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Zyklonabscneider
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Die Erfindung betrifft einen Zyklonabscheider zum Abscheiden von Festkörperteilchen
aus einem Fluid, bestehend aus einem vertikal angeordneten Zylinderabschnitt mit
einem tangetialen Eintrittsstutzen und einem vertikal durch die Deckenwandung geführten
Tauchrohr sowie einem an den Zylinderabschnitt anschließenden kegelförmigen Abscheideteil
mit einem Auslaßstutzen für die abgeschiedenen Festkörperteilchen.
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Aus der deutschen Patentanmeldung P 44 27 ist ein sogenannter Fliehkraft-Staubabscheider,
ein Zyklonabscheider für gasförmige Fluide, bekannt. Dem Ableitungsrohr, dem Tauchrohr,
sind der inneren Mündung Leitschaufeln solcher Art zugeordnet, welche die Mittelzone
des kreisenden Mediums, des Fluids, - vorzugsweise in ganzer Höhe - erfassen und
dieses in eine etwa axiale Abströmbewegung überführen.
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Nachteilig bei diesen Leitschaufeln ist die direkte Einflußnahme auf
die Strömungsrichtung des Fluids. Bei einem falsch gewählten Anstellwinkel kann
der erhoffte Effekt der Druckverlustminderung geradezu ins Gegenteil verkehrt werden.
Die Annahme, die kreisende Bewegung des Mediums, des Fluids, entspräche in etwa
einer flachen logarithmischen Spirale,
beschränkt den Anwendungsfall
naturgemäß auf Zyklonabscheider solcher Bauart, auf die diese Annahme genau zutrifft.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zyklonabscheider vorzustellen,
dessen Druckverluste wesentlich verringert werden, abhängig von der Tauchrohrform
und Eintauchtiefe des Tauchrohres zwischen etwa 15 % und 30 %, ohne daß sich der
Separationswirkungsgrad spürbar verschlechtert, unabhängig von der Bauart und der
herrschenden Strömung des Fluids. Eine Verringerung des Druckverlustes wirkt sich
besonders dann vorteilhaft aus, wenn mehrere Zyklonabscheider hintereinandergeschaltet
sind, wie es Deispielsweise bei Zyklon-Wärmetauscherstufen in der Zementindustrie
der Fall ist. Dort sind bis zu fünf Zyklonabscheider hintereingeschaltet, so daß
die Addition der einzelnen Druckverluste zu einem hohen Gesamtverlust führt.
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Die Aufgabe wird mit Hilfe der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs
1 gelöst.
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Innerhalb eines Zyklonabscheiders herrschen zwei Wirbelströmungen,
eine entlang der Wandung abwärts gerichtet und eine innere, aufwärts gerichtete,
die das gereinigte Fluid durch das Tauchrohr austrägt. Zwischen diesen beiden Wirbelströmungen
bildet sich eine Grenzfläche, die vorteilhaft den Durchmesser des Tauchrohres nicht
unterschreiten sollte. Die aufwärts gerichtete Wirbelströmung trifft in der Regel
auf die waagerecht verlaufende Kante der Wandung des Tauchrohres und wiro dadurch
in ihrem Strömungsverlauf erheblich gestört. Es treten Verwirbelungen auf, oie zu
einem unerwünschten und leistungsvermindernden Druckverlust führen.
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Eine Storung des Strörrungsverlaufs kann weitestgehend dadurch vermieden
werden, daß die Kante des Tauchrohres, die
von dem Fluid angeströmt
wird, dem Strömungsverlauf des Fluids angepaßt wird. Die beste Möglichkeit dazu
bietet ein Ausschnitt der erfindunsgemäßen Form in der Wandung des Tauchrohres.
Der Ausschnitt kann so gestaltet sein, daß er durch eine kurvenförmig verlaufende
Kante begrenzt wird. Der Ausschnitt kann aber auch die Form eines Vielecks, vorzugsweise
eines Dreiecks oder Vierecks, aufweisen, wobei die Kanten geradlinig und/oder kurvenförmig
verlaufen. Eine optimale Gestalt der durch das Fluid angeströmten Kanten kann durch
Berechnung oder Modellversuche für jeden speziellen Einsatzfall ermittelt werden.
