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Vorrichtung zum Reinigen von in Flüssigkeiten aufgeschwemmten Stoffen,
insbesondere Papierstoff, Zellstoff u. a. Die bisher bekannten Schleudersichter
haben entweder eine waagerechte oder eine senkrechte Achse. Alle Schleudersichter
mit waagerechter Achse besitzen eine Siebtrommel, die in ge-,vissen Zeitabständen
gereinigt werden muß. Bei den Schleudersichtern mit senkrechter Achse wird der zu
reinigende Stoff vermöge Umdrehung einer oder mehrerer staffelförmig angeordneter
zylindrischer oder auch kugelförmiger oder konischer Schleudertrommeln gegen die
Wand derselben geschleudert. Die schweren Schmutzteilchen, wie Sand, Holzsplitter,
Knoten usw., werden durch die größere Fliehkraft stärker nach außen geschleudert
als die leichteren Stofffasern und lagern sich an der Wandung ab.
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Da nun dauernd neuer Stoff zufließt, nimmt die Schmutzmenge zu und
wird zur Verhinderung des Übergangs in die guten Stoffteile bei zylindrischen Trommeln
durch Stauringe, die sich zwischen den zylindrischen, nach oben stufenförmig sich
erweiternden Trommeln befinden, zurückgehalten. Es fließt also der zu reinigende
Stoff über den ersten Stauring zur zweiten Stufe usw., jedesmal eine bestimmte Schmutzmenge
zurücklassend. Bei diesem Überlaufen der Stauringe werden nun nicht nur Verunreinigungen
ausgefällt, sondern auch die dem Stoff absichtlich zugeführten Beschwerungsstoffe
werden durch den starken Aufprall auf der Trommelwand von den Stoffasern gewaltsam
gelöst. Dieses Ausfällen der Beschwerungsstoffe begrenzt naturgemäß die Verwendungsmöglichkeit
außerordentlich und bedeutet ebenso einen großen Nachteil wie der Umstand, daß die
mit Schmutzteilen angefüllten Stauringe von Zeit zu Zeit gereinigt werden müssen.
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Weiter sind Schleudersichter mit senkrechter Achse bekanntgeworden,
bei denen der Stoff ebenfalls durch Fliehkraft an eine zylindrische Wand geschleudert
wird und dort hochsteigt. Die Schmutzteile sammeln sich außen an der Wand, während
der leichtere, gute Stoff infolge des fortwährenden Zuflusses von weiterem Stoff
radial' nach innen durch eine Siebtrommel gedrückt wird. Der grobe Schmutz sammelt
sich ebenfalls an einem Stauring, der sich am Ende der Trommel befindet.
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Das Vorhandensein sowohl eines Stauringes als auch eines Siebes, das
sehr feinmaschig sein muß und daher ein rasches Verschmutzen bedingt, bedeutet häufigen
Stillstand des Schleudersichters. Je stärker der Stoff verunreinigt ist, desto öfter
muß ein Stillstand zur Ermöglichung der Reinigung der Stauringe bzw. Siebtrommel
eintreten.
Bei den bekannten Schleudersichtern mit kugelförmiger
Trommel werden die schwereren, nach außen geschleuderten Bestandteile durch ein
in die Trommel eingeführtes Rohr abgezogen, während die gereinigte Flüssigkeit bis
zum Stillstand in der Trommel verbleibt.
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An Schleudersichtern mit konischer Trommel ist es bekannt, die schwereren
Bestandteile durch einen durch einen eingehängten und an der Trommel befestigten
Ring gebildeten Ringspalt getrennt von der gereinigten Flüssigkeit, abzuziehen.
Dieser Ring ist ohne Rücksicht auf die dynamischen Vorgänge beim Schleudern angeordnet
und bewirkt eine plötzliche Richtungsänderung im Fluß der gereinigten Stoffe, die
zu Wirbelungen führen muß, .wenn es sich um die Trennung sehr empfindlicher Stoffe
handelt.
