DE2833881C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gaszentrifuge, insbesondere zur Trennung von Gasgemischen in zwei Fraktionen unterschiedlicher Isotopenkonzentration gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Gaszentrifuge ist bereits aus der US-PS 39 55 797 bekannt. Für die Trennung in die beiden Gasfraktionen ist die Erzeugung eines sogenannten Gegenstroms in dem Gasgemisch inner­ halb des Rotors vorgesehen, wobei sich die getrennten Gasfrak­ tionen unterschiedlicher Isotopenkonzentration im oberen und unteren Bereich des Rotors ansammeln und aus dem Rotor entfernt werden müssen, und wobei in dem Raum, der den Rotor umgibt, ein relativ hohes Vakuum aufrechterhalten werden muß, während der Gasdruck am Auslaß des Rotors relativ niedrig ist.

Die vorbekannte Gaszentrifuge besitzt für das Trennen der Niederdruckräume von den Räumen mit höherem Druck zwei von dem Rotor selbst angetriebene Molekular­ pumpen, welche aufgrund ihrer Wärmeentwicklung die Gegenstromzirkulation ungünstig beeinflussen und damit die Trennwirkung der Zentrifuge beeinträchtigen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gaszentrifuge der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, daß unter Aufrechterhaltung des Vakuums zwischen Rotor und Gehäuse ein Abziehen von getrennten Fraktionen ohne Beeinträchtigung der Gegenstromzirkulation möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Aufgabe dieser Ausbildung der Gaszentrifuge läßt sich diese ohne Molekularpumpen mechanisch umkompliziert ausbil­ den. Da die für das Trennen wesentliche Gegenstromzirkulation von dem Abziehen der Gasfraktionen nicht beeinträchtigt wird, kann der Wirkungsgrad der Gaszentrifuge insgesamt erheblich gesteigert werden. Dazu trägt in vorteilhafter Ausgestaltung zur Erzeugung und Beibehaltung der Gegenstromzirkulation mit einem großen thermischen Wirkungsgrad bei, daß in den Hohlflanschen Heiz- oder Kühlelemente angeordnet sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachstehend näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt die rechte Hälfte eines Längsschnitts durch eine Gaszentrifuge.

Die Gaszentrifuge gemäß Zeichnung weist ein verti­ kales zylindrisches metallisches Gehäuse 1 auf, von dessen oberen Ende sich ein kleiner zylindrischer Teil 1′ nach oben er­ streckt, der als Gehäuse für einen Antriebsmotor 3 dient. Im Gehäuse 1 ist ein Rotor 8 angeordnet, der aus einem hohlen vertikalen Zylinder besteht, dessen äußerer Durchmesser etwas geringer ist als der innere Durchmesser des Gehäuses 1.

Der Rotor 8 ist innerhalb des Gehäuses 1 drehbar gelagert, und zwar durch nicht dargestellte Einrichtungen, die einen bestimmten Abstand zwischen den Rotorwänden und den Gehäuse­ wänden sicherstellen. Der Rotor 8 ist durch obere und untere ebene Endwände 36 bzw. 39 begrenzt. Jede Endwand 36, 39 des Rotors ist im Zentrum bzw. in der Mitte mit einer kreisförmigen Auslaßöffnung 18, 18′ versehen.

Entweder durch das obere oder das untere Ende des Gehäuses 1 - in der Zeichnung durch das obere Ende des Gehäuses - ist ein Zuführrohr 2 für gasförmiges, im Rotor 8 zu fraktionie­ rendes Gasgemisch vorgesehen.

Um jede Öffnung 18, 18′ ist eine vertikale Hohlzylinderwand 33, 32 angeordnet, die sich über eine bestimmte Länge von der Endwand 36 bzw. 39 des Rotors 8 weg erstreckt und mit einer horizontalen Platte 19, 19′ abschließt, wobei dadurch an beiden Enden des Rotors ein mit dem Rotor koaxialer, zylin­ drischer Raum 40, 40′ entsteht.

Das Zuführrohr 2 dringt durch die Gehäusewand "hindurch" und ist gegenüber dieser abgedichtet. Es erstreckt sich dann durch eine der zwei Platten 19, 19′ - durch die obere Platte 19 in der Zeichnung - und durch die Öffnungen 18, 18′ in der entsprechenden Endwand 36 bzw. 39 des Rotors 8 hindurch, wobei zwischen den Platten 19, 19′ und dem Zuführrohr 2 ein kleiner Spalt bzw. ein Spiel vorhanden ist, und ragt dann eine be­ stimmte Länge in den Rotor 8 hinein.

An jeder vertikalen Hohlzylinderwand 33, 32 ist eine horizontale Ringscheibe 5, 15 befestigt. Auf der dem Rotor 8 abge­ wandten Seite der Ringscheibe 5 bzw. 15 ist ein Satz von Schaufeln 6, 14 angeordnet, wobei deren Anzahl, Gestaltung und Abmessungen abhängig sind von der Rotationsgeschwindigkeit der Ringscheibe 5 bzw. 15 und von dem gewünschten Gasdruck am Auslaß 4 bzw. 12 aus dem Gehäuse 1. Die Schaufeln 6, 14 dienen auf diese Weise als Zentrifugalpumpe für die Gase innerhalb des Rotors 8 bzw. des Gehäuses 1.

