DE3936078A1 - Drallerzeuger fuer zyklonabscheider - Google Patents
Drallerzeuger fuer zyklonabscheiderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen tangentialen Drallerzeuger für
oder zur Anreicherung von Phasen in unterschiedlichen Teil
strömen eingesetzt werden. Die Zyklonabscheider sind entweder
Aerozyklone oder auch Hydrozyklone, wobei deren Bauart für die
Anwendung der Erfindung nicht von wesentlicher Bedeutung ist.
Desweiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung
des Dralls und damit der gewünschten Trennleistung des
Abscheiders unabhängig von der Größe des aufgegebenen
Stoffstromes.
Die am meisten verbreitete Form der Drallerzeugung ist die
tangentiale Einleitung des Fluidstromes direkt am Abscheide
raum des Zyklonabscheiders, Form und Abmessungen des
Zuführungskanals richten sich nach den konkreten Zyklonab
scheiderabmessungen und dem Fluiddurchsatz. Diese Form ist
auch für neuere Zyklonentwicklungen verwendet worden
(DE 26 22 880). Sie wird nicht nur für Zyklonabscheider mit
Umkehr der axialen Strömungsrichtung (meist bei Aerozyklonen),
sondern auch für Zyklonabscheider mit Beibehaltung der axialen
Strömungsrichtung verwendet (DE 35 25 485). Daneben ist sie auch
bei komplizierteren Geometrien von Zyklonabscheidern anzutref
fen (SU 9 15 969). Dieser "Typ der tangentialen Drallerzeugung
ist konstruktiv einfach und erzeugt eine ausgeprägte Wirbel
fadenstruktur der Strömung, die mitunter eine Instabilität des
Wirbelkerns mit sich bringt.
Eine weitere verbreitete Form der tangentialen Drallerzeugung
wird durch eine tangentiale Zuführung des Fluidstromes bei
größerem Durchmesser mit anschließender spiralförmiger
Einziehung des Zuführungskanals realisiert. Derartige Drall
erzeuger sind bereits sehr lange bekannt (DR 1 34 360). Die
Kanalform ist dabei sehr unterschiedlich ausgebildet
(US 40 11 068). Der spiralförmigen Einziehung des Kanals in
einer Ebene, die senkrecht zur Zyklonachse liegt, ist oft noch
eine spiralförmige Weiterführung des Kanals in axialer
Richtung überlagert. Auch für mehrere Kanäle ist eine solche
Gestaltung bekannt (DE 26 47 486). Die Stabilität der Wirbel
strömung kann damit zwar verbessert werden, jedoch sind
komplizierte geometrische Gestaltungen ein auffälliger
Nachteil dieser Ausführungen.
Weiterhin ist den bisher aufgeführten Drallerzeugern
gemeinsam, daß der Durchsatz bei festgelegter Geometrie des
Drallerzeugers nicht mehr verändert werden kann, ohne daß
erhebliche Auswirkungen auf das Abscheideergebnis entstehen.
Eine Möglichkeit den Drall bei gleichbleibendem Durchsatz zu
ändern, besteht beispielsweise in dem zusätzlichen Einbau von
Leitblechen, die im Drallerzeuger verstellbar angebracht
werden. Daraus ergibt sich aber der Nachteil zusätzlicher
Flächen, an denen durch Reibungswirkung Energie verbraucht
wird. Desweiteren ist eine Verstellung der Leitflächen bei
verschiedenen Prozessen, z. B. solchen, die unter hohem Druck
oder bei hohen Temperaturen ablaufen, nicht ohne weitere
Aufwendungen möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbesserung der Drall
erzeugung und dadurch eine hohe Trennwirkung in Zyklon
abscheidern zu erreichen, wobei gleichzeitig ein stabiler
Betrieb gewährleistet sein muß. Weiterhin soll bei gleichblei
bendem Durchsatz und gleicher Zusammensetzung des Aufgabe
stromes der Abscheidegrad des Zyklonabscheiders verändert bzw.
bei schwankendem Durchsatz der Abscheidegrad aufrechterhalten
werden können.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
- a) der Drallerzeuger aus einer rotationssymmetrischen Drall kammer mit oberer, unterer und äußerer Begrenzung, an der sich eine oder mehrere Eintrittsöffnungen befinden, besteht, und die Drallkammer zum Abscheideraum des Zyklonabscheiders eine rotationssymmetrische Austritts öffnung hat,
- b) die Symmetrieachse der Drallkammer mit der Symmetrieachse des Zyklonabscheiders zusammenfällt,
- c) sich an jeder Eintrittsöffnung der Drallkammer ein tangentialer Zuführungskanal befindet,
- d) die Querschnittsfläche eines Zuführungskanals und die Einströmquerschnittsfläche der Drallkammer jeweils an der Stelle der tangentialen Einmündung dieses Zuführungskanals einen Unterschied von maximal 50% aufweisen,
- e) der Außendurchmesser der Drallkammer mindestens um den doppelten Wert der Breite eines Zuführungskanals an dessen Einmündung in die Drallkammer größer als der Durchmesser der Austrittsöffnung der Drallkammer ist,
- f) die radial durchströmte Querschnittsfläche der Drallkammer mindestens ab einer Entfernung von der äußeren Begrenzung, die höchstens der Breite des Zuführungskanals entspricht, bis zur Austrittsöffnung zur Symmetrieachse hin abnimmt,
- g) die Linie, die, betrachtet bei einem Längsschnitt durch die Drallkammer, den gleichen Abstand zu oberer und unterer Begrenzung der Drallkammer hat, auf mindestens zwei Dritteln ihres Verlaufs von der äußeren Begrenzung bis zur Austrittsöffnung hin einen Winkel von 70 bis 90 Grad zur Symmetrieachse aufweist.
