DE3634994A1 - Zentrifuge - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zentrifuge, insbesondere eine De­ kantierzentrifuge, von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ange­ gebenen Art.

Die einer Zentrifuge in der Regel durch einen achsnahen Zulauf zugeführte Suspension od. dgl. zu zentrifugierende Flüssigkeit muß auf ihrem Weg zur Innenfläche der Zentrifugentrommel auf die der Zentrifugentrommel entsprechende Umfangsgeschwindigkeit beschleunigt werden und besitzt dann eine entsprechend große Rotationsenergie. Diese Rotationsenergie geht normalerweise beim Abführen der zentrifugierten Flüssigkeit aus der Zentri­ fuge ungenutzt verloren.

Aus EP-OS 01 59 422 ist eine Zentrifuge der angegebenen Art be­ kannt. Um die in der Flüssigkeit enthaltene Rotationsenergie wenigstens teilweise zurückzugewinnen, ist hierbei vorgesehen, sowohl die flüssige Klarphase als auch das flüssige Konzentrat von der Innenseite der Zentrifugentrommel durch mitumlaufende, radial nach innen gerichtete, am äußeren Ende schaufelartig ge­ krümmte Kanäle oder Abstreifrohre radial nach innen zu fördern, um sie dann an einer achsnahen Entnahmestelle zu entnehmen. Da die kinetische Energie der Flüssigkeit proportional zum Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit und damit zum Quadrat des Umlaufra­ duis ist, hat die an achsnaher Stelle entnommene Flüssigkeit eine entsprechend dem Quadrat des Radialverhältnisses geringere Rotationsenergie, und die entsprechende Energiedifferenz ver­ bleibt als kinetische Energie in dem rotierenden Teil der Zen­ trifuge, so daß die aufzuwendende Antriebsleistung entsprechend geringer ist. Auf einem ähnlichen Prinzip beruht die aus DE-OS 33 17 047 bekannte Vollmantel-Schneckenzentrifuge, bei der ebenfalls Klarphase und Konzentrat in der umlaufenden Trommel durch radiale Kanäle zur Achse hin gefördert und an einer achs­ nahen Stelle entnommen werden.

Die vorgenannten Zentrifugen beruhen somit auf dem Prinzip, die Flüssigkeit aus dem rotierenden Flüssigkeitsvolumen an einer möglichst achsnahen Stelle, und somit in einem möglichst ener­ giearmen Zustand, abzuziehen. Dieses Prinzip der Energieein­ sparung ist im übrigen bereits aus DE-AS 10 24 439 bekannt.

Die Rückgewinnung von Rotationsenergie nach dem vorgenannten Prinzip kann jedoch nur dann funktionieren, wenn die rotierende Flüssigkeit dazu gebracht werden kann, entgegen der Zentrifu­ galkraft radial nach innen zu einer achsnahen Austrittsstelle zu strömen. Dies ist nur dann möglich, wenn das gesamte Zentri­ fugenvolumen von der achsnahen Zuführungsstelle über den von der Zentrifugentrommel begrenzten Zentrifugenraum bis zur Aus­ trittsstelle ein vollständig mit Flüssigkeit gefülltes System bildet, in welchem nach dem Prinzip der kommunizierende Röhren der zulaufseitige hydrostatische Druck dafür sorgt, daß die Flüssigkeit an der Ablaufseite sich wieder in Richtung auf die Achse hin bewegen kann. Dies setzt voraus, daß sich in der Zen­ trifuge keine freie Flüssigkeitsoberfläche ausbildet, d. h., daß auch die aufkonzentrierte Phase noch eine freiströmende Flüs­ sigkeit ist.

Dekantier-Schneckenzentrifugen sollen aber häufig für solche Anwendungsfälle eingesetzt werden, in denen die Feststoffphase weitestgehend entwässert wird und keine Flüssigkeit, sondern einen Schlamm darstellt. In der Regel bildet sich beim Zentri­ fugieren an der Innenseite der Trommel eine Flüssigkeitsschicht von gegebener, häufig einstellbarer Dicke aus, aus der der Feststoff mittels der Zentrifugenschnecke herausgefördert wird.