Auf der Höhe der Schaufeln 6, 14 sind die vertikalen Hohlzylinderwände 33, 32 jeweils mit einer Reihe von Abzugsöffnungen 17, 26 versehen, wobei der Weg für die betreffende gasförmige Fraktion vom Bereich nahe der inneren Oberfläche der Endwände 36 bzw. 39 des Rotors durch die Öffnungen 18, 18′, Abzugsöffnungen 17, 26 radial entlang der Ringscheiben 5, 15 und durch die Auslässe 4, 12 führt, wobei die Auslässe 4, 12 im Gehäuse 1 auf derselben Höhe wie die Schaufeln 6, 14 angeordnet sind.

Die Platten 19, 19′, die die vertikalen Hohlzylinderwände 33, 32 begrenzen, erstrecken sich von diesen nach innen, um eine Führung 20 bzw. 20′ zur Weiterförderung bzw. Strömung der Gase aus den Räumen 40, 40′ zu den Schaufeln 6, 14 zu bilden.

Auf der dem Rotor zugewandten Fläche der Ringscheiben 5, 15 ist jeweils ein zweiter Satz von Schaufeln 7, 10 angeordnet, deren Anzahl, Gestaltung und Abmessungen entsprechend dem ge­ wünschten Grad an Vakuum innerhalb des Raumes 23 gewählt werden.

Wichtig ist, daß zwischen den Endwänden 39, 36 des Rotors 8 und den Ringscheiben 5, 15 jeweils ein Hohlflansch 35, 11 angeordnet ist, der sich ausgehend von der Gehäusewand nach innen erstreckt, bis er nahezu die äußere Oberfläche der Hohlzylinderwände 33 bzw. 32 erreicht. Der Raum 23 steht mit dem Anfang der Schaufeln 7, 10 über einen flachen Raum 23′ zwischen den Hohlflanschen 35, 11 und den entsprechenden Endwänden 36, 39 des Rotors, einen ringförmigen Durchgang 22 bzw. 24, der durch das innere Ende bzw. die innere Ecke der Hohlflansche 35, 11 definiert ist, und über die äußere Oberfläche der Hohlzylinderwände 33, 32 in Verbindung.

Durch die äußere Oberfläche der Endwand 36 bzw. 39 wird auf die durch den flachen Raum 23′ fließenden Gase eine Zentrifugalkraft ausgeübt. Auf diese Weise entsteht im Raum 23′ ein radialer Druckgradient der dieselbe Charakteristik und dasselbe Vorzeichen aufweist wie der Druckgradient längs der Schaufeln 7, 10. Auf diese Weise wirkt die Zentrifugalkraft im Raum 23′ entgegen der Wirkung der Schaufeln 7, 10. Diese Gegenwirkung könnte erheblich gemildert werden, wenn man die Hohlflansche 35, 11 etwas weiter entfernt von den Endwänden 36 bzw. 39 des Rotors 8 anordnet. der Raum 23′ sollte jedoch so flach bzw. eng wie möglich gehalten werden, und zwar aus den nach­ stehenden Gründen. Der oben beschriebene entgegenwirkende Pumpeffekt durch die Rotorendwände wird bedeutend gemildert, wenn man die Flansche hohl ausführt, d. h., wenn z. B. die Flansche aus zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Wänden bestehen, die durch nicht dargestellte Bauelemente miteinander verbunden sind, wobei diese Bauelemen­ te den radialen Gasstrom bzw. Gasfluß zwischen den genannten Wänden nicht hindern sollen. Während die vom Rotor 8 abge­ wandte Wand eines jeden Hohlflansches 35, 11 blind bzw. geschlossen ausgebildet ist, sind die Flanschwände, die dem Rotor zuge­ wandt sind, an ihren Umfängen jeweils mit einer Reihe von Löchern 11′, 35′ versehen, die jeweils mit dem vertikalen Bereich des Raumes 23 fluchten. Auf diese Weise wird ein un­ gehinderter Durchgang zwischen dem Raum 23 und dem Durchgang 22 bzw. 24 geschaffen. Ein kleiner Anteil des Gases aus den Flanschräumen 13, 13′, der den Durchgang 22 bzw. 24 erreicht, wird zu dem Raum 23 durch den Pumpen­ effekt der Rotorendwände zurückgefördert und durch die Löcher 35′, 11′ rezirkuliert.

Die Gegenstromzirkulation der Gase innerhalb des Rotors 8 kann entweder in Richtung der Pfeile F gemäß anliegender Zeichnung durch Wärmeübertragung vom Hohlflansch 11 auf die Endwand 39 und Wärmeabsorbtion am Hohlflansch 35 von der End­ wand 36 oder umgekehrt durch Umkehrung der thermischen Wirkungen bzw. Funktionsweisen der Hohlflansche 11 und 35 aufgebaut bzw. erhalten werden. Im Inneren der Hohlflansche 35 und 11 sind zur Lieferung und zum Entzug von Wärme zu bzw. von den entsprechenden Flanschen Heiz- oder Kühlelemente 37, 34 angeordnet.