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Da sich der Ausschnitt auf der den Eintritt des Fluids abgewandten
Seite des Tauchrohres befindet, wird die Strömung des Fluids beim Eintritt in den
Zyklonabscheider vorteilhaft nicht gestört, so daß sich die für die Abscheidung
der Festkörperteilchen erforderlich abwärtsgerichtete Wirbelströmung entlang der
Wandung des Zyklonabscheiders ausbilden kann.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß eine geradlinige, schräg verlaufende
Kante des Ausschnitts, die die Unterkante des Tauchrohres schneidet, mit der Unterkante
des Tauchrohres, mit seiner Umfangslinie, einen Winkel von etwa 20 ° bis etwa 75
0 einschließt. Der Ausschnitt kann dadurch vorteilhaft der Größe und Form des Zyklon
angepaßt werden. Je nachdem, ob beispielsweise ein schmaler, langgestreckter Hydrozyklon
mit einem kleinen Tauchrohrdurchmesser vorliegt oder ein kurzer, gedrungener Wärmetauscher-Zyklon
wie bei der Zementherstellung, dessen kurzes Tauchrohr einen großen Durchmesser
aufweist im Verhältnis zum Zyklondurchmesser, können unterschiedliche Ausschnittsformen
verwirklicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung oer Erfindung liegt,
in der senkrechten Projektion vom Eintrittsstutzen aus gesehen, der Schnittpunkt
der dem Eintrittsstutzen nächstgelegenen Kante des Ausschnitts mit der Unterkante
des Tauchrohres, mit seiner Umfangslinie, innerhalb eines Winkelbereichs von etwa
180 ° auf der Umfangslinie , wobei der Winkelbereich in etwa begrenzt wiro durch
ein~ Senkrechte auf die Mittellinie des Eintrittsstutzens, die durch den Mittelpunkt
des Zylinderabschnitts geht. In vorteilhafter Weise ist in Folge dieser konstruktiven
Maßnahme sichergestellt, daß keine Kante des Ausschnitts in den Bereich des einströmenden
Fluids reicht und dadurch den Stromungsverlauf stört. Dem Fluid steht dadurch eine
genügend croße Strecke zum Einströmen und zur Bildung der an der Wandung des Zyklons
abwärts gerichteten Wirbelströmung zur Verfügung.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung cer Erfindung liegt
bei einem Größenverhältnis der Höhe des Zylinderabschnitts zur Höhe des Eintrittsstutzens
von etwa 1 : 1 das Verhältnis zwischen der Höhe des Eintrittsstutzens und der Eintauchtiefe
des Tauchrohres etwa zwischen 1 : 0,2 und 1 : 1,5. Diese Verhältniszahlen gelten
vorteilhaft für die kurzen, gedrungenen Zyklone, wie sie beispielsweise als Wärmetauscher-Zyklone
in der Zementindustrie eingesetzt werden.
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Die Größe des Ausschnitts kann im Vergleich zur Eintauchtiefe und
im Hinblick auf die Hohe des Eintrittsstutzens optimal abgestimmt werden.
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Dieselben Vorteile gelten für die Ausgestaltung eines Abscheideszyklons,
bei dem das Größenverhältnis der Höhe des Zylinderabschnitts zur Höhe des Eintrittsstutzens
von etwa 2 : 1 und größer ist, wobei das Verhältnis zwischen der Höhe des Eintrittsstutzens
und der Eintauchtiefe Ges Tauchrohres etwa zwischen 1 : 0,6 und 1 : 2,5 liegt. Absoheidezyklone
mit
solchen Abmessungsverhältnissen sind in der Regel Hydrozyklone.
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Die Verminderung der Druckverluste, beispielsweise vor allem bei hintereinandergeschalteten
WErmetauscherzyklonen in Anlagen zur Zementherstellung, führt zu merklichen Einsparungen
an Leistungsbedarf bei der Auslegung der Gebläse.