Die Flüssigkeit dieser eine freie Grenzfläche aufweisenden Flüssigkeitsschicht kann nicht dazu gebracht werden durch radi­ ale Kanäle nach innen zu einer achsnahen Entnahmestelle zu strömen. Die eingangs genannten Anordnungen zur Rückgewinnung der Rotationsenergie der Flüssigkeit sind hier nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zentrifuge der genannten Art so auszubilden, daß eine möglichst weitgehende Rückgewinnung der in der abgetrennten Flüssigkeit enthaltenden Rotationsenergie auch dann möglich ist, wenn sich in der Zen­ trifuge eine freie Flüssigkeitsgrenzfläche ausbildet.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unter­ ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Im Gegensatz zu den vorbekannten Lösungen beruht die Erfindung nicht auf dem Prinzip, die Flüssigkeit an achsnaher Stelle mit möglichst geringer kinetischer Energie zu entnehmen, sondern darauf, möglichst die gesamte kinetische Energie der Flüssig­ keit mittels des Schäl- bzw. Entnahmerohres außerhalb des Zen­ trifugenrohrs verfügbar zu machen und diese Strömungsenergie dann mittels einer geeigneten Vorrichtung, insbesondere durch Beauf­ schlagung von Antriebselementen einer Strömungsmaschine, in nutzbare Antriebsenergie umzuwandeln. Insbesondere können un­ mittelbar an der Zentrifugentrommel angeordnete Antriebsschau­ feln od. dgl. mit der aus dem Entnahmerohr austretenden Flüssig­ keit beaufschlagt werden.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie so­ wohl bei kontinuierlich wie auch bei diskontinuierlich betrie­ benen Zentrifugen anwendbar ist und es ermöglicht, das Ver­ hältnis zwischen rückgewonnener und aufgewendeter Beschleuni­ gungsenergie unabhängig vom Volumenstrom konstant zu halten. Der Flüssigkeitsstand in Zentrifugen kann durch Verstellen der Schälrohre bei konstantem Volumenstrom beliebig geändert wer­ den, ohne daß das Verhältnis der Energierückgewinnung dadurch beeinflußt wird.

Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vollmantel­ zentrifuge mit angeschlossener Einrichtung zur Energie­ rückgewinnung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Vollmantelzentrifuge gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 3 einen Schnitt gemäß III-III von Fig. 2.

Die in Fig. 1 dargestellte, für diskontinuierlichen Betrieb be­ stimmte Vollmantelzentrifuge zur Trennung von Suspensionen mit niedrigem Feststoffgehalt besitzt ein Gehäuse 1, in der sich eine mittels Welle 3 fliegend gelagerte Zentrifugentrommel 5 befindet. Die Suspension gelangt durch das Füllrohr 7 in die Trommel 5, an deren Innenfläche sich durch die Zentrifugaltren­ nung eine Feststoff- bzw. Schlammschicht 9 und darüber eine Schicht 11 aus feststofffreier bzw. feststoffarmer Flüssigkeit ausbildet.

An der Stirnwand der Trommel 5 ist eine Ringtasse 13 ausgebil­ det, die mit der Trommel 5 über Öffnungen 15 kommuniziert. die Öffnungen 15 sind so angeordnet, daß nur Flüssigkeit aus der Schicht 11, aber kein Schlamm aus der Schicht 9 in die Ringtas­ sen 13 gelangt. Die Öffnungen 15 können auch mit vorzugsweise rückspülbaren Filterelementen versehen sein, um zusätzlich Feststoff zurückzuhalten. In der Ringtasse 13 können Beschleu­ nigungsrippen 17 angeordnet sein.