Unter einem Längsschnitt durch die Drallkammer wird ein
Schnitt entlang der Symmetrieachse der Drallkammer verstanden.
Die radial durchströmte Querschnittsfläche der Drallkammer
wird gebildet aus dem jeweiligen Durchmesser der Drallkammer
und der Höhe der Drallkammer. Als Höhe der Drallkammer gilt
der Abstand von der oberen zur unteren Begrenzung der
Drallkammer, gemessen parallel zur Symmetrieachse. Die Breite
des Zuführungskanals ist definiert als Abstand zwischen zwei
zur Symmetrieachse der Drallkammer parallelen Geraden, die die
Umfangsbegrenzung der Querschnittsfläche des Zuführungskanals
an beiden Seiten berühren.
Die Austrittsöffnung ist die radial durchströmte Quer
schnittsfläche bei einem Radius, für den gilt, daß bei weiter
abnehmendem Radius diese Fläche nicht mehr abnimmt.
Die Einströmquerschnittsfläche der Drallkammer an der Stelle
der tangentialen Einmündung eines Zuführungskanals wird,
betrachtet bei einem Längsschnitt durch die Drallkammer, von
deren oberer, unterer und äußerer Begrenzung sowie einer
Parallelen zur Symmetrieachse, die die Umfangsbegrenzung der
Querschnittsfläche des Zuführungskanals an der zur Symmetrie
achse liegenden Seite des Zuführungskanals berührt, gebildet.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Drallkammer läßt ver
schiedene konstruktive Möglichkeiten zu. Dabei sollte die Höhe
der Drallkammer auf mindestens zwei Dritteln der Strecke von
der äußeren Begrenzung bis zur Austrittsöffnung in Richtung
Symmetrieachse nicht zunehmen, d. h. die Höhe der Drallkammer
sollte nicht größer als die Höhe eines Zuführungskanals sein.
Eine zweckmäßige Ausführung ist die, bei der die Höhe auf der
gesamten Strecke konstant bleibt. Günstig sind solche
Ausführungen, bei denen die Kontur der Drallkammer zur Aus
trittsöffnung hin eingezogen wird, d. h. die Höhe der Drall
kammer auf einem Teil der Strecke abnimmt, da damit eine noch
größere Beschleunigung der Strömung und somit ihre Ver
gleichmäßigung erreicht wird. Diese Höhenabnahme sollte
vorzugsweise linear sein. Besonders bevorzugt sind solche
Ausführungen, bei denen die Höhe der Drallkammer auf die
Hälfte abnimmt. Dieses Einziehen der Kontur der Drallkammer
sollte jedoch erst in einer Entfernung von der äußeren Begren
zung, die gleich der Breite der Zuführungskanäle ist,
erfolgen.
Weiterhin wird der Drallerzeuger vorzugsweise so ausgestaltet,
daß er mit mehreren, insbesondere mit einer geradzahligen
Anzahl von Zuführungskanälen versehen ist, die gleichmäßig
über den Umfang der Drallkammer verteilt sind, wobei alle
eine gleiche Querschnittsfläche besitzen sollten. Die
Querschnittsfläche kann unterschiedlich sein, bevorzugt ist
jedoch eine rechteckige Querschnittsfläche. Aus fertigungs
technischer Sicht ist in manchen Fällen eine kreisförmige
Querschnittsfläche günstig. Bei der Wahl des Querschnitts ist
aber zu beachten, daß sich die Querschnittsfläche des
jeweiligen tangentialen Zuführungskanals von der
Einströmquerschnittsfläche der Drallkammer an der Stelle der
tangentialen Zuführung nicht mehr als 50% unterscheidet.
Bevorzugt ist eine identische Ausführungsform von Drallkammer
einströmquerschnitt und Querschnitt des Zuführungskanals. Bei
einer solchen Gestaltung erfährt die Strömung keine über
flüssige Verzögerung oder Beschleunigung beim Eintritt in die
Drallkammer, sondern kann sich ungestört zur Drallströmung
umbilden.
In Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform des
rechteckigen Querschnitts der Zuführungskanäle ist die äußere
Begrenzung der Drallkammer vorzugsweise ein Zylindermantel.
