DE3743598A1 - Vorrichtung zur beruehrungsfreien abdichtung einer oeffnung gegen aus- oder eintretendes gas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungsfreien Abdichtung einer Öffnung gegen aus- oder eintretendes Gas der im Oberbegriff des An­ spruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei Anlagen und Einrichtungen, bei denen durchlaufende Güter in geschlos­ senen Kammern mit Gasströmen beaufschlagt werden, stellt die Abdichtung der Ein- und Austrittsöffnungen der Kammer ein Problem dar. Dies gilt insbesondere dann, wenn die zu behandelnden Güter empfindliche Oberflächen haben, so daß eine berührende Abdichtung, beispielsweise mittels eines Ge­ webevorhanges oder einer aufliegenden Bürste oder Rolle, nicht in Frage kommt. In einem solchen Fall müssen berührungslose Abdichtungen vorgesehen werden, wie sie nur mit Strahlvorhängen realisiert werden können.

Bei einer solchen berührungslosen Abdichtung muß in vielen Fällen noch zu­ sätzlich darauf geachtet werden, eine Vermischung der Außenatmosphäre mit der Atmosphäre innerhalb der abzudichtenden Kammer zu vermeiden. Dies ist besonders dann wesentlich, wenn beispielsweise bei schutzgasbetriebenen An­ lagen oder bei Trocknern das Eintreten von Atmosphären-Sauerstoff aus pro­ zeßtechnischen oder sicherheitstechnischen Gründen unbedingt vermieden werden muß.

Eine Strahlströmung führt jedoch, bedingt durch die mit einem Strahl er­ zeugte Turbulenz, stets zu einer starken Vermischung zwischen dem Strahl­ vorhang einerseits und der Außenatmosphäre andererseits, so daß die her­ kömmlichen Vorrichtungen zur berührungsfreien Abdichtung nicht die ge­ stellten Anforderungen erfüllen.

Verschiedene Veröffentlichungen befassen sich mit Strahlabdichtungen zum Ausgleich einer Druckdifferenz, also zur Vermeidung der großflächigen Durchströmung der abzudichtenden Öffnung aufgrund des Druckunterschiedes zwischen der Umgebung und dem abzudichtenden Innenraum. Eine grundlegende Untersuchung wurde in einer Dissertation an der RWTH Aachen 1983 (HW Kuster) durchgeführt. Dabei wurde festgestellt, daß sich zwar mittels eines gegen den Druckgradienten geneigten Schlitzstrahls oder einer entspre­ chenden Anordnung von Strahlöffnungen, die faktisch auch einen Schlitz­ strahl bewirken, eine Druckdifferenz ausgleichen läßt, jedoch wegen der bereits erwähnten Strahlvermischung immer ein turbulenter Austausch zwi­ schen dem abzudichtenden Raum und der Umgebung auftritt, der für viele Anwendungsfälle nicht toleriert werden kann. Wie diese Untersuchungen zei­ gen, läßt sich zwar eine Konzentrationsabdichtung, die den Austausch zwi­ schen Außenatmosphäre und Innenraum der Kammer unterbinden würde, mit einem Strahl erreichen; jedoch sind dazu Schlitzstrahlen erforderlich, deren Aus­ trittsdüsenöffnung derart bemessen ist, daß die der Schlitzdüse gegenüber­ liegende Berandungsfläche der abzudichtenden Öffnung noch voll mit dem Kernstrahl beaufschlagt wird. Dies bedingt entweder sehr enge Öffnungen oder relativ breite Strahlen, die wiederum zu einem hohen Gasverbrauch führen.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß mit dem Schlitzstrahl ein Teil der aus der Schlitzdüse ausgeblasenen Gasmenge - die in diesem Fall der Anla­ genatmosphäre entspricht - in die Außenatmosphäre eingeblasen und dort ein­ gemischt wird. Dies ist jedoch bei Anlagen, in denen beispielsweise inner­ halb einer abzudichtenden Kammer gefährliche oder schädliche Gase zirku­ lieren, schon aus sicherheitstechnischen Gründen in der Regel nicht mög­ lich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur be­ rührungsfreien Abdichtung einer Öffnung gegen aus- oder eintretendes Gas der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten.

Insbesondere soll eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, die bei geringem Gasverbrauch die Vermischung der Außenatmosphäre mit der Atmosphäre in der abzudichtenden Kammer vermeidet.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmal erreicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf der Ausbildung eines Strahlvorhanges, der sowohl zur Konzentrations-Abdichtung als auch zur Druck-Abdichtung eingesetzt werden kann und die Ein- und/oder Austritts­ öffnung einer Kammer so abdichtet, daß es nicht zu einem Kontakt zwischen Innenatmosphäre und Außenatmosphäre kommen kann. Auch gefährliche Gase können innerhalb der Kammer zurückgehalten werden.

