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Einrichtung zum Mischen und Entmischen von Gasen, Dämpfen oder Flüssigkeiten
sowie zum Entstauben von Gasen Es sind Einrichtungen zum Abscheiden von festen Verunreinigungen,
aus Luft und Gasen und auch zum Abscheiden von flüssigen Bestandteilen aus Dampf
bekannt, bei denen das abscheidende Mittel aus einem Sieb oder Gitter besteht, das
bei den verschiedenen Einrichtungen von verschiedener Ausführung im einzelnen ist.
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Sämtliche Arten dieser bekannten Gitter wirken dadurch, daß sie dem
Gas- oder Dampfstrom feste Prallflächen entgegenstellen, an denen die Beimengung
sich abscheidet, die ihre Bewegungsrichtung nicht so schnell ändern kann wie der
spezifisch leichtere Bestandteil, der durch die Gitteröffnungen gereinigt bzw. entmischt
hindurchströmt und zur weiteren Reinigung und Entmischung auf ein weiteres Gitter
geleitet wird, dessen Prallflächen den Öffnungen des ersten Gitters gegenüberstehen.
An diesem zweiten Gitter vollzieht sich derselbe Vorgang wiederum durch Richtungswechsel.
An allen Gittern setzt sich die Verunreinigung (Staub) oder die spezifisch schwerere
Beimengung (Öl usw.) aus der vom Luft- oder Dampfstrom getroffenen Vorderfläche
des Gitters ab, das meist senkrecht angeordnet wird, um den ausgeschiedenen Stoff
ablaufen zu lassen oder durch Erschütterung zu entfernen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung, die nach anderem Prinzip
arbeitet und dadurch einen besseren Wirkungsgrad, d. h. intensivere Wirkung auf
gleichem Raum erzielt bzw. einen kleineren Raum für die gleiche Endwirkung erfordert
und übrigens kraft der eigenartigen neuen Wirkungsweise auch zum Fraktionieren von
Flüssigkeiten und sogar in einer gewissen Umkehrung zur Herstellung gasförmiger
oder flüssiger Mischungen dienen kann.
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Das wirksame Mittel bei dieser Einrichtung ist ein Gitter, dessen
Öffnungen in einer bestimmten Art und Weise auf der Gitterfläche verteilt und in
bestimmter Art ausgebildet sind. Dasjenige, wodurch dieses Gitter seine neuartige
Wirkung ausübt, ist eine Wirbelzone, die im durchgehenden Luft- oder Flüssigkeitsstrom
hinter dem Gitter im Anschluß an dessen Rückseite entsteht. Diese Wirbelzone erstreckt
sich über das ganze Gitter, soweit es die erwähnten Öffnungen besitzt, in homogener
lückenloser Ausdehnung und setzt dadurch die gesamte Strömungsenergie in Wirbelenergie
um. Dadurch wird die gesamte Fläche des Gitters und nicht nur, wie bei den bekannten
Einrichtungen, der durch die Prallfläche dargestellte Bruchteil desselben für die
Wirkung ausgenutzt und so schon bei einem einzelnen Gitter ein weitaus größeres
Strömungsquantum der Beeinflussung durch das Gitter unterworfen. Die festen Teile
des Gitters, die zwischen den Öffnungen liegen, wirken dabei nur in beschränktem
Maße zugleich als Prallflächen; ihre
Hauptaufgabe ist jedoch, durch
ihr bestimmtes geometrisches Verhältnis zur Öffnungsweite die Wirbel hinter dem
Gitter zu erzeugen. Diese Wirbel entstehen nämlich in der für den Zweck erforderlichen
vollkom menen Ausbildung, wie systematische Versuche ergeben haben, nur dann, wenn
I. die Öffnungen auf der Gitterfläche so verteilt sind, daß das Verhältnis zwischen
Öffnungsweite bzw. kleinster Öffnungsweite und Öffnungsabstand, gemessen von Öffnungsrand
zu Öffnungsrand, ungefähr den Wert 1 : 1 hat, und wenn 2. die Öffnungen des Gitters
scharfrandig sind. Unter Scharfrandigkeit ist dabei nicht eine sogenannte Gradbildung
am Lochrand, wie sie beim Stanzen oder Bohren mehr oder weniger je nach dem verwendeten
Material auftritt, zu verstehen, sondern es ist damit gemeint, daß die Öffnung nicht
kanalförmig sein darf, also die Öffnung weite ein Vielfaches der Gitterdicke beträgt,
keinesfalls aber die Lochweite der Gitterdicke gleichkommt. In letzterem Falle würde
nämlich die Öffnung die Gestalt eines Kanals annehmen, der düsenähnlich wirkt, d.