Für die Zuführungskanäle wird bevorzugt eine solche Gestaltung
gewählt, bei der diese - unabhängig von ihrem Querschnitt
eine gerade Länge von mindestens dem dreifachen Wert des
gleichwertigen hydraulischen Durchmessers der Kanalquer
schnittsfläche besitzen und sich die Querschnittsfläche des
durchströmten Kanals nicht ändert.
Der Außendurchmesser der Drallkammer sollte vorzugsweise
mindestens doppelt so groß sein wie der Durchmesser der
Austrittsöffnung der Drallkammer. Je größer das Verhältnis von
Außendurchmesser der Drallkammer zum Durchmesser der
Austrittsöffnung ist und je mehr Zuführungskanäle bei gleicher
Gesamtquerschnittsfläche aller Zuführungskanäle verwendet
werden, desto gleichmäßiger sind die Strömungsgrößen beim
Eintritt in den Abscheideraum des Zyklonabscheiders über den
Umfang verteilt und desto geringer ist der Energieverlust für
die Ausbildung der Drallströmung. Die Anzahl der tangentialen
Zuführungskanäle darf jedoch nicht zu groß gewählt werden, da
in diesem Fall - bei vorgegebenem Durchsatz - der Eintritts
impuls niedriger ist und somit nicht so ein großer Umfangs
impuls am Austritt aus der Drallkammer erreicht werden kann.
Es kommt demzufolge darauf an, bei der Festlegung der Anzahl
der Zuführungskanäle einen Kompromiß zwischen dem erzielbaren
Grad der Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofils und der
Höhe des möglichen Umfangsimpulses zu finden.
Der Wirbel in der Drallkammer soll im wesentlichen als ebener
Wirbel entstehen. Das erfordert, daß die Linie, die bei einem
Längsschnitt durch die Drallkammer den gleichen Abstand zu
oberer und unterer Begrenzung der Drallkammer hat, auf
mindestens zwei Dritteln ihres Verlaufs von der äußeren
Begrenzung bis zur Austrittsöffnung hin einen Winkel von 70
bis 90 Grad zur Symmetrieachse des Drallerzeugers aufweist.
Erst danach kann eine Richtungsänderung erfolgen, um die
Strömung gegebenenfalls zusätzlich in eine axiale Richtung zu
lenken, wenn dies für die besondere Konstruktion des Zyklon
abscheiders zweckmäßig erscheint. Bevorzugt ist jedoch, daß
diese Linie nicht nur auf zwei Dritteln der Strecke, sondern
auf ihrem gesamten Verlauf einen Winkel von 90 Grad zur
Symmetrieachse hat.
Mit diesem Aufbau des Drallerzeugers wird erreicht, daß die
Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit bei einem
verhältnismäßig großen Umfang erzeugt wird. Der Wirbel setzt
zur Achse hin vergleichbar einem Potentialwirbel fort und
erreicht damit höhere Umfangsgeschwindigkeiten als bei
tangentialer Einleitung unmittelbar am Umfang des Abscheide
raumes. Wichtig ist, die Tangente an die äußere Begrenzung der
Drallkammer anzulegen.
Die Aufteilung des gesamten Stromes auf mehrere Zuführungs
kanäle führt zu einer - entsprechend der Anzahl der Kanäle -
sich verringernden Eintrittsgeschwindigkeit. Bei der Umlenkung
des Stoffstromes auf die Umlaufbahn in der Drallkammer sind
die Energieverluste wegen der niedrigen Geschwindigkeit
deutlich geringer. Eine spiralförmige Kontur der Drallkammer
in der Ebene des erzeugten Wirbels wird nicht verwendet. Die
Strömung bewegt sich auch ohne diese Kontur in Form eines
Wirbels. Durch die rotationssymmetrische Gestaltung der
Drallkammer ist daher eine wesentlich einfachere Form, die für
die Fertigung günstiger ist, möglich. Auf zusätzliche
Leitflächen wird völlig verzichtet. Damit werden Reibungs
verluste minimiert. Die Strömung muß von der Stelle des
Eintritts in die Drallkammer bis zum Eintritt in den Abschei
deraum, d.h. bis zur Austrittsöffnung der Drallkammer, einen
Weg zurücklegen, auf dem sie eine Beschleunigung erfährt.
Vergleichbar mit der Vergleichmäßigung des Geschwindig
keitsprofils einer Rohrströmung nach einer runden Düse, in der
die Strömung beschleunigt wurde, kommt es dabei zu einer
Vergleichmäßigung der Geschwindigkeit über den Umfang.
Durch die erfindungsgemäße Ausführung der Drallkammer können
die Querschnittsflächen der Zuführungskanäle größer als im
Stand der Technik ausgeführt werden. Das hat in der Praxis den
wichtigen Vorteil, die Verstopfungsgefahr, insbesondere bei
kleinen Hydrozyklonen, erheblich zu senken oder zu beseitigen
und trotzdem hohe Umfangsgeschwindigkeiten im Abscheideraum
zu erhalten.