Wie bereits erwähnt, erstrecken sich die Hohlflansche 11, 35 sehr dicht und parallel und im wesentlichen über die gesamte Oberfläche der betreffenden Endwände 36 und 39. Der Wärme­ austausch zwischen den Flanschen und den Rotorenden ist auf diese Weise sehr aktiv und es wird innerhalb des Rotors ein hoher Wirkungsgrad für die Gegenstromzirkulation erreicht. Um den obigen Wärmeaustausch zwischen den Flanschen und den Rotorendwänden zu verbessern, können die jeweils einander zugewandten Seiten entsprechend, zweckmäßig be­ handelt werden.

Die Auslässe 4, 12 aus dem Gehäuse 1 können ein Diffusorprofil aufweisen; d. h. einen effektiven Quer­ schnitt, der in Strömungsrichtung zur Umformung der kineti­ schen Energie der Gase im Druck zunimmt.

Claims (5)

1. Gaszentrifuge, insbesondere zur Trennung von Gasgemischen in zwei Fraktionen unterschiedlicher Isotopenkonzentration, bestehend aus
einem hohlzylindrischen Rotor (8), der eine vertikale Achse und flache Endwände (36, 39) aufweist, die in einem vakuumdichten Gehäuse (1) angeordnet sind,
einem durch die wechselweise einander gegenüberliegenden Oberflächen von Rotor (8) und Gehäuse definierten Raum (23, 23′), wobei sich eine vertikale Wand des Gehäuses (1) nach oben und nach unten über das Niveau der Endwände (36, 39) des Rotors (8) hinaus zur Bildung von zwei Kammern oberhalb und unterhalb dieser Endwände (36, 39) erstreckt, wobei diese Kammern jeweils mit der Außenseite der Gaszentrifuge durch entsprechende Auslässe (4, 12) für die im Gehäuse (1) erzeugte entsprechende Gasfraktion in Verbindung stehen,
einem zentral angeordneten axialen Zuführrohr (2) für zu fraktionierendes Gas in den Rotor (8), wobei sich das Zuführrohr (2) durch das Gehäuse (1) hindurch in den Rotor (8) erstreckt und gegenüber dem Gehäuse abgedichtet ist, und aus einer Einrichtung zur Erzeugung einer Gegenstromzirku­ lation des Gases innerhalb des Rotors (8),
dadurch gekennzeichnet, daß als Zentrifugalräder zwei rotorfeste Ringscheiben (5, 15) vorgesehen sind, die jeweils an Hohlzylinderwänden (32, 33) am oberen und am unteren Ende des Rotors (8) ange­ ordnet sind, wobei jede Ringscheibe (5, 15) eine auf den Rotor (8) gerichtete Fläche mit Schaufeln (7, 10) zur Erzeugung des erforderlichen Vakuums in dem Raum (23, 23′) zwischen dem Rotor (8) und seinem Gehäuse (1) aufweist, während die andere Fläche Schaufeln (6, 14) zur Erzeugung einer Saug­ wirkung für das Fördern der jeweiligen Gasfraktion aus dem Rotor (8) durch die Hohlzylinderwände (32, 33) zu dem zugehörigen Auslaß (4, 12) besitzt und durch einen nahe der unteren Endwand (39) und einen nahe der oberen Endwand (36) des Rotors (8) angeordneten gehäuse­ festen Hohlflansch (11, 35), wobei jeden den Endwänden (39, 36) zugewandte Hohlflanschwand jeweils mit einer sich über dessen Umfang erstreckenden Reihe von Löchern (11′, 35′) versehen ist.

2. Gaszentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlflanschen (11, 35) Heiz- oder Kühlelemente (34, 37) angeordnet sind.

3. Gaszentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß jede Endwand (36, 39) eine kreisförmige Auslaßöffnung (18, 18′) aufweist, die konzentrisch zum Rotor (8) für den Austritt der jeweiligen Gasfraktion aus dem Rotor (8) vorgesehen ist,
daß sich jede Hohlzylinderwand (32, 33) jeweils um die entsprechende Öffnung (18, 18′) im Abstand zur zugehörigen Endwand (36, 39) des Rotors (8) herum erstreckt, und
daß jede Hohlzylinderwand (32, 33) mit Abzugsöffnungen (17, 26) versehen ist.

4. Gaszentrifuge nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder zylindrische Hohlflansch (11, 35) aus zwei durch Bauelemente fest miteinander verbundenen parallelen Wänden für eine im wesentlichen ungehinderte radiale Gasströmung zwischen den Flanschwänden besteht.

5. Gaszentrifuge nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hohlzylinderwand (32, 33) an ihrem Ende in einer zum Rotor (8) gegenüberliegenden Stellung endet und jede dieser Hohlzylinderwände (32, 33) eine horizontale Platte (19, 19′) aufweist, die sich von der Hohlzylinderwand (32, 33) als Führung (20, 20′) auf einer Seite jeder dieser Öffnungen (17, 26) wegerstreckt.