Aus der Ringtasse 13 wird die Flüssigkeit mittels mindestens eines Schälrohres 19 entnommen, welches am Gehäuse 1 gelagert ist, und dessen in die Flüssigkeitsschicht in der Ringtasse 13 eintauchendes Eintrittsende entgegen der Drehrichtung der Trom­ mel 5 angestellt ist. Die entnommene Flüssigkeit wird über eine Steigleitung 21 zu einem hochgelegenen Speicherbehälter 23 ge­ fördert. Die dabei mögliche Förderhöhe H ergibt sich aus der Umfangsgeschwindigkeit der Flüssigkeit in der Ringtasse 13 ent­ sprechend der Bernoulli-Gleichung. Die potentielle Energie der im Behälter 23 gespeicherten Flüssigkeit kann dann zur Arbeits­ leistung benutzt werden, in dem der Speicherbehälter 23 durch eine Leitung 25 mit einer Turbinen-Generatorkombination 27 ver­ bunden ist, in der die Energie der Flüssigkeit in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Leistungsregelung der Turbine kann über ein Ventil 29 erfolgen.

Die beschriebene Verwendung eines hochgelegenen Speicherbehäl­ ters ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Flüssigkeitsstrom aus der Zentrifuge zeitlich stark schwankt oder wenn die Flüs­ sigkeitsenergie aus mehreren diskontinuierlich arbeitenden Zen­ trifugen genutzt werden, der rückgewonnene Energiestrom aber zeitlich konstant anfallen soll.

Bei zeitlich konstant anfallendem Flüssigkeitsstrom aus der Zen­ trifuge kann die Turbo-Generator-Einheit 27 auch unter Umgehung des Speicherbehälters 23 direkt beschickt werden, wie durch das gestrichelte Leitungsstück 28 angedeutet.

Bei der in Fig. 2 und 3 dargestellten Vollmantelzentrifuge, de­ ren Bauart ähnlich der von Fig. 1 ist, wird die im Gehäuse 1 mittels der Welle 3 fliegend gelagerte Zentrifugentrommel 5 über ihre stirnseitige Öffnung 5′ durch ein (nicht dargestell­ tes) Zuführungsrohr mit Suspension versorgt. Wie bei der Aus­ führungsform nach Fig. 1 gelangt die am Trommelumfang abge­ trennte Klarflüssigkeit in eine Ringtasse 13, aus der sie mit­ tels Schälrohren 19 entnommen wird. In diesem Fall hat jedes Schälrohr 19 die Form eines gekrümmten Rohrstücks, welches an der Gehäusestirnwand mittels eines Zapfens 20 um eine zur Zen­ trifugenachse parallele Achse schwenkbar gelagert ist. Dadurch kann die Eintauchtiefe des Einströmendes des Schälrohrs 19 in die Flüssigkeitsschicht beliebig verändert werden. Zur Einstel­ lung eines gewünschten Winkels und damit einer gewünschten Ein­ tauchtiefe können an der Außenseite des Gehäuses 1 mit den Zap­ fen 20 (nicht dargestellte) Einstellelemente verbunden sein.

An der Stirnwand der Trommel 5 ist um die Eintrittsöffnung 5′ herum ein Kranz von Schaufelelementen 31 angeordnet, die von der aus den Schälrohren 19 austretenden Flüssigkeit beauf­ schlagt werden. Der mittlere Abstand der Schaufeln 31 von der Zentrifugenachse beträgt vorzugsweise etwa die Hälfte oder we­ niger als die Hälfte des mittleren Radius der Ringtasse 13.