h. geschlossene Strahlen durch das Gitter hindurchschickt und dadurch die erfindungsgemäße
Wirbelschicht verhindern würde.
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Benutzt man Bleche von 0,2 bis 0,5 mm, wie sie handelsüblich sind,
und bringt man darin Öffnungen von I bis 5 mm kleinster Weite an, so wird die störende
Kanalform mit Sicherheit vermieden. Bei größeren Lochweiten, die in der Regel nicht
erforderlich sind, ist die Gitterdicke dementsprechend zu wählen. In diesem Fall
kann man als Regel das Verhältnis 1 : 10 ansehen, das jedenfalls sehr günstig ist.
Das angegebene Verhältnis gilt bei nicht runden, sondern z. B. spaltförneigen Öffnungen
für die kleinste Weite (Spaltbreite) der Öffnung.
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Die andere Bedingung, daß das Verhältnis zwischen Lochweite und Lochabstand
den Wert 1 1 haben soll, ist nicht auf den genauen Wert beschränkt, sondern erlaubt
im Gebiet der praktisch vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten eine Toleranz von
I : o, 8 bis 1,1 :1, d.h. die Lochweite darf bei kleiner Strönliingsgesdnndigkeit
etwas größer als der Lochabstand sein, bei großer Strömungsgeschwindigkeit etwas
kleiner als der Lochabstand.
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Im praktischen Einzelfall muß man die Bildung der homogenen Wirbelschicht
hinter dem Gitter feststellen, was am einfachsten mit einer Flamme geschehen kann.
Man stellt zu diesem Zweck das fertige Gitter frei stehend auf, leitet gegen die
eine Seite desselben den Luftstrom eines Ventilators und nähert dann die Flamme
aus beliebiger Entfernung der Rückseite des Gitters, Sobald sie in den abgehenden
Luftstrom kommt, zeigt sie eine dementsprechende Richtungsabweichung. Bei noch weiterer
Annäherung an das Gitter beginnt die Flamme bei einem gewissen Abstand, der von
der Lochweite (Spaltbreite) und der Geschwindigkeit der auf das Gitter auftreffenden
Strömung abhängig ist und mit diesen Faktoren wächst, plötzlich unruhig zu zucken
und hin und her zu schlagen. An dieser Stelle liegt die Grenze der Wirbelzone, die
sich bis an die Gitterfläche erstreckt, wie die noch weiter genäherte zuckende Flamme
beweist. Die Grenze der Wirbelzone ist vollkommen scharf bestimmbar.
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Die aerodynamische Erscheinung, die bei dem erfindungsgemäßen Gitter
vorliegt und technisch ausgenutzt wird, ist ihrer Art nach die gleiche wie bei der
in der Patentschrift 344 263 beschriebenen frei stehenden Stauwand, die zum Schutz
von Gartenkulturen gegen heftige Winde und für dergleichen Zwecke dient. Dieser
Schutz beruht auf derselben Wirbelbildung, die ihrerseits auf derselben Verteilung
der Öffnungen auf der Gitterfläche beruht und bei dem frei stehenden Gitter die
Energie der Luftströmung derart verzehrt, daß diese fast zum Stillstand kommt.
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Das Verhältnis von Lochweite zu Gitterdicke ist hierbei nicht von
so bestimmendem Einfluß, so daß es von den oben angegebenen Zahlen abweichen kann.
Die Letzteren sind dagegen durch den andersartigen Zweck des nicht mehr frei stehenden,
sondern in den Abscheidebehälter usw. eingebauten Gitters erfindungsgemäß bedingt.