Die erfindungsgemäße Steuerung der Trennleistung des Ab
scheiders erfolgt in der Weise, daß der gesamte Stoffstrom,
der dem Zyklonabscheider zugeführt wird, in mehrere Teilströme
zerlegt und damit jeweils die Zuführungskanäle des Drall
erzeugers beaufschlagt werden. Mindestens einer der Teilströme
muß dabei in seiner Größe veränderbar sein. Es ist zweckmäßig,
die Zuführungskanäle gleichmäßig über den Umfang des Drall
erzeugers zu verteilen, wobei erfindungsgemäß der gesamte dem
Drallerzeuger zugeführte Stoffstrom vor dem Drallerzeuger
durch eine erste Teilung auf zwei oder mehrere Teilströme
aufgeteilt wird, oder mindestens zwei Eingangsstoffströme
verwendet werden, von denen mindestens einer über eine
Einrichtung zum Variieren der Teilströme geleitet wird, wobei
die Variierung der Teilströme zu gleichen oder ungleichen
Teilen erfolgt, und anschließend gegebenenfalls eine zweite
Aufteilung der Teilströme auf wiederum zwei oder mehrere
Teilströme erfolgt, und die resultierenden Teilströme über je
einen Zuführungskanal in den Drallerzeuger geleitet werden.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es
grundsätzlich für alle Ausführungsmöglichkeiten vorteilhaft,
den Stoffstrom auf eine geradzahlige Anzahl der dem Draller
zeuger zuzuführenden Teilströme aufzuteilen, weil damit bei
Variierung der Teilströme gesichert ist, daß der Drallerzeuger
durch gleichmäßig über den Umfang verteilte Zuführungskanäle
beaufschlagt wird und dadurch die Rotationssymmetrie im
Drallerzeuger erhalten bleibt.
Es ist daher zweckmäßig, den Stoffstrom bereits durch die
erste Teilung auf eine geradzahlige Anzahl von Teilströmen
aufzuteilen, wobei bevorzugt eine Aufteilung auf zwei
Teilströme erfolgt. Vorteilhaft ist die Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in der Weise, daß der Stoffstrom
durch die erste Teilung auf eine geradzahlige Anzahl von
Teilströmen und durch die zweite Teilung auf vier oder eine
solche Anzahl von Teilströmen aufgeteilt wird, die ein natür
liches Vielfaches der Anzahl der Teilströme der ersten Teilung
ist. Dabei werden jeweils die nach der zweiten Teilung erhal
tenen Teilströme, die aus jeweils einem Teilstrom der ersten
Teilung resultieren, in gleichmäßig über den Umfang des
Drallerzeugers angeordnete Zuführungskanäle geleitet.
Besonders vorteilhaft kann das Verfahren so durchgeführt
werden, daß der Stoffstrom durch die erste Teilung in zwei
oder mehrere Teilströme aufgeteilt wird, von denen jeder in
seiner Größe variiert werden kann.
Bei bestimmten Betriebsbedingungen kann das erfindungsgemäße
Verfahren vorteilhaft in der Weise durchgeführt werden, daß
ein Teil des aus dem Zyklonabscheider austretenden gereinigten
Fluids in Art einer by-pass-Schaltung dem Stoffstrom vor der
ersten Teilung wieder zugeführt wird.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen darin,
daß einerseits bei konstantem anstehenden Stoffstrom ein Vari
ieren der Drallbewegung im Abscheider möglich ist und damit
die Trennwirkung des Zyklonabscheiders beeinflußt werden kann
und daß andererseits bei veränderlicher Größe des Stoffstroms
durch Variieren der Teilströme die Drallbewegung verändert
werden kann und damit eine gleichbleibende Trennwirkung des
Zyklonabscheiders erreicht wird.
Bei konstantem Durchsatz wird der niedrigste Drall im Zyklon
abscheider erreicht, wenn der gesamte Stoffstrom gleichmäßig
auf alle Zuführungskanäle verteilt wird. Ohne Durchsatzver
änderung läßt sich der Gesamtstrom jedoch auch auf eine
geringere Anzahl von Zuführungskanälen aufteilen, indem ein
oder mehrere Teilströme reduziert werden. Die Eintritts
geschwindigkeit der dadurch größer werdenden Teilströme in die
Drallkammer nimmt dabei zu und damit auch der Drall im
Zyklonabscheider. Die Verringerung der durchströmten
Querschnittsfläche in der Drallkammer in Richtung Symmetrie
achse sorgt dabei für die Vergleichmäßigung des Geschwindig
keitsprofils bis zum Austritt aus der Drallkammer. Die
Rotationssymmetrie der Strömung im Zyklonabscheider wird damit
nur unwesentlich gestört. Bei konstantem Durchsatz und
verändertem Drall resultiert bei konstanter Qualität des
Aufgabestromes ein anderer Trenngrad.
