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Verfahren und Vorrichtung zum Trennen verschieden großer Bestandteile
einer losen Mischung von Stoffen Die beliannten Verfahren, die dazu dienen, aus
Gasen oder Flüssigkeiten oder auch aus losen N1isdungen stückiger, fester oder halbfester
Körper die Beimengungen verschiedenen spezifischen Gewichtes oder verschiedener
Korngrößen voneinander zu scheiden, beruhen entweder auf der Wirkung der Fliehkraft
oder auf der Wirkung von Prallflächen, die eine scharfe Richtungsänderung des Gemischstromes
hervorrufen. In anderen Fällen leitet man das Gemisch durch ein Sieb oder Filter,
um die Körper verschiedener Korngrößen dadurch voneinander zu trennen.
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Allen diesen Verfahren haftet der Nachteil an, daß zu einer möglichst
vollkommenen Scheidung der verschiedenen Stoffe große, umständliche Vorrichtungen
notwendig sind, außerdem aber die praktisch erzielbare Reinheit von feinen Beimengungen
nur gering ist.
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Im Gegensatz zu dem Vorgang des Schleuderns (Zentrifugierens) beruht
das neue Verfahren nur auf Wirkungen, die sich infolge von Unterschieden in der
Größe der einzelnen Teilchen einer Mischung einstellen. Damit ergibt sich als Unterschied
des neuen Verfahrens gegenüber dem Schleuderverfahren, -daß mit dem neuen Verfahren
nur gröbere Beimengungen aus einem feineren Stoff ausgesondert werden können. -
Ein weiterer grundlegender Unterschied der beiden Verfahren besteht darin, daß bei
dem neuen Verfahren ein Unterschied der spezifischen Gewichte der einzelnen vermischten
Stoffe völlig belanglos ist, während ja eine Trennung durch Schleuderkraft sich
nur bei Gewichtsunterschieden der einzelnen Stoffe einstellt.
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Die auf die Ausscheidung der mitgeführten Stoffe wirkenden Kräfte
in einem Strom mit über dem Querschnitt ungleicher Geschwindigkeitsverteilung seien
zunächst anhand der schematischen Abb I erläutert. Es befinde sich irgendein Teilchen,
das (stark vergrößert) als Kugel dargestellt sei, in einem von links nach rechts
strömenden Mittel. Die bisher gleichförmige Geschwindigkeitv, des strömenden Mittels
werde nun, senkrecht zur Strömungsrichtung genommen, in beliebiger Weise verändert,
steige also z. B. linear von v auf v1. Der Strömungsdruck, der bekanntlich proportional
dem Ouadrat der Geschwvindigkeit ist, macht sich auf die untere Hälfte der Kugel
in stärkerem Maße geltend als auf die obere, so daß die Kugel durch die Strömung
von den Zonen größerer Geschwindigkeit nach den Zonen v kleinerer Geschwindigkeit
hin abgedrängt wird. In Abb. 2 sind die von den verschiedenen Strömungsdrücken verursachten
Kräfte in ihrer Wirkung an del ! Kugel veranschaulicht. Dort bezeichnen w' und w"
die Größe der mittleren
relativen Strömungsgeschwindigkeiten, die
auf die untere bzw. obere Kugeloberfläche wirken. Die Ablenkung, die der Gasstrom
an den beiden Kugelseiten erfährt, ist dadurch wiedergegeben, daß von den Aufprallpunkten
der Geschwindigkeitsvektoren w' und w" aus diese Vektoren nochmals in der abgelenkten
Richtung aufgetragen sind. Die infolge der Ablenkung hervorgerufenen Kräfte sind
mit P' bzw. P" bezeichnet, ihre Größe ist proportional (re') 2 und (w")2. Die Kräfte
P, und P" stehen naturgemäß senkrecht zur Kugeloberfläche, sind daher zum Mittelpunkt
der Kugel hin gerichtet. Die resultierende, im Schwerpunkt wirkende Kraft, die sich
aus der bekannten Zusammensetzung der Komponenten P' und P" ergibt, weicht von der
Richtung der Strömung nach der Seite der kleineren Geschwindigkeit v hin ab. Die
Kugel wird also aus der Zone größerer Geschwindigkeiten nach der Seite kleinerer
Geschwindigkeiten hin abgedrängt.
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Die ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung wird erfindungsgemäß
dadurch erzeugt, daß das strömende Mittel, welches zunächst eine über seinen Querschnitt
gleichförmige Geschwindigkeit haben mag, mit welcher auch die Beimengungen fortgeführt
werden, an Wänden entlang strömt, deren Geschwindigkeit von derjenigen des Strömungsmittels
abweicht. Nach Abb. 3 befindet sich das Gemisch im Raum A nahezu in Ruhe.