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Der Einbau des Gitters in den Behälter und auch die Anzahl der etwa
hintereinandergestellten Gitter lichtet sich nach dem jeweiligen Bedürfnis. Jedes
folgende Gitter darf höchstens so nahe an das vorhergehende herangerückt werden,
daß die Ausbildung und Wirkung der zwischen beiden Gittern befindlichen Wirbelzone
nicht beeinträchtigt wird, da andernfalls der Wirkungsgrad sinkt.
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Das Gitter wird, wenn ein Ausfällen und Sammeln des ausgeschiedenen
Bestandteils durch die Schwere oder das Sammeln und Ableiten eines flüssigen Mischungsproduktes
in Frage kommt, also bei Staubabscheidern, Entölern, Kondensatoren, in senkrechter
oder nahezu senkrechter Stellung einzubauen sein, während bei Fraktioniereinrichtungen
ein waagerechter Einbau das gegebene ist.
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Im nachstehenden werden einige Anwendungsbeispie]e erläutert. Zunächst
seien jedoch an Hand der Zeichnung einige typische Formen von Einrichtungen beschrieben.
Abb. I zeigt eine Mischkammer für zwei Gase, die durch die Stutzen a und b zugeführt
werden.
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Innerhalb der Kammer treten die Gasströme
durch je
ein Gitter 01 oder Ci in einen Raum, in welchem sie, wie durch die Pfeile angedeutet,
durcheinanderwirbeln und sich auf diese Weise innig mischen. Das Gemisch wird durch
den Stutzen c abgesaugt.
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Abb. 2 stellt eine Luftentstaubungskammer dar. Die Luft tritt bei
a ein und durchströmt nacheinander die GitterG,, Gon G3, G., die in dieser Reihenfolge
mit Löchern von abnehmendem Durchmesser und entsprechend abnehmendem Abstand versehen
sind. Die Pfeile deuten wiederum die Wirbelungen an, die erfindungsgemäß hinter
den Gittern entstehen. Die vor dem Gitter entstehenden Wirbel sind fortgelassen,
um die Zeichnung klar zu halten; sie wirken mit, um in dem Raum zwischen je zwei
Gittern die Staubausfällung herbeizuführen. Im ersten Zwischenraum scheidet sich
der grobe, im letzten der feinste Staub ab. Er sammelt sich in den abziehbaren Behälternh.
Bei b tritt die gereinigte Luft aus.
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Abb. 3 veranschaulicht einen Kolonnenapparat zur Ausführung von Kondensationen
u. dgl. Bei diesen Apparaten ist es nicht notwendig, das Gitter bzw. die Gitter
fest in den Behälter einzubauen, sondern sie können in horizontaler Lage lose eingelagert
werden.
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Dabei braucht das einzelne Gitter nicht den ganzen Behälterquerschnitt
auszufüllen. Durch Rippen, umgebördelte Ränder, Halbzylinderform usw. wird ein geeigneter
Abstand von praktisch I bis 25 cm gesichert, so daß die Wirbel sich ungehindert
in vollkommçenster Art ausbilden können. Ferner kann man die Gitter vor dem Einfüllen
in den Behälter zu geschlossenen Hohlzylindern oder Hohlprismen biegen und auf diese
Weise Füllkörper herstellen, die möglichst so eingelagert werden, daß ihre Achse
horizontal bei senkrechtem Strömungsweg, allgemein quer zu diesem liegt. Man erreicht
dieses am besten dadurch, daß dem Zylinder bzw. Prisma eine axiale Länge gegeben
wird, die größer als der Durchmesser ist. Alsdann lagern sich bekanntlich diese
Füllkörper beim Einschütten in den Behälter selbsttätig horizontal.
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Dies ist wichtig, damit das strömende Mittel gezwungen wird, die Gitterkörper
ordnungsgemäß zu durchströmen, ohne daß es sich, wie es bei senkrechter oder schräger
Stellung der Füllkörper stattfinden würde, zu geschlossenen Strängen zusammenschließt.
Gemäß dem Vorstehenden ist der Behälter A (Abb. 3), der in Kammern geteilt ist,
mit kurzen Blechzylindern gefüllt. Diese wirken nach Art der bekannten Raschig-Ringe,
jedoch intensiver, weil jeder Zylinder als wirbelbildendes Gitter ausgebildet ist.