Dieses Prinzip der Aufteilung der Teilströme läßt sich für die
Lösung unterschiedlicher Aufgaben anwenden. Der Trenngrad kann
aufrecht erhalten werden, wenn sich der Durchsatz oder die
Konzentration des Aufgabegutes ändern. Es ist aber, je nach
technologischer Aufgabenstellung, auch eine Änderung des
Trenngrades möglich. Diese Effekte werden stets durch die
Dralländerung bewirkt. Für eine Zusammenschaltung von Zyklon
abscheidern oder die Rückführung von Teilströmen aus der
gleichen oder einer nachgeschalteten Trennstufe ergeben sich
zusätzliche Möglichkeiten. Zum Variieren der Stoffströme können
dem Fachmann geläufige Einrichtungen, z. B. Ventile, Schieber
und Hähne sowie andere Bauteile, verwendet werden. Die
Stoffströme können aber auch über Förderorgane geleitet
werden, deren Fördercharakteristik verändert wird, wie dies
bei drehzahlgeregelten Kreiselpumpen möglich ist.
Es gibt vielfältige Möglichkeiten den erfindungsgemäßen
Drallerzeuger mit Zyklonabscheidern zu kombinieren. Unter
schiedliche konstruktive Varianten, die bei Verzicht auf die
Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Aufteilung des
gesamten Stoffstromes auf die Zuführungskanäle realisieren,
z. B. Verteilerräume, werden in den Ausführungsbeispielen nicht
behandelt. Die hohen Umfangsgeschwindigkeiten, die im Zyklon
abscheider durch den erfindungsgemäßen Drallerzeuger hervorge
rufen werden, lassen es zweckmäßig erscheinen, Maßnahmen zur
Rückgewinnung der Rotationsenergie sowie zur Vermeidung von
Druckverlusten im Zyklonabscheider zu treffen. Auf derartige
Mittel, wie z. B. Einbauten im Tauchrohr u. ä., wird in den
Ausführungsbeispielen ebenfalls nicht eingegangen.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungs
beispielen näher erläutert.
Das erste Ausführungsbeispiel betrifft einen Aerozyklon. Fig.
1 zeigt den Zyklon mit Drallerzeuger als Draufsicht und Fig.
2 einen Längsschnitt A-A von Zyklon mit Drallerzeuger.
Die rotationssymmetrische Drallkammer 1 ist am Kopf des
Zyklons angeordnet. Die obere Begrenzung 2 und die untere
Begrenzung 3 der Drallkammer 1 sind parallel zueinander und in
einem Winkel von 90 Grad zur Symmetrieachse des Drallerzeugers
angeordnet. Die äußere Begrenzung 4 ist ein zylindrischer
Mantel und erscheint in Fig. 2 als Gerade. Zur Symmetrieachse
des Zyklons hin besitzt die Drallkammer 1 die rotations
symmetrische Austrittsöffnung 7. Aus Fig. 1 erkennt man, daß
die Drallkammer 1 mit einem Zuführungskanal 8 ausgerüstet ist,
der tangential in die Drallkammer mündet. Der Strömungs
querschnitt des Zuführungskanals 8 ist quadratisch und stimmt
mit der Querschnittsfläche der Drallkammer an der Ein
trittsstelle des Zuführungskanal 8 in die Drallkammer 1
überein. Dies wird in Fig. 2 deutlich. Dadurch erscheint die
Eintrittsöffnung 5 in dieser Figur als Quadrat. Der Mantel des
Abscheideraumes 6 ist ein Zylinder mit einem sich anschließen
den Konus. Der Zyklon ist in diesem Fall ein Aerozyklon mit
Umkehr der axialen Strömungsrichtung.
Das zweite Ausführungsbeispiel betrifft einen Hydrozyklon.
Fig. 3 zeigt den Hydrozyklon mit Drallerzeuger in der
Draufsicht. In Fig. 4 ist ein Längsschnitt A-A von
Hydrozyklon und Drallerzeuger dargestellt.
Die Drallkammer 1, die in gleicher Weise wie im ersten Ausfüh
rungsbeispiel als zylindrische Drallkammer 1 ausgeführt ist,
befindet sich am Kopf eines zylindrischen Hydrozyklons. Der
äußere Durchmesser der Drallkammer 1 ist mehr als doppelt so
groß wie der Durchmesser des Abscheideraumes 6. Die Drall
kammer 1 ist mit zwei Zuführungskanälen 8 ausgestattet, die
tangential in die Drallkammer 1 münden und wie im ersten
Ausführungsbeispiel sind die Strömungsquerschnitte der Zufüh
rungskanäle 8 quadratisch. Entsprechend dem erfindungsgemäßen
Verfahren kann der gesamte Stoffstrom 9, der dem Zyklon zuge
führt wird, entweder auf beide Zuführungskanäle 8 aufgeteilt
oder nur einem Zuführungskanal 8 zugeführt werden. Bei der
Aufteilung des Stromes 9 auf zwei Zuführungskanäle 8 kommt die
Strömung am Austritt aus der Drallkammer 1 der Rotations
symmetrie näher. Benutzt man nur einen Zuführungskanal 8, so
sind die Abweichungen von der Rotationssymmmetrie größer,
jedoch steigt die Umfangsgeschwindigkeit beim Einströmen in
den Abscheideraum 6 auf nahezu den doppelten Wert an. Zwischen
diesen beiden Grenzen ist jede Aufteilung mit entsprechender
Wirkung auf den Drall einstellbar. Das Verfahren zur Auftei
lung des Stoffstromes ist in den Beispielen 7 und 8
beschrieben.