Die mit der Umfangsgeschwindigkeit U ₁ aus der Ringtasse 13 ausgeschälte Flüssigkeit wird über die Schälrohre 19 abgelenkt und trifft auf die Schaufelelemente 31, die entsprechend ihrem geringen Achsabstand auch mit entsprechend kleinerer Umfangsge­ schwindigkeit, z. B. U ₂ ∼ ½ U ₁ rotieren. Durch eine geeig­ nete strömungsgünstige Gestaltung der Schaufelelemente, z. B. nach Art von Peltonschaufeln, werden die aus den Schälrohren auftreffenden Flüssigkeitsstrahlen an den Schaufelelementen so umgelenkt, daß die Fluidgeschwindigkeit beim Verlassen der Schaufeln relativ zur Umgebung praktisch gleich Null ist. Die kinetische Energie der aus den Schälrohren 19 austretenden Flüssigkeit wird somit nahezu vollständig als Antriebsenergie für die Trommel 5 rückgewonnen, wobei im idealen reibungsfreien Fall die Leistung N = ½ × U ₁ ² für den Trommelantrieb zur Verfügung steht, wenn der Massenstrom der ausgeschälten Flüssigkeit ist.

Die von den Schaufelelementen 31 abströmende Flüssigkeit wird von einem mit dem Gehäuse 1 verbundenen Leitkonus 33 aufgefan­ gen und über eine Austrittsöffnung 35 und einen Austritts­ stutzen 37 des Gehäuses 1 abgeführt.

Die beschriebene Anordnung erlaubt durch freiwählbares Verstel­ len der Schälrohre 19 ein beliebiges Absenken oder Anheben des Flüssigkeitsstandes in der Ringtasse 13 und damit in der Trom­ mel 5, ohne daß das Energierückgewinnverhältnis beeinträchtigt wird. Die Schaufelbeaufschlagung bei Volumenstromschwankungen kann durch Verstellen der Schälrohre oder durch völliges Aus­ tauchen eines oder mehrerer Schälrohre aus der Ringtasse erfol­ gen.

Die anhand von Fig. 2 beschriebene schwenkbare Anordnung der Schälrohre 19 zur Steuerung der Flüssigkeitsstände kann vor­ teilhafterweise auch bei dem Schälrohr 19 von Fig. 1 angewendet werden.

Claims (8)

1. Zentrifuge, insbesondere Dekantier-Schneckenzentrifuge, bei der die Entnahme der abgetrennten Flüssigkeit aus dem umlau­ fenden Zentrifugiergefäß mittels mindestens eines in die um­ laufende Flüssigkeitsschicht eintauchenden, mit seinem Ein­ trittsende entgegen der Drehrichtung angestellten Schälroh­ res erfolgt und dabei in der Flüssigkeit enthaltene kineti­ sche Energie teilweise rückgewonnen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Schälrohr (19) an einem nicht umlaufenden Teil (1) der Zentrifuge angeordnet ist und daß das Austrittsende des Schälrohres an eine Vorrichtung (27; 31) zur Umwandlung der Strömungsenergie der im Schälrohr geförderten Flüssigkeit in Nutzenergie angeschlossen ist.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Schaufeln (31) od. dgl. Antriebselemente einer Strömungsmaschine mit der aus dem Schälrohr (19) aus­ tretenden Flüssigkeit beaufschlagt sind.

3. Zentrifuge nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaufeln (31) od dgl. Antriebsele­ mente unmittelbar an der oder einer rotierenden Trommel (5) der Zentrifuge angeordnet sind.

4. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Strömungsmaschine mit einem elek­ trischen Generator gekoppelt ist.

5. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an das Schälrohr (19) eine Steigleitung (21) zu einem hochgelegenen Speicherbehälter (23) für Flüs­ sigkeit angeschlossen ist.

6. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das oder jedes Schälrohr (19) derart verstellbar gelagert ist, daß die Eintauchtiefe eines Ein­ trittsendes in die Flüssigkeitsschicht veränderbar ist.

7. Zentrifuge nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das oder jedes Schälrohr (19) um eine zur Zentrifugenachse parallele Schwenkachse (20) an einem ortsfesten Teil der Zentrifuge schwenkbar gelagert ist.

8. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das oder jedes Schälrohr in eine an der Zentrifugentrommel ausgebildete Ringtasse (13) taucht, die mit dem Innern der Zentrifugentrommel (5) über Öffnungen (15) kommuniziert.