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Anhand eines Ausführungsbeispieles wird der erfindungsgemäße Zyklonabscheider
mit weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Zyklonabscheider mit einem dreiecksförmigen
Ausschnitt im Längsschnitt und Fig. 2 die Aufsicht auf diesen Zyklonabscheider.
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In Fig. 3 ist Abwicklung der handlung des Tauchrohres von Fig 1 und
Fig. 2 mit dem dreiecksförrigen Ausschnitt als Beispiel dargestellt.
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Fig. 4 und Fig. 5 zeigen im nicht maBstäblichen Bezug zu den vorhergehenden
Figuren Beispiele fcir Variationen des dreiecksfõrrigen Ausschnitts.
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Fig. 6 zeigt die Abwickeungen der Wandung eines Tauchrohres mit einem
trapezförrnigen Ausschnitt, Fig. 7 einen Ausschnitt, dessen durch das Fluid angeströmte
Kante parEbelförmig ausgebildet ist und
Fig.8 einen Ausschnitt,
der ourch eine kurvenförmig verlaufende Kante begrenzt wird.
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Der in Fig. 1 abgebildete Zyklonabscheider besteht aus dem vertikal
angeordneten Zylinderabschnitt 1, dem sich nach unten der kegelförmige Abscheideteil
2 anschließt. Die Spitze dieses ADscheideteils mündet in den Auslaßstutzen 3 für
den Austrag der abgeschiedenen Festkorperteilchen.
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Der Zyklonabscheider hat eine gedrungene Bauform, d.h. der kegelförmige
Abscheideteil 2 ist kurz im Vergleich zum Durchmesser des Zylinderabschnitts. Zyklonabscheider
dieser Form werden vorwiegend in den Wärnetauscherstufen bei der Zementherstellung
eingesetzt.
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Das mit Festkörperteilchen beladene Fluid, hier beispielsweise ein
mit Rohmehl beladener Heißgasstrom, tritt durch den Eintrittstutzen 4 in den Abscheidezyklon.
Der Eintrittsstutzen mündet tangential in den Zylinderabschnitt 1.
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An der Wandung des kegelförmigen Abscheideteils 2 bildet sich die
abwärts gerichtete Wirbelstromung, die zur Abscheidung der Festkörperteilchen aus
den: Fluid führt. Die Festkörperteilchen verlassen den Abscheidezyklon durch den
Ausabstutzen 3.
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In der Spitze des Aoscheideteils 2 Kehrt sich die an der Wandung abwärts
gerichtete Strömung um und es bildet sich die aufwärts gerichtete Wirbelströmung
aus. Die sich etwa säulenförmig im Abscheideteil 2 ausbildende Wirbelströmung verläßt
den Abscheidezyklon durch das Tauchrohr 5.
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Das Tauchrohr 5 weist einen dreiecksförmigen Ausschnitt 6 auf. Das
Dreieck ist rechtwinkelig unc gleichschenkelig. Die
Kante 7 der
schräg angeschnittenen Wandung des Tauchrohres 5 bildet dadurch einen Winkel von
45 0 mit der Unterkante 9 des Tauchrohres, mit seiner Umfangslinie. Die andere Kante
8 steht senkrecht auf ihr. Für die aufwärts gerichtete Wirbelströmung ist damit
eine besonders günstige Voraussetzung für einen möglichst verwirbelungsfreien Eintritt
des Fluids in das Tauchrohr 5 geschaffen.
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Die Kante 7 der schräg angeschnittenen Wandung des Tauchrohres 5 schneidet
die Unterkante 9 des Tauchrohres, seine Umfangslinie, im Punkt 10.
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Aus Fig. 2, der Aussicht auf den Zyklon, ist ersichtlich, daß in der
senkrechten Projektion gesehen, der Schnittpunkt 10 der dem Eintrittsstutzen 4 nächstgelegenen
Kante 7 mit der Unterkante 9 des Tauchrohres, vom Eintrittsstutzens aus gesehen
innerhalb eines Winkelbereichs von etwa 180 ° auf der Umfangslinie 9 liegt. Der
Winkelbereich wird in etwa begrenzt durch eine Senkrechte 11 auf die Mittellinie
13 des Eintrittsstutzens 4. Die Senkrechte 11 geht durch den Mittelpunkt 12 des
Zylinderabschnitts 1.