Gleichzeitig wird ausgeschlossen, daß sich das Gas in der Kammer mit der Außenatmosphäre mischt, so daß erstmals die hermetische Abdichtung einer Kammer möglich wird. Dies wird mit relativ geringem Gasverbrauch erreicht, da die Abdichtwirkung nicht auf der Menge des verwendeten Gases, sondern auf strömungstechnischen Gegebenheiten beruht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Be­ zugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine geteilte Düse, in deren Trennebene zwei ebene Teil­ strahlen aus unterschiedlichen Gasen aneinandergrenzen,

Fig. 2 eine Ansicht der geteilten Düse nach Fig. 1 für den Fall, daß die beiden Teilstrahlen auf eine der Ausblaseöffnung gegenüberliegende Prallfläche treffen.

Fig. 3 eine Kurvendarstellung des typischen Konzentrationsver­ laufes in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Düsen­ austrittsquerschnittes der Teilstrahlen, also senkrecht zur Trennebene der beiden Strahlen bei der Ausbildung eines Prallstrahls,

Fig. 4 eine Ansicht der räumlichen Anordnung von geteilten Düsen, Druckabdichtungsdüsen und zwischen diesen Düsen vorgese­ henen Absaugeinrichtungen bei einer Anlage, bei der der Querschnitt oberhalb und unterhalb eines Bandes, das durch eine abzudichtende Öffnung in eine Kammer eintritt, be­ rührungsfrei abgedichtet werden muß, und

Fig. 5 den Grundaufbau einer Abdichtungseinheit bestehend aus geteilter Strahldüse, Absaugung und Druckabdichtungsdüse mit den erforderlichen Strömungsantrieben.

Die aus Fig. 1 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 10 ange­ deutete geteilte Strahldüse erzeugt einen Freistrahl und besteht aus zwei Düsenköpfen 12 und 14, die durch ein Trennblech 16 voneinander getrennt sind. Der gemäß der Darstellung in Fig. 1 linke Düsenkopf 14 wird über ein Rohr 15 mit Gas beaufschlagt, das in Richtung des Pfeils zuströmt, während der rechte Düsenkopf 12 über ein Rohr 13 mit Luft beaufschlagt wird. Die Düsenköpfe 12 und 14 verjüngen sich von der Einlaßseite mit den Leitungen 13 und 15 zur Außenseite hin, d. h., die Seitenwände der Düsenköpfe 12, 14 laufen schräg auf das Trennblech 16 zu und enden jeweils in einer Schlitz­ düse 18.

Der aus der Schlitzdüse 18 austretende Freistrahl besteht zur einen Hälfte aus dem dem Düsenkopf 12 entströmenden Luftstrom und zur anderen Hälfte aus dem dem Düsenkopf 14 entströmenden Gasstrom. Beide Teilströme bilden einen gemeinsamen Strahlkern 20. Da in diesem Strahlkern 20 die Turbulenz der Strömung wesentlich niedriger ist als in der den Strahlkern 20 seitlich be­ grenzenden Mischzone 22, kommt es auch in der durch das Bezugszeichen 24 angedeuteten Grenzfläche zwischen Gas und Luft kaum zu einem Austausch.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht, bei der gegenüber der Schlitzdüse 18 der geteil­ ten Düse 10 eine Prallfläche 26 angeordnet ist; auf dieser Prallfläche 26 bildet sich eine Staulinie 28 aus.

Auf der Gasseite dieser Staulinie 28, nämlich der Seite 14 a, die dem von dem Gas durchströmten Düsenkopf 14 der geteilten Strahldüse 10 gegen­ überliegt, strömt der Gasstrom ab. In gleicher Weise strömt der Luftstrom, der aus dem Düsenkopf 12 austritt, auf der Seite 12 a der Prallfläche 26 ab.