Das dritte Ausführungsbeispiel ist in Fig. 5 (Draufsicht) und
in Fig. 6 (Längsschnitt A-A) dargestellt.
Bei diesem Beispiel handelt es sich um einen Hydrozyklon mit
langgestrecktem Konus. Der Drallerzeuger ist wie in den beiden
ersten Ausführungsbeispielen mit einer zylindrischen Drall
kammer 1 ausgeführt. Die Drallkammer 1 ist mit vier tangentia
len Zuführungskanälen 8 ausgerüstet. Die Aufteilung des
Stoffstromes 9 erfolgt in zwei Teilströme 10 , die ihrerseits
wieder halbiert werden und anschließend den Zuführungskanälen
8 zugeleitet werden, die sich achssymmetrisch gegenüber
liegen. Wird der gesamte Stoffstrom 9 auf nur zwei
Zuführungskanäle 8 aufgeteilt, entsteht der gleiche Zustand
wie bei Beispiel 2. Eine nahezu ideale Rotationssymmetrie wird
bei Aufteilung des Stoffstromes 9 auf vier Zuführungskanäle 8
erreicht.
Beim vierten Ausführungsbeispiel handelt es sich um die
Kombination eines Hydrozyklons ohne Umkehr der axialen
Strömungsrichtung mit dem erfindungsgemäßen Drallerzeuger. Die
Draufsicht ist in Fig. 7 und der Längsschnitt A-A ist in
Fig. 8 dargestellt.
Die Drallkammer 1 ist mit zwei Zuführungskanälen 8
ausgerüstet. Die Höhe der Drallkammer 1 ist im Gegensatz zu
den vorherigen Beispielen nicht konstant. Zur Symmetrieachse
des Drallerzeugers hin nimmt die Höhe der Drallkammer 1 nach
einem Abstand von der äußeren Begrenzung 4, der der Breite des
Zuführungskanals 8 entspricht, linear ab. Der Abstand von
oberer 2 und unterer Begrenzung 3 ist an der Stelle der
Austrittsöffnung 7 nur noch halb so groß wie die Eintrittshöhe
des Zuführungskanals 8 und damit auch der Drallkammer 1 in
ihrem Außenbereich. Es wird somit wieder eine der Rotations
symmetrie nahekommende Strömung erreicht.
Das fünfte Ausführungsbeispiel betrifft einen Hydrozyklon,
der aus einem zylindrischen Teil mit sich anschließendem Konus
und dem erfindungsgemäßen Drallerzeuger besteht. Die
Draufsicht zeigt Fig. 9 und den Längsschnitt A-A Fig. 10.
Die Drallkammer 1 besitzt einen Zuführungskanal 8. Gegenüber
den ersten drei Ausführungsbeispielen weist die Drallkammer 1
Abweichungen auf. Nach einer Entfernung von der äußeren
Begrenzung 4 , die größer als zwei Drittel des Abstandes von
der äußeren Begrenzung 4 bis zur Austrittsöffnung 7 ist,
verlaufen obere 2 und untere Begrenzung 3 der Drallkammer 1
nicht mehr in einem Winkel von 90 Grad zur Symmetrieachse des
Drallerzeugers. Die durchströmte Querschnittsfläche wird an
dieser Stelle durch diese Kontur verringert und gleichzeitig
eine Umlenkung des Stromes in die axiale Richtung unterstützt.
Die Querschnittsfläche des Zuführungskanals 8 ist nicht wie
bei den anderen Ausführungsbeispielen quadratisch, sondern
kreisförmig. Daher erscheint die Eintrittsöffnung 5 im
Längsschnitt als Kreis. Bei der Fertigung des Drallerzeugers
kann ein kreisförmiger Zuführungskanal 8 gegebenenfalls
zweckmäßiger sein als ein rechteckiger. Der Durchmesser des
Zuführungskanals 8 ist genauso groß wie die Höhe der Drall
kammer 1 an der Eintrittsstelle des Zuführungskanals 8 in die
Drallkammer 1. Selbstverständlich kann dieser Drallerzeuger
auch mit mehreren Zuführungskanälen 8 ausgestattet und damit
auch das Verfahren zur Steuerung angewandt werden.
Das sechste Ausführungsbeispiel stellt die Kombination eines
Doppelkegelzyklonabscheiders mit dem Drallerzeuger dar. Fig.
11 zeigt den Längsschnitt B-B und Fig. 12 zeigt den
Querschnitt A-A durch den Apparat.