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In Fig. 1 ist weiterhin das Verhältnis zwischen der Höhe h des Eintrittsstutzens
4 und der Eintauchtiefe t des Tauchrohres 5 ersichtlich. Aufgrund aer gedrungenen
Bauweise des Zyklons beträgt das Verhältnis zwischen der Höhe h des Eintrittsstutzens
und der Eintauchtiefe t des Tauchrohres 1 : 1,3. Die Eintauchtiefe t des Tauchrohres
ist ebenfalls ein Parameter, der Einfluß auf Abscheideart und Druckverlust hat.
Denkbar ist deshalb eine vertikal verschiebbare Anordnung des Tauchrohres. Durch
Vergleich der Druckmessungen am Eintrittsstutzen und hinter dem Tauchrohr ist der
Druckverlust im Zyklonabscheider meßbar. Durch Verschieben des
Tauchrohres
kann, unter Berücksichtigung des Abscheidegrades, eine optimale Einstellung des
Abscheideszyklons für jedes Fluid und für jede Art von Festkörperteilchen gefunden
werden.
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In der gleichen Absicht, nämlich einer Optimierung der Eigenschaften
des Zyklonabscheiders, kann das Tauchrohr auch drehbar angeordnet sein, so daß der
Ausschnitt jeweils so eingestellt werden kann, daß der günstigste Einfluß auf die
Strömungsverhältnisse genommen werden kann.
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Des weiteren denkbar ist eine das Tauchrohr innen oder außen umgebende,
eng anliegende Hülle mit einer so gestalteten Öffnung, daß der Ausschnitt teilweise
abgedeckt werden kann.
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Diese Vorrichtung wurde es auch ermoglichen, bei einem vertikalen
Verschieben des Tauchrohres den Ausschnitt auf die erforderliche Größe einzustellen.
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Fig. 3 zeigt die abgewickelte Form der Wandung des Tauchrohres 5.
Der dreiecksförmige Ausschnitt 6 ist ein gleichschenkelig, rechtwinkeliges Dreieck.
Hypotenuse ist die Kante 7 der schräg angeschnittenen Wandung des Tauchrohres. Sie
schneidet die Unterkante 9 des Tauchrohres, die eine Umfangslinie bildet, im Punkt
10. Die andere Kathete, die Kante 8, steht senkrecht auf der Unterkante 9 des Tauchrohres.
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Mit t ist die Eintauchtiefe des Tauchrohres in den Zyklonabscheider
gekennzeichnet.
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Eine weitere Möglicnkeit, daß Tauchrohr auszugestalten, besteht darin,
daß Tauchrohr schräg anzuschneiden, so daß eine ellipsenförmige Öffnung entsteht.
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Entsprechend Fig. 4 kann der dreiecksförmige Ausschnitt auch so gestaltet
werden, daß ein gleichschenkeliges Dreieck entsteht, dessen nicht gleichschenkelige
Seite auf dem Umfang des Tauchrohres liegt. Bei einem gleichschenkelig, rechtwinkeligen
Dreieck stehen dann die Kanten 7' der schräg angeschnittenen Wandung jeweils unter
einem Winkel von 45 ° zur aufsteigenden Wirbelströmung. Wie das Beispiel in Fig.
4 zeigt, umfaßt die Hypotenuse des gleichschenkelig, rechtwinkeligen Dreiecks des
dreiecksförmigen Ausschnitts 6 den halben Tauchrohrumfang, so daß die Wandung des
Tauchrohres 5 nur auf der dem einströmenden Fluid zugewandten Seite im Bereich der
Senkrechten 11 auf die Mittellinie 13 des Eintrittsstutzens 4 geschlossen ist.