Dadurch ergibt sich eine klare Trennung zwischen Gas und Luft, wie das aus Meßwerten gewonnene, in Fig. 3 dargestellte Diagramm zeigt. Für die aus einem Modellversuch erhaltenen, in diesem Diagramm dargestellten Ergebnisse wurde der Gasstrom durch einen Luftstrom simuliert, dem Propan mit einer Anfangskonzentration von 5000 ppm beigemischt worden war. An den Meßstellen wurde die Konzentration des Propans in dem "Gasstrom" mittels eines Flammenionisationsdetektors gemessen. Die Meßergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt, und zwar ausgedrückt als das Verhältnis Z/Zo zwischen der aktuellen Konzentration Z des Propans in dem Gasstrom an der Meßstelle und der Ausgangskonzentration Zo des Propans von 5000 ppm, aufgetragen über den Abständen x von dem Staupunkt 28 an der Prallfläche 26.

In Fig. 2 sind neben dem Staupunkt 28 noch die Mischzone 30 und die Ver­ zögerungszone 42 angedeutet.

In Fig. 3 sind die Meßergebnisse für drei verschiedene Parameter darge­ stellt, nämlich für unterschiedliche Werte des Verhältnisses h/2b, wobei

h = der lotrechte Abstand zwischen dem Staupunkt 28 und der Schlitzdüse 18 und
b = Breite der Schlitzdüse für den Gas- oder Luftstrom sind (siehe Fig. 1).

Bei den Versuchen wurde eine feste Breite b von 5 mm und eine Strömungsge­ schwindigkeit Vo von 10 m/s verwendet.

Aus Fig. 3 kann man ableiten, daß die Gaskonzentration sich an der Trenn­ ebene 24 sprunghaft ändert, so daß in der reinen Luft, die mit der Luft­ düse zugeführt wird, das Gas nicht mehr nachgewiesen werden kann. Der Kon­ zentrationsabfall auf der Gasseite ist darauf zurückzuführen, daß sich der mit Propan gemischte Luftstrom, mit dem das "Gas" simuliert wurde, mit der Umgebungsluft mischt. In der Praxis würde auf dieser Seite die Gasatmosphä­ re herrschen. Auf der "Luftseite" kommt es zu einem geringen Anstieg der Propankonzentration, weil der Meßraum während des Meßvorgangs zunehmend mit Propan kontaminiert wird. Wesentlich ist aber die meßtechnisch eindeutig nachweisbare sprunghafte Konzentrationsänderung in der Trennebene 24.

Die an einer Modell-Prallfläche gewonnenen Ergebnisse lassen sich ohne weiteres auf die Abdichtung einer Kammer 50, beispielsweise eines Ofens (siehe Fig. 4), übertragen, durch deren Eintritts-Öffnung 52 ein Band 48 in die Kammer 50 eingeführt werden soll. Im allgemeinen herrscht in einer solchen Kammer 50 eine bestimmte Gasatmosphäre, so daß ein Teilstrahl der geteilten Strahldüse 10 aus dem Gas besteht, das in der Kammer verwendet wird, während der andere Teilstrahl aus Luft besteht. Dabei sind der Gas-Teilstrahl der Kammer 50 und der Luft-Teilstrahl der Außenatmosphäre zugewandt.

Es ergeben sich die aus den Fig. 2 und 3 ableitbaren Verhältnisse, die zu einer physikalischen Trennung zwischen der Kammer 50 des Ofens einerseits und der Außenatmosphäre andererseits führen.

Soll nun mit einer solchen geteilten Strahldüse 10 nicht nur die erwähnte Konzentrations-Abdichtung, sondern noch zusätzlich eine Druck-Abdichtung erzielt werden, so kann dies gemäß Fig. 4 dadurch erfolgen, daß zwischen der Kammer 50 des Ofens und der geteilten Strahldüse 10 für die Konzen­ trations-Abdichtung, die den aus den Fig. 1 und 2 ersichtlichen Aufbau hat, eine zusätzliche Druckabdichtungsdüse 44 angeordnet ist. Diese weitere Strahldüse 44 erzeugt durch die Neigung ihrer Strahlachse entgegen dem herrschenden Druckgefälle eine Druckabdichtung, wie man aus der geneigten, in Fig. 4 angedeuteten Düsenöffnung erkennt.

Der Volumenstrom zwischen den beiden Düsen 10 und 44 muß mit einer Absaug­ einrichtung 46 abgesaugt werden, die als Absaugerohr mit innerer Drall­ strömung dargestellt ist und ein zylindrisches Rohr aufweist, in das der abgesaugte Volumenstrom tangential über eine schlitzförmige Öffnung ein­ tritt. Dadurch entsteht in dem Absaugerohr eine Drallströmung, in der sich beim Absaugen nach einer Seite oder nach beiden Seiten ein schrauben­ förmiger Stromlinienverlauf mit in Absaugerichtung ansteigender Steigung ausbildet.