Die Drallkammer 1 besitzt zwei tangentiale Zuführungskanäle 8.
Die Höhe der Drallkammer 1 nimmt in Richtung Austrittsöffnung
7 der Drallkammer 1 ab. Durch die Gestaltung des Drall
erzeugers wird eine der Rotationssymmetrie nahekommende
Strömung erreicht. Nach Passieren der Austrittsöffnung 7
entfaltet sich die Strömung sowohl radial als auch axial unter
Beibehaltung ihrer Tangentialkomponente.
In Fig. 13 ist die einfachste Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Der anstehende gesamte Stoffstrom 9 wird durch eine erste
Teilung in zwei Teilströme 10 aufgeteilt. Der eine Teilstrom
10 wird über ein Ventil 11 geleitet und kann damit je nach
Anforderung variiert werden. Beide Teilströme 10 münden in je
einen Zuführungskanal 8 des Drallerzeugers, wobei die
Zuführungskanäle 8 in gleichem Abstand voneinander angeordnet
sind.
Unter der Voraussetzung, daß
- a) die Leitungen, durch die die Teilströme 10 bis zu den Zuführungskanälen 8 geführt werden, so ausgelegt sind, daß die Druckverluste gleich sind und
- b) die Querschnitte der Zuführungskanäle 8 gleich groß sind, wird der Drallerzeuger bei geöffnetem Ventil 11 gleichmäßig aus beiden Zuführungskanälen 8 beaufschlagt.
Ist bei konstantem Stoffstrom 9 eine Erhöhung der Drallbewe
lichem Maße geschlossen. lst das Ventil 11 völlig geschlossen,
wird eine Erhöhung der Drallbewegung auf den maximal möglichen
Wert erreicht.
In Fig. 14 ist eine bevorzugte Ausführungsform des erfin
dungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
Der anstehende gesamte Stoffstrom 9 wird durch eine erste
Teilung in zwei Teilströme 10 aufgeteilt und über je ein
Ventil 11 geführt, wodurch eine Variierung beider Teilströme
10 möglich ist. Danach werden beide Teilströme 10 durch eine
zweite Teilung in jeweils zwei weitere Teilströme 12
aufgeteilt, die in vier gleichmäßig über den Umfang des
Drallerzeugers verteilte Zuführungskanäle 8 geleitet werden,
wobei jeweils die zwei der zu einem Teilstrom 10 gehörenden
Teilströme 12 in die einander gegenüberliegenden Zuführungs
kanäle 8 geführt werden.
Unter der Voraussetzung, daß
- a) die Druckverluste für alle Leitungen, durch die die Teilströme 10 und 12 bis zu den Zuführungskanälen 8 geführt werden, gleich groß sind und
- b) die Querschnitte der Zuführungskanäle 8 ebenfalls gleich groß sind,
wird der Drallerzeuger bei geöffneten Ventilen 11 gleichmäßig
über alle vier Zuführungskanäle 8 beaufschlagt. Ist bei kon
stantem Stoffstrom 9 eine Erhöhung der Drallbewegung
erwünscht, wird beispielsweise das Ventil 11, über das einer
der Teilströme 10 geleitet wird, völlig geschlossen und der
gesamte Stoffstrom 9 zwei einander gegenüberliegenden
Zuführungskanälen 8 zugeführt und damit die bei dieser
Variante maximal mögliche Erhöhung der Drallbewegung einge
stellt.
Durch wahlweises Schließen der Ventile 11 im erforderlichen
Maße ist bei konstantem Stoffstrom 9 eine Variierung der
Drallbewegung in weiten Bereichen möglich. Bei veränderlichem
Stoffstrom 9 kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine
gleichbleibende Trennleistung eingestellt werden.
Claims (24)
1. Drallerzeuger für Zyklonabscheider, dadurch gekennzeichnet,
daß
- a) der Drallerzeuger aus einer rotationssymmetrischen Drall kammer (1) mit oberer (2), unterer (3) und äußerer Begrenzung (4), an der sich eine oder mehrere Eintritts öffnungen (5) befinden, besteht, und die Drallkammer (1) zum Abscheideraum (6) des Zyklonabscheiders eine rotationssymmetrische Austrittsöffnung (7) hat,
- b) die Symmetrieachse der Drallkammer (1) mit der Symmetrie achse des Zyklonabscheiders zusammenfällt,
- c) sich an jeder Eintrittsöffnung (5) der Drallkammer (1) ein tangentialer Zuführungskanal (8) befindet,
- d) die Querschnittsfläche eines Zuführungskanals (8) und die Einströmquerschnittsfläche der Drallkammer (1) jeweils an der Stelle der tangentialen Einmündung dieses Zuführungs kanals (8) einen Unterschied von maximal 50% aufweisen,
- e) der Außendurchmesser der Drallkammer (1) mindestens um den doppelten Wert der Breite eines Zuführungskanals (8) an dessen Einmündung in die Drallkammer (1) größer als der Durchmesser der Austrittsöffnung (7) der Drallkammer (1) ist,
- f) die radial durchströmte Querschnittsfläche der Drallkammer (1) mindestens ab einer Entfernung von der äußeren Begrenzung (4), die höchstens der Breite des Zuführungs kanals (8) entspricht, bis zur Austrittsöffnung (7) zur Symmetrieachse hin abnimmt,
- g) die Linie, die, betrachtet bei einem Längsschnitt durch die Drallkammer (1), den gleichen Abstand zu oberer (2) und unterer Begrenzung (3) der Drallkammer (1) hat, auf mindestens zwei Dritteln ihres Verlaufs von der äußeren Begrenzung (4) bis zur Austrittsöffnung (7) hin einen Winkel von 70 bis 90 Grad zur Symmetrieachse aufweist.
2. Drallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Drallkammer (1) eine Höhe hat, die auf mindestens zwei
Dritteln der Strecke von der äußeren Begrenzung (4) bis zur
Austrittsöffnung (7) in Richtung Symmetrieachse nicht
zunimmt.
3. Drallerzeuger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Drallkammer (1) mehrere tangentiale
Zuführungskanäle (8) besitzt.
4. Drallerzeuger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anzahl der Zuführungskanäle (8) geradzahlig ist.
5. Drallerzeuger nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zuführungskanäle (8) gleichmäßig über den
Umfang der Drallkammer (1) verteilt sind.
6. Drallerzeuger nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß alle Zuführungskanäle (8) die gleiche
Querschnittsfläche haben.
7. Drallerzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Querschnittsfläche rechteckig ist.
8. Drallerzeuger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Querschnittsfläche kreisförmig ist.
9. Drallerzeuger nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Zuführungskanäle (8) eine gerade Länge
von mindestens dem dreifachen Wert des gleichwertigen
hydraulischen Durchmessers der Querschnittsfläche eines
Zuführungskanals (8) besitzen und sich die Querschnitts
fläche des durchströmten Zuführungskanals (8) nicht ändert.
10. Drallerzeuger nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Drallkammer (1) einen Außendurchmesser
besitzt, der mindestens doppelt so groß ist wie der
Durchmesser der Austrittsöffnung (7) der Drallkammer (1).
11. Drallerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe der Drallkammer (1) auf der gesamten Strecke von
der äußeren Begrenzung (4) bis zur Austrittsöffnung (7)
konstant ist.
12. Drallerzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Höhe der Drallkammer (1) auf einem Teil der Strecke
von der äußeren Begrenzung (4) bis zur Austrittsöffnung
(7) abnimmt.
13. Drallerzeuger nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß die Höhe der Drallkammer (1) linear abnimmt.
14. Drallerzeuger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Höhe der Drallkammer (1) auf die Hälfte abnimmt.
15. Drallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Linie gemäß g) auf ihrem gesamten Verlauf einen Winkel
von 90 Grad zur Symmetrieachse hat.
16. Drallerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die äußere Begrenzung (4) der Drallkammer (1) ein
Zylindermantel ist.
17. Verfahren zur Steuerung des Grades der Trennung
eines fluiden Mehrphasengemisches, unabhängig von der
Größe des zugeführten Stoffstromes (9), in einem
Zyklonabscheider mit dem Drallerzeuger gemäß den Anspüchen
3 oder 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) der gesamte Stoffstrom (9) durch eine erste Teilung auf mindestens zwei Teilströme (10) aufgeteilt oder mindestens zwei Eingangsstoffströme (10) für den Zyklonabscheider verwendet werden,
- b) mindestens einer der Teilströme (10) in seiner Größe veränderbar gemacht wird,
- c) die Teilströme (10) gegebenenfalls weiter aufgeteilt werden und
- d) anschließend den Zuführungskanälen (8) des Drallerzeugers zugeleitet werden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
eine geradzahlige Anzahl von Teilströmen (10) dem Drall
erzeuger zugeleitet wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Drallerzeuger zwei Teilströme (10) zugeleitet werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Drallerzeuger vier Teilströme (10) zugeleitet werden.
21. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
dem Drallerzeuger eine Anzahl von Teilströmen (12) zuge
leitet wird, die ein natürliches Vielfaches der Anzahl der
nach der ersten Teilung entstandenen Teilströme (10) ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die dem Drallerzeuger zugeführten
Teilströme (10) oder (12) jeweils auf gleichmäßig über den
Umfang des Drallerzeugers verteilte Zuführungskanäle (8)
aufgegeben werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 18, 20 oder 21, dadurch
gekennzeichnet, daß die aus der zweiten Teilung resul
tierenden Teilströme (12) eines Teilstromes (10) auf
gleichmäßig über den Umfang des Drallerzeugers angeordnete
Zuführungskanäle (8) aufgegeben werden.
24. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Teil des aus dem Zyklonabscheider austretenden Stromes
als Teil des Eingangsstoffstromes (9) eingesetzt wird.
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