Sie sind nicht regellos wie die Raschig-Ringe, sondern, wie erläutert, mit möglichst
waagerechter Achse eingelagert. In der Abbildung ist nur eine gefüllte Kammer dargestellt.
Bei h tritt der Dampf ein, der beim Durchströmen der Kammer und der Zylinder sich
innig mit dem bei k eingeführten Kühlwasser mischt, wobei das Kondensat sich bildet,
das bei t abfließt.
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In allen Fällen kann das einzelne Gitter in der obenerwähnten Art
mit spaltförmigen Öffnungen versehen sein, die sich z. B. über die ganze Länge des
Gitters erstrecken, wobei lediglich. schmale Streben quer über die Schlitze hinweg
in größerem, an sich beliebigem Abstand voneinander angeordnet oder beim Stanzvorgang
stehen gelassen werden.
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Je zwei Spalten sind durch einen Steg voneinander getrennt, dessen
Breite ungefähr gleich der Spaltbreite ist. Ein derartiges Gitter ist leicht durch
Stanzen herstellbar. Die Stege zwischen den Spalten brauchen nicht unbedingt völlig
eben, sondern können auch schwach muldenförmig sein. Eine andere einfache Herstellungsart
besteht darin, daß man ein Gitter aus Runddraht webt und dieses dann flachwalzt.
Die Maschenweite ist beim Weben etwas größer zu wählen, als dem oben angegebenen
Verhältnis zwischen Lochweite und Gitterdicke entspricht, da beim Flachwalzen die
Maschen etwas enger werden. Es hat sich gezeigt, daß man auf diese Weise ein Gitter
von 0,1 mm Dicke mit scharfrandigen, rechteckigen Löchern von z. B. I mm kleinster
Weite aus Runddraht von 0,3 mm Dicke herstellen kann.
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Die Löcher können ganz allgemein rhombische Form haben, doch ist
darauf zu achten, daß die Stegbreite in der Richtung parallel zu den Rhombusseiten
gemessen und in dieser Richtung in das erfindungsgemäße Verhältnis (etwa 1 : I)
zu den Lochweiten gesetzt wird.
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Die Wirkung des erfindungsgemäßen Gitters beruht in allen Fällen
der Entmischung und der Mischung auf dem räumlichen Energiequantum der Wirbeizone.
Beim Entmischen bewirken diese Wirbel eine Ausschleuderung des spezifisch schweren
Bestandteils, der also aus der Wirbelzone herausgedrängt wird. Er bleibt in der
anschließenden gleichförmigen Strömung nur zum geringsten Teil suspendiert, weil
beim Ausschleudern ein Zusammenballen der Teilchen zu größeren Komplexen stattfindet,
die sofort aus der Strömung ausfallen. Sie sammeln sich dabei am Boden des Behälters
an.
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Bei Staub kann man dieses Zusammenballen durch Anfeuchten der zugeführten
Strömung begünstigen. Um das Absinken auf kurzer Bodenfläche zu erzielen, ist die
auftreffende und weitergehende Strömungsgeschwindigkeit nicht zu groß, etwa = 11/2
bis 3 m zu wählen,
was, wenn nötig, durch Querschnittsvergrößerung
des Behälters stets erzielbar ist.
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Bei der Abführung der am Gitter ausgefällten staubförmigen Substanz
kann eine mechanische Erschütterung zu Hilfe genommen werden. Auch kann das elektrostatische
AbscheideverEahren mitbenutzt werden, indem die Gitter elektrisch geladen werden.