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Bis auf die letztgenannte Bauart mit konischer Trommel und Ring sind
also die bekannten Schleudersichter alle dadurch gekennzeichnet, daß ununterbrochen
nur der eine Bestandteil der zu trennenden Stoffe ausgeschieden wird, nämlich bei
zylindrischen Schleudersichtern die gereinigte Flüssigkeit, bei kugeligen nur die
schweren Teile, und allen bekannten Schleudersichtern ist gemeinsam, daß bei den
Konstruktionen nicht die restlose Erkennung der dynamischen Vorgänge beim Schleudern
Ausdruck gefunden hat, so daß schädliche Wirbel auftreten müssen, wie nach der Beschreibung
des Erfindungsgegenstandes bewiesen werden soll.
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Die erwähnten Nachteile beseitigt der Erfindungsgegenstand, denn er
gewährleistet einen wirklich ununterbrochenen Betrieb und die Beseitigung jeglicher
Strömungsstörung.
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Der zu reinigende Stoff wird in einer um eine senkrechte Achse umlaufenden
Trommel mit einem im wesentlichen doppelparaboloidförmig begrenzten Mantel geschleudert
und die ausgefällten Schmutzstoffe ununterbrochen durch einen einstellbaren Spalt
abgezogen. In der Zeichnung zeigt Fig. z den Erfindungsgegenstand, zum Teil im Schnitt.
In Fig. 2 sind durch einen senkrechten' Schnitt die wesentlichen Teile des Erfindungsgegenstandes
noch einmal besonders verdeutlicht. Fig. 3 zeigt eine Bewegungsvorrichtung für den
den Spalt oben abgrenzenden Ringkörper, und Fig.4 stellt in einem waagerechten Schnitt
die Strömungsverhältnisse an einer der in der Trommel angebrachten Rippen dar.
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Der Stoffeinlauf, der in der Richtung der senkrechten Mittelachse
von oben oder unten stattfindet, bringt den zu reinigenden Stoff s, r in die doppelparaboloidartig
ausgebildete Schleudertrommel ct. Durch die schnelle Umdrehung der Trommel a wirkt
die Fliehkraft auf die Stoffmasse s, r, und dadurch, daß sich der Trommelunterteil
b-c von unten nach oben parabolisch bis c erweitert, kommt an den verschiedenen
Punkten dieses Teiles jeweils eine etwa tangential zur Parabel gerichtete Komponente
der Fliehkraft zur Geltung, die ein Hochsteigen der Stoffmasse an der Trommelwand
bewirkt. Gleichzeitig scheiden sich die schwereren Schmutzteilchen r von den guten,
leichteren Stoffteilchen s, da sich die ersten infolge der ihnen innewohnenden größeren
Fliehkraft an der Trommelwand ansammeln und von dort auch nicht wieder nach innen
zurückfließen können, während sich die leichteren Teilchen innerhalb des von den
schweren Teilchen gebildeten Ringes befinden.
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Die Trennung wird begünstigt durch an der Trommelwand angeordnete
Rippen q, die gleichsam Leitkanäle für die Schmutzteile bilden. Da die innere Flüssigkeitsreibung
kleiner ist als die Reibung des Stoffes an der Trommelwand, bleiben die inneren
Stoffzonen gegenüber den äußeren zurück, d. h. die Winkelgeschwindigkeit der inneren
Zonen ist geringer als die der äußeren. Durch diese Relativbewegung werden die inneren
Zonen, also die guten Stoffe, gezwungen, entgegengesetzt der Drehrichtung über die
Rippen zu fließen. Beim Überfließen der Rippen werden die Stoffe zusammengedrängt
und können sich hinter der Rippe wieder entspannen. Die Pfeile in Fig.4 deuten die
Relativbewegung an. Dieses Entspannen bedeutet eine Vergrößerung der Fliehkraft,
und damit ist den etwa noch im Stoff vorhandenen schweren Schmutzteilchen Gelegenheit
geboten, sich restlos auszuscheiden. Da die Relativge-, schwindigkeit nicht sehr
groß ist, so ist ein Aufwirbeln der ausgefällten Verunreinigungen unmöglich.
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Im Punkte c, am größten Durchmesser, wo auch die Fliehkraft am größten
ist, würde ein Ruhezustand eintreten, wenn nicht immer neue Stoffe dem Sichter zufließen
würden, die die unter der durch c gelegten, waagerechten Ebene E-E befindlichen
Stoffmengen nach oben abdrängen.
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Vom Punkte c an verengert sich der Trommelmantel wieder parabolisch
nach innen bis zum Punkt g. Infolgedessen bildet sich in einer Zone um c herum,
etwa von e-f, ein Schmutzpolster der schweren Bestandteile. Diese werden, wie schon
ausgeführt, mit geringerer Geschwindigkeit nach oben geschoben als die bereits gereinigten
Stoffzonen. Zwangsläufig mit der parabolischen Verengung f-g tritt dort ein Strömen
von unten nach oben in kegeligkonzentrischen Zonen ein. Die schweren Bestandteile
r sind also außen an der Trommelwand, wohingegen der gereinigte Stoff s konzentrisch
nach innen vorgelagert ist. In der anschließenden Zone g-it,
in
der sich die Trommel erweitert, wird der gesamten Stoffmasse, insbesondere der spezifisch
schweren Schmutzmasse r, eine erneute Beschleunigung erteilt. Die Reibung gegen
die Trommelwand wird kleiner, weil in dieser Zone die Fliehkraft nicht mehr restlos
an die an der Trommelwand befindlichen Schmutzteile einwirken kann, da diese etwa
in Richtung der tangentialen Komponente der Fliehkraft, also in der Richtung nach
iv abgleiten. Die Flüssigkeitsreibung bleibt hingegen konstant. Es werden also die
Verunreinigungen schneller und stärker nach außen geschleudert als die guten Stoffteile.
Am Ende der Zone g-iz ist ein Spalt t vorgesehen, der zunächst natürlich
nur den Stoffteilen den Austritt aus der Trbmmel gewährt, die am stärksten nach
außen geschleudert werden, also den Schmutzteilen. Der dem Schlitz konzentrisch
nach innen vorgelagerte Flüssigkeitsring bewirkt eine Erhöhung des Spaltdruckes
und fördert so die Trennung der Verunreinigungen r von der gereinigten Stoffmenge
s.
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Die obere Begrenzung des Spaltes t setzt sich fort in einer Zone n-it,
die durch einen senkrecht auf und ab beweglichen Ringkörper i gebildet wird, dessen
Durchmesser sich von it bis it verringert. Diese Verengerung bietet die Gewähr dafür,
daß sich kein Schmutzteilchen nach der Grenze it hin bewegen kann, da es naturgemäß
nicht der Fliehkraft entgegenwirken kann.
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Die Aufundabbewegung des Ringkörpers i, die beispielsweise
durch ein Handrad h
mit Gewindespindel l und Doppelhebel m bewerkstelligt
werden kann, gestattet eine Begrenzung der durch den Spalt t ausfließenden Menge.
Dieser wird nun so eingestellt, daß gerade nur die Schmutzmenge y in eine Schmutzrinne
o abfließen kann, während die guten Stoffteile s über die Grenze it hinweg nach
einer Sammelrinne p abfließen.
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Gegebenenfalls kann zur Vermeidung von unerwünschten Schmutzansammlungen
vor dem ja sehr engen Spalt t dieser periodisch etwas weiter geöffnet und wieder
verkleinert werden, beispielsweise durch Einwirkung eines von der Antriebswelle
v über ein Kegelradpaar W1, W2 angetriebenen Exzenters x auf den Stellhebel
na mittels des Armes y.
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Außerdem können im Innern der Trommel eine oder mehrere Spritzvorrichtungen
so angeordnet sein, daß sie den Ringspalt t in den Augenblicken, in denen der Ringkörper
i durch das Exzenter oder eine andere Vorrichtung gehoben wird, bestreichen. Der
Ringkörper kann z. B. in bekannter Weise mit den Abschlußorganen der Spritzvorrichtungen
so verbunden sein, daß er die Abschlußorgane beim Heben öffnet und beim Senken wieder
abschließt. Oft wird es wirtschaftlich vorteilhaft sein, das Reinigungsverfahren
zu unterteilen, das heißt erst eine Vorreinigung vorzunehmen, bei der nur die gröberen
Schmutzteile ausgeschieden werden, und dann die Feinreinigung folgen zu lassen.