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An diesen Raum schließt sich ein Kanal oder Spalt, dessen eine Wand
b ruht, während sich die andere Wand a mit der Geschwindigkeit r,1 bewegt. Tritt
das Strömungsmittel aus dem Raum A in diesen Kanal B, so entsteht über dem Strömungsquerschnitt
eine ungleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung : die Strömungsteile in der Nähe
der Wand a nehmen fast vollkommen die Geschwindigkeit V1 an, während die Teile in
der Nähe der Wand b ihre Ursprungsgeschwindigkeit etwa beibehalten. Die Geschwindigkeitsverteilung
in dem Kanalquerschnitt (vgl. Abb. 4) entspricht der bei Abb. I erläuterten; die
Beimengung wird durch den Druckunterschied, den die ungleichmäßige Geschwindiglçeitsverteilung
erzeugt, nach der Seite der Ursprungsgeschwindigkeit des Strömungsmittels abgedrängt.
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In gleicher Weise ist dies bei der Abb. 5 der Fall, in welcher beispielsweise
durch Staub verunreinigtes Gas aus verhältnismäßiger Ruhe im Raum 24 heraus in einen
Kanal B tritt. Hierbei wird das Gemisch stark beschleunigt, und zwar in der Hauptsache
in der Kanalmitte, während es an den Wandungen bt und b2 durch die Haftreibung stark
zurückgehalten wird. Auf diese Weise stellt sich beiderseits der Mittellinie des
Kanals ein Geschwindigkeitsgefälle von V1 auf vl ein, das demjenigen der Abb. I
bzw. 4 entspricht. Auch hier werden die gröberen Beimengungen in die Zone der Geschwindigkeit
v2 gedrängt, da diese der Ursprungsgeschwindigkeit am nächsten kommt.
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Die vorher beschriebenen Geschwindigkeitsverhältnisse und Scheidungskräfte
treten natürlich auch auf, wenn die bewegten und die ruhenden Strömungsmittel bzw.
Wände miteinander vertauscht werden, da es nur auf die relativen Geschwindigkeitsunterschiede
ankommt. Der Abscheidungsvorgang findet nicht nur innerhalb eines gasförmigen oder
flüssigen Körpers statt, sondern erstreckt sich auch auf fein verteilte Stoffe,
in die gröbere Bestandteile eingelagert sind. Immer bewirkt die über dem Strömungsquerschnitt
ungleiche Geschwindigkeitsverteilung, daß die größeren beigemengten Teilchen nach
den Zonen der Ursprungs gesch windi.gkeit hin verschoben werden.
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Im folgenden seien als Beispiele einige Vorrichtungen zur Durchführung
des neuen Verfahrens, also z. B. zum Reinigen von Gasen, Flüssigkeiten, körnigen
oder rollo, idalen Mischungen u. dgl., näher beschrieben.
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In der Abb. 6 ist ein Reiniger dargestellt, der mit sich drehenden
zylindrischen Flächen arbeitet, die in geringem Ab stande von festen zylindrischen
Wandungen laufen. Die sich drehenden Zylinder 1 und 2 sind an ihrem oberen Ende
durch eine abschließende Wand miteinander verbunden, durch welche radiale Rohre
3 hindurchgeführt sind, so daß sie den Hohlraum zwischen den beiden Zylindern I,
2 mit einer auf der Welle 4 sitzenden Büchse 4 verbinden. Diese Biichse ist oben,
an der Mündungsstelle der Rohre 3, hohl. Das zu reinigende Gemisch wird durch den
Stutzen 5 in das Gehäuse der Maschine eingeführt und fließt, wie es durch die Pfeile
angedeutet ist, zwischen der feststehenden Gehäusewand 6, 7 und der Wand der sich
drehenden Zylinder I, 2 hindurch. Durch die Haftreibung an der Oberfläche der Zylinder
1, 2 einerseits und der ruhenden Wandungen 6, 7 andererseits wird in den Spalten
zwischen diesen Teilen diejenige ungleichförmige Geschwindigkeitsverteilung hervorgerufen,
welche die Sonderung der Fremdkörper nach den Zonen der Ursprungsgeschwindigkeit,
also in Richtung zu den ruhenden Wänden 6, 7 bewirkt, so daß mit wachsender Länge
des Spaltes eine immer größere Gasreinheit eintritt. Am unteren Ende der umla«fenden
Zylinder I, 2 wird der gereinigte Gasstrom durch den Hohlraum zwischen den beiden
Zylindern abgeführt, gelangt in die Verbindungsrohre 3 und durch
diese
in die hohle Büchse. Von dort aus wird er durch den Stutzen 8 nach außen geleitet.
Die ausgesonderten Fremdkörper fallen nach vollzogener Absonderung aus dem Gemisch
an den festen Wandungen herunter und werden am unteren Ende des Gehäuses in besonderen
Fangvorrichtungen aufgespeichert oder stetig abgeführt.
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Insbesondere zum Reinigen von . Flüssigkeiten, Gasen 0. dgl. von
sehr groben Verunreinigungen dient eine Vorrichtung nach Abb. 7.