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Nach Fig. 5 kann der dreiecksförmige Ausschnitt, hier als gleichschenkliges
Dreieck mit den Kanten 72s, so groß werden, daß die Wandung des Tauchrohres 5 bis
auf eine Spitze verkleinert wird. Tauchrohre dieser Form sind beispielsweise bei
Hydrozyklonen einsetzbar.
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Fig. 6 zeigt die Abwicklung der Wandung eines Tauchrohres 5 mit einem
trapezförmigen Ausschnitt 6. Der Ausschnitt wird begrenzt durch die senkrecht zur
Unterkante 9 stehende Kante 17, der parallel zur Unterkante 9 verlaufenden Kante
16 und der durch das Fluid angeströmten Kante 15, die mit der Unterkante 9 im Punkt
10 einen Winkel von 45 ° einschließt.
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Ausschnitte dieser Form können dann vorteilhaft sein, wenn die Eintauchtiefe
des Tauchrohres für einen dreiecksförmigen Ausschnitt zu gering ist.
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Fig. 7 zeigt die Variation eines dreiecksförmigen Ausschnitts. Die
durch das Fluid angeströmte Kante 19 des Ausschnitts 6 im Tauchrohr 5 ist parabelförmig
ausgebildet. Sie
schneidet die Unterkante 9 im Punkt 10. Die Kante
18 steht senkrecht auf der Unterkante 9.
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In Fig. 8 wird der Ausschnitt 6 im Tauchrohr 5 durch eine kurvenförmig
verlaufende Kante 14 begrenzt, die die Unterkante 9 tangential im Punkt 10 trifft.
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Da die Strömungsverhältnisse in einem Zyklonabscheider bauart- und
fluidabhängig sind, können die Anströmkanten, una damit die Ausschnitte, für verschiedene
Anwendungsfälle unterschiedlich aussehen. Die Ausbildung gerader Kanten verursacht
natürlich den geringsten fertigungstechnischen Aufwand. Aus diesem Grund wird eine
kurvenformig verlaufende Anströmkante besonders bei speziellen Anwendungsfällen
zun Einsatz kommen.
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Im folgenden werden für ein Ausführungsbeispiel mit einen dreiecksförmigen
Ausschnitt, und zwar einen Modellzyklon unten angegebener Abmessungen, die Ergebnisse
eines Vergleichsversuchs mit einem Tauchrohr üblicher Form und einen erfindungsgemäß
ausgestaltetem Tauchrohr gegenübergestellt.
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Der Modellzyklon hatte folgende Abmessungen: Zylinderabschnitt: Durchmesser:
442 mm, Höhe: 225 mm; Abscheideteil: Höhe: 354 mm, Durchmesser des Auslaßstutzens:
73 mm; Eintrittsstutzen: Höhe h: 196 mm, Breite: 175 mm, Radius der Krümmung im
Ubergang: 292 mir.,
Mittelpunkt der Krümmung: 65 mm vom Zyklonmittelpunkt,
verschoben in Richtung Eintrittsstutzen auf einer Parallelen zur Mittellinie des
Eintrittsstutzens.
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Tauchrohr: Das Tauchrohr war gestaltet wie in Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt.
Durchmesser: 226 mm, dreiecksförmiger Ausschnitt: rechtwinkelig, gleichschenkelig,
Länge der Kathete: 365 mm, Verhältnis h : t = 1 : 1,5. Es handelt sich um einen
Abscheidezyklon der Bauart, wie sie als Wärmetauscher-Zyklone verwendet wird.
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Versuchsbedingungen: Festkörperteilchen: Talkumpuder, Feststoffbeladung:
0,5 kg/m3, axiale Geschwindigkeit im Tauchrohr: 14,6 m/sec Ergebnisse: Herkömmliches
Tauchrohr: Abscheidegrad: Verhältnis der abgeschiedene Feststoffmenge zur aufgegebenen
Feststoffmenge: 83 %, Druckverlust: 9,8 bar Erfindungsgemäßes Tauchrohr: Abscheidegrad:
83 %, Druckverlust: 7,8 bar.
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Die Erniedrigung des Druckverlustes mit dem erfindunsgemäßen Tauchrohr
beträgt etwa 25 %.
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