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Beim Mischen kommt die Wirbelenergie dadurch zur Wirkung, daß die
beiden aufeinanderstoßenden Strömungen mit großer Gewalt ineinandergerissen werden,
so daß auf engstem Raum bereits eine intensive Durcheinandermischung der Strömungsteilchen
stattfindet. Beispielsweise wird mit der in Abb. I dargestellten Einrichtung ein
Zün dgasgemisch aus Benzol und Alkohol für Explosionsmotoren hergestellt, indem
ein mit Benzol angereicherter Luftstrom (Nebel) von links auf das Gitter G1, ein
Alkoholdampfstrom von rechts auf das Gitter Ci2 geleitet wird. Dler Zwischenraum
zwischen den Gittern ist so bemessen, daß die Wirbelzonen beider Gitter sich teilweise
durchdringen. Dadurch vereinigen sich die Benzol- und Alkoholtröpfchen zu einem
innigen Gemisch, das mit dem vereinigen Luftstrom durch das Rohr c abgesaugt wird.
Aus diesem Luftstrom wird das Benzol-Alkohol-Gemisch, soweit es sich nicht schon
im Rohr c selbst niederschlägt, durch Kondensationseinriditungen bekannter Art ausgeschieaen.
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Sind die zu mischenden Bestandteile solcher Strömungen oder zwei
zu mischende Gase von merklich verschiedenem spezifischen Gewicht, so ist, im Gegensatz
zu den Abscheidern, die eine ruhige Strömung erfordern, hier für eine Beschleunigung
der Strömung zu sorgen, um Abscheidewirkungen zu vermeiden.
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Die Einrichtung nach Abb. 2 kann für verschiedenste Staubabscheidungen
benutzt wierden, z. B. zur Entstaubung der aus Mühlen, Speichern, Werkstätten usw.
abgesaugten Luft oder zur Reinigung von Luft, die für den Betrieb von Rohrpostleitungen
oder zur Kühlung von Motoren dienen soll. Die Einrichtung nach Abb. 2 kann aber
auch z. B. zur Abscheidung von Öl oder Kohlenstaub aus Wasserdampf dienen. Der Dampf
wird bei a zu-, bei b abgeleitet; das Öl fließt in die Behälter ab; der Kohlenstaub
sammelt sich in diesen.
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Ein Fraktionierapparat, z. B. zur Alkoholgewinnung, kann wie der
Kondensapparat nach Abb. 3 ausgebildet sein. Bei k wird das alkoholhaltige Flüssigkeitsgemisch,
bei AWasserdampf eingeführt. Bei i läuft das kondensierte Wasser ab, während der
aufsteigende Alkoholdampf durch das Rohr k, soweit es frei ist, oder im anderen
Falle durch ein am oberen Ende des Behälters vorzusehendes Rohr zu einem Kondensapparat
abgeleitet wird.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann auch in der Weise benutzt und
ausgestaltet werden, daß flüssige Bestandteile, die in einem Luftstrom suspendiert
sind, unmittelbar in fester Form als Pulver ausgeschieden werden. Beispielsweise
wird Trockenmilch dadurch hergestellt, daß man gegen ein erfindungsgemäßes Gitter
von der einen Seite einen Strom von heißer trockener Luft leitet und in die dabei
auf der Rückseite des Gitters entstehenden Wirbel von heißer trockener Luft einen
Flüssigkeitsnebel einspritzt, der flüssige Milch in suspendierter Form enthält.
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Die Trockenmilch sammelt sich als Pulver außerhalb der Wirbelzone
an. Auf gleiche Weise wird Trockenei hergestellt und z. B.
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Farbpniver aus Farbflüssigkeit ausgefällt. Die Mischflüssigkeit kann
in diesen Fällen ebenfalls durch ein Gitter gehen, alsdann entspricht die Einrichtung
der Abb. I.
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PATNTANSPRÜCHE: I. Einrichtung zum Mischen und Entmischen von Gasen,
Dämpfen oder Flüssigkeiten sowie zum Entstauben von Gasen, dadurch gekennzeichnet,
daß an Stelle der üblichen, in den Weg der Strömung gestellten gelochten Wände oder
Gitterplatten fest eingebaute oder lose übereinandergelagerte Gitter mit scharfrandigen
Öffnungen vorgesehen sind, die im ungefähren Verhältnis 1 : 1 zur festen Wandfläche
stehen, wobei im Falle der Anwendung mehrerer Gitter der Abstand zwischen diesen
so zu wählen ist, daß die infolge der Scharfrandigkeit ihrer Öffnung gen auftretenden
Wirbel nicht gestört werden.