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Bei dieser wird das Gemisch mit kleiner Zuströmgeschwindigkeit zwischen
zwei rasch umlaufende Zylinderflächen g geleitet. zwischen denen die Sonderung vor
sich geht. Es stellt sich sodann in der Nähe der Oberfläche der Zylinder eine Grenzschichtströmung
ähnlicher Art wie die Strömung zwischen nahe benachbarten, relativ gegeneinander
bewegten Wandungen ein. Unter dem Einfluß dieser Strömungsunterschiede in der Grenzschicht
der Oberfläche beider Zylinder geht dann der gleiche Transport der eingelagerten
Frerndkörper zur Zone kleinerer Geschwindigkeiten hin vor sich, wie dies vorher
beschrieben wurde. Während die abgesonderten Teilchen in der Vorrichtung nach Abb.
7 sich wiederum unten im Gehäuse sammeln, strömt die gereinigte Flüssigkeit (Gas
0. dgl.) am unteren Ende der Zylinder g um deren Kante 9' herum aufwärts und wird
durch einen Gehäusestutzen I2 abgeführt.
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Die Vorrichtung nach Abb. 8 erteilt dem Gemischstrom selbsttätig
die notwendige Durchströmgeschwindigkeit, welche bei den Vorrichtungen nach Abb.
6 und 7 durch einen besonderen Ventilator, eine Pumpe o. dgl. hervorgerufen werden
muß. Die Pumpwirkung der sich drehenden Wandung I3 kommt dadurch zustande, daß sich
die Umfangsgeschwindigkeit der Wand vom Einlauf 14 des Gemisches an bis zum Ende
15 der kegelförmigen Wandung immer mehr erhöht, wodurch das strömende Mittel zwangläufig
nach außen geschleudert wird. Entsprechend der Neigung, die man dem Kegel 13 und
der ihm gegenüberstehenden ruhenden Wand I6 gibt, hat man es in der Hand, diese
Pumpwirkung größer oder kleiner zu machen und auch zugleich die Länge des Weges,
auf welchem die Sonderung stattfindet, zu vergrößern oder zu verkleinern. Bei einer
solchen Vorrichtung können auch Doppelzylinder angewendet werden, ebenso wie die
Zahl der sich drehenden und festen Wandungen beliebig sein kann.
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Außerdem ist es auch möglich, die Vorrichtung so auszubilden, daß
das Gemisch von einem größeren auf einen kleineren Durchmesser strömt, um eine vorhandene
Strömungsgeschwindiglteit bzw. Druck des Gemisches beispielsweise zum Antrieb der
umlaufenden Wandungen auszunutzen.
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Bei dem Beispiel der Abb. 8 herrscht in der Nähe der innenliegenden
ruhenden Wand 16 etwa die Ursprungsgeschwindigkeit, mit welcher das strömende Mittel
zugeführt wird, so daß sich an diese Innenwand die Absonderungen an lagern.
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Die baulichen Möglichkeiten, die mit diesen Beispielen für die Ausnutzung
des neuen Verfahrens aufgezeigt sind, lassen sich noch nach vielen Richtungen hin
verändern und ergänzen, so daß das Verfahren in sehr weitem Maße den praktischen
Forderungen, die gerade in der Reinigungstechnik so verschieden gelagert sind, angepaßt
werden kann. Meist wird es sich darum handeln, die Form der umlaufenden Wandungen
nicht genau zylindrisch zu wählen, sondern mehr oder weniger stark geneigte kegelige
Wandungen aus zum führen, um mit dem Vorgang der Sonderung in der Grenzschicht noch
eine zweckmäßige Nebenwirkung zu verbinden. Andererseits kann eine solche zusätzliche
oder auch unterstützende Wirkung dadurch erreicht werden, daß ein andere Wandungsform
nur zu Beginn oder nur am Ende der eigentlichen dynamischen Sonderung gewählt wird.
Ferner können gegenüberliegende Wandungen auch in gegenläufiger Drehrichtung bewegt
werden.
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Es ist gleichgültig, ob die ungleiche Geschwindigkeitsverteilung
durch die Wirkung sich drehender Wandungen auf ein ruhendes oder langsam strömendes
Mittel oder ob sie durch die Wirkung nahezu oder vollständig ruhender A ; Wandungen
gegenüber einem rasch strömenden Mittel erzielt wird. Es ist nicht notwendig, daß
die sich drehenden und die festen Wandungen parallel verlaufen, vielmehr kann die
Form jeder Wandung nach besonderen Gesichtspunkten gewählt werden.
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So besteht z. B. die Möglichkeit, durch die Wahl der Querschnitte,
die man dem Spalt gibt, die Geschwindigkeit der Strömung senkrecht zu dem Querschnitt
in zweckmäßigster Weise festzulegen und andererseits auch durch den Abstand der
Wandungen das Geschwindigkeitsgefälle in senkrechtem Abstande der Wandungen zu erhöhen
oder zu verringern. Gerade diese Möglichkeit, das Geschbwindigkeitsgefälle für jeden
Millimeter Dicke der strömenden Schicht zwischen zwei Wandungen beliebig zu erhöhen,
kann dadurch benutzt werden, die Sonderung erheblich zu verstärken.