Bei der Anlage nach Fig. 4 läuft das Band 48 horizontal durch die Ein­ laßöffnung 52 in die Kammer 50 des Ofens ein. Das Band 48 teilt also die Einlaßöffnung 52 der Kammer 50 in eine obere und eine untere Hälfte auf; um hier eine vollständige Abdichtung der Einlaßöffnung 52 zu erzielen, müssen Düsen 10, 44 und Absaugeeinrichtungen 46 spiegelbildlich auf beiden Seiten des Bandes 48 angeordnet werden, nämlich jeweils einander gegenüberliegend über und unter dem Band 48, wie es aus Fig. 4 ersichtlich ist.

Fig. 5 zeigt den Gesamtaufbau einer Anlage zur Abdichtung der Ofenkammer 50 mit einer Konzentrations-Abdichtungsdüse 10, einer Absaugeeinrichtung 46, einer Druckabdichtungsdüse 44 und den zugehörigen Strömungsantrieben. Es läßt sich erkennen, daß die Atmosphäre aus dem Gas in der Kammer 50 des Ofens mittels eines Ventilators 54 umgewälzt wird.

Ein weiterer Ventilator 54 führt der Druck-Abdichtungsdüse 44 das Gas zu, das auch die Atmosphäre in der Kammer 50 bildet.

Die Konzentrations-Abdichtungsdüse 10 empfängt Luft von einem Ventilator 56 und das Gas von einer Gasquelle (nicht dargestellt). Die Absaugeeinrichtung 46 ist an die Düsen 10 und 14 angeschlossen und führt das abgesaugte Gas mittels eines Ventilators 58 dem Kreislauf wieder zu, während die Luft nach außen abströmt.

Für viele Anwendungsfälle reicht es jedoch bereits aus, lediglich die ge­ teilte Konzentrations-Abdichtungsdüse 10 vorzusehen, insbesondere dann, wenn der Druckgradient zwischen der abzudichtenden Kammer 50 und der Um­ gebung nicht allzu groß wird, also beispielsweise kleiner als 10 Pa ist, da dann die Druckabdichtungswirkung von der geteilten, Konzentrations-Ab­ dichtungsdüse 10 mit übernommen werden kann.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur berührungsfreien Abdichtung einer Öffnung gegen aus- oder eintretendes Gas mittels mindestens eines Sperrgasstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Sperrgasstrahl in der Nähe seiner Längsachse längs einer Trennebene (24) geteilt ist, und daß in den beiden, an die Trennebene (24) angrenzenden Teilstrahlen unterschiedliche Gase ausströmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impuls­ stromdichte für die beiden Teilstrahlen des bzw. jedes Sperrgasstrahls im Austrittsquerschnitt gleich ist.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher oder annähernd gleicher Dichte der beiden Teilstrahlen die Austrittsgeschwindigkeit gleich oder annähernd gleich ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur berührungsfreien Ab­ dichtung einer mit einem Gas gefüllten Kammer gegen die Umgebungsatmosphä­ re, dadurch gekennzeichnet, daß der der Kammer (50) zugewandte Teilstrahl aus dem Gas in der Kammer (50) und der andere, der Außenatmosphäre zuge­ wandte Teilstrahl aus Luft bestehen.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen aus jeweils einer Schlitzdüse (18) einer geteilten Strahldüse (10) austreten.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß gegenüber der Schlitzdüse (18) eine Prallfläche (26) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, zur berührungsfreien Ab­ dichtung einer Öffnung einer Kammer, durch die ein zu behandelndes Band hindurchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder Seite des als Prallfläche dienenden Bandes (48) eine geteilte Strahldüse (10) zur Liefe­ rung der Teilstrahlen angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß neben der geteilten Strahldüse (10) eine weitere Strahldüse (44) ange­ ordnet ist, die durch Neigung ihrer Strahlachse entgegen dem herrschenden Druckgefälle eine Druckabdichtung erzeugt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich zwischen der geteilten Strahldüse (10) und der Druckabdichtungs-Strahl­ düse (44) eine Absaugeinrichtung (46) zur Absaugung zumindest eines Teils der Gasmenge aus diesem Raum angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Absaug­ einrichtung (46) ein zylindrisches Rohr aufweist, in das der abgesaugte Volumenstrom tangential über eine schlitzförmige Öffnung eintritt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der abgesaugte Volumenstrom zumindest teilweise der geteilten Strahl­ düse (10) und/oder der Druckabdichtungs-Strahldüse (44) und/oder der abzu­ dichtenden Kammer zugeführt wird.