbelrohres und der Austrittsgeschwindigkeit zusammen, so daß beachtliche Geschwindigkeiten erreicht werden können.

Durch die Verwendung einer mitrotierenden, U-förmigen Lavaldüse kann abermals ein Anstieg der Eintritts- bzw. Rotationsgeschwindigkeit erreicht werden.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

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Fig. 1 ein Wirbelrohr,

Fig. 2 und 3 je einen Querschnitt aus Fig. 1,

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 einen Querschnitt aus Fig. 4 und

Fig. 6 bis 8 je ein weiteres Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist ein rotierendes Wirbelrohr 10 gezeigt, das in einem Gehäuse 11 mittels Gaslager 12 und 13 gelagert ist. über Leitungen 14 und 15 wird vom Verfahrensgas 16 ein Teil für die Lager 12 und 13 abgezweigt. Das Wirbelrohr 10 hat eine konische Wirbelkammer 20, in die am breiteren Ende Eintrittsdüsen 21 einmünden. An diesem Ende ist ferner eine Austrittsöffnung 22 für die leichtere Gasfraktion vorgesehen. Die Entnahmeöffnung 23 für die schwerere Gasfraktion befindet sich am anderen Ende der Wirbelkammer 20.

Das Wirbelrohr 10 wird gasdynamisch angetrieben. Hierzu ist ein Antriebskopf 24 und ein mit Zähnen 25 versehener Antriebskegel 26 vorgesehen. Ein Querschnitt durch den Antrieb ist in Fig. 2 gezeigt. Das Antriebsgas wird ebenfalls vom Verfahrensgas abgezweigt und über die Leitung 15 in tangentiale Zuführungen 30 eingeleitet und gegen die Antriebskegelzähne

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gerichtet. Das Gas sammelt sich anschließend in einer Ringkammer 31, von wo aus es über eine Leitung 32 zu einem Verdichter geführt wird.

Die Einspeisung des Verfahrensgases 16 für die Wirbelkammer erfolgt über einen Kanal 35, einer tangential zum Wirbelrotor verlaufende Zuführungen 36 und einem Ringkanal 37. In diesem Kanal zirkuliert das Gas unter dem Aufbau eines Druckes. Schließlich gelangt das Gasgemisch über die Düsen in die Wirbelkammer 20 mit einer Geschwindigkeit, die sich additiv aus der Geschwindigkeit der rotierenden Wirbelrohrwand und der Austrittsgeschwindigkeit zusammensetzt. Ein Querschnitt des Wirbelrohres durch das Speisesystem ist in Fig. 3 gezeigt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind die Eintrittsdüsen in der Form von Bohrungen durch die Wirbelrohrwand durchgeführt und damit mitrotierend ausgestaltet. In ähnlicher Weise können auch bei stationären Wirbelrohren die Düsen in der Rohrwand vorgesehen sein.

In beiden Fällen ist es aber auch möglich, getrennte Speiserohre in die Wirbelkammer einzuführen, deren Mundstücke in Form von Düsen ausgebildet sind. In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel hierzu bei einem nicht rotierenden Wirbelrohr 40 gezeigt. Dieses ebenfalls konisch ausgebildete Rohr ist an

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seinem Ende mit dem größeren Durchmesser mit einem Deckel 41 abgeschlossen. Durch den Deckel 41 sind zwei Einspeiserohre 42 durchgeführt, die innerhalb der Wirbelkammer 44 in der Form von gekrümmten Haken 43 fortgeführt sind und an der Mündung je eine Düse 45 aufweisen, die die Richtung des erwünschten Stromes einnehmen. Das Verfahrensgas tritt mit einer höheren Geschwindigkeit aus den Speiserohren 42 heraus und strömt schraubenförmig zum entgegengesetzten Ende des Rohres 40 hin. Aus diesem Ende wird die schwere Gasfraktion 45 entnommen, während die leichtere Gasfraktion 46 zurückgedrückt und axial durch ein am gegenüberliegenden Ende angeordnetes Entnahmerohr 47 abgesaugt wird.

In den Fig. 6 bis 8 sind weitere Ausführungsbeispiele von Düsen gezeigt, die für rotierende Wirbelrohre vorgesehen sein können.

In Fig. 6 ist eine mit der Wirbelrohrwand 50 verbundene konvergente Düse 51 gezeigt, der eine Kammer bzw. eine Zuleitung 52 vorgeschaltet ist. In diesem Fall wird die Austrittsgeschwindigkeit des Gases aus der Düse 51 in Bezug auf das rotierende Wirbelrohr 50 zwar höchstens die Schallgeschwindigkeit erreichen können, die resultierende Umlaufgeschwindigkeit des Gases gegenüber einen ruhenden Beobachter wird jedoch einen um die Drehgeschwindigkeit des Wirbelrohres 50 erhöhten Wert erreichen.

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Eine weitere Anhebung der Umlaufgeschwindigkeit des Gases kann dadurch erreicht werden, daß die konvergente Düse 51 durch eine Lavaldüse 55, Fig. 7, ersetzt wird. In diesem Fall wird das aus der Düse heraustretende Gas während der Expansion im konisch sich erweiternden Mundstück 56 der Düse 55 gelenkt derart, daß die gesamte Gasströmung die erwünschte Richtung erhält und damit das Gas mit Geschwindigkeiten oberhalb der Schallgeschwindigkeit in die Wirbelkammer 57 einströmt. Hinzu wäre dann noch die Wirbelrohrgeschwindigkeit zu addieren.

Durch eine U-förmig gekrümmte Lavaldüse 58, wie sie in Fig. 8 gezeigt ist, läßt sich die resultierende Umlaufgeschwindigkeit des Verfahrensgases gegenüber dem vorhergehenden Beispiel noch weiter anheben. Diese Düse besteht aus einer stationären konvergenten Düse 59 die einen U-förmigen, in Strömungsrichtung sich erweiternden Kanal 60 anbläst, in der eine Beschleunigung des Gasstromes erfolgt.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Verfahren zur Einspeisung von Verfahrensgasen in ein Wirbelrohr zur Trennung von Isotopen- oder Gasgemischen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in einer Kammer unter Oberdruck gesammelt wird und unter geführter Nachexpansion in die vom Wirbelrohr eingeschlossene Wirbelkammer tangential eingespeist wird.

   2. Vorrichtung zur Einspeisung von Verfahrensgas in ein Wirbelrohr nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch mindestens eine Düse (21), deren Querschnitt sich in Strömungsrichtung kontinuierlich erweitert,

   3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (45) ein vom Wirbelrohr (40) getrenntes Bauteil ist.

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   4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (45) in die Wirbelrohrkammer (44) mit tangential gerichtetem Mundstück hineinragt.

   5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (21) Bestandteil des Wirbelrohres (10) ist.

   6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere am Umfang des Wirbelrohres (10) regelmäßig verteilte, als Düsenöffnungen (21) ausgestaltete Düsen vorgesehen sind.

   7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Düse (21) eine Kammer (37) vorgeschaltet ist, in der das Speisegas unter Überdruck gesammelt wird.

   8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (37) ringförmig das Wirbelrohr (10) im Bereich der Durchlaßdüsen (21) umgibt.

   9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß tangential in die Ringkammer (37) einmündende Zuführungen (36) für das Speisegas vorgesehen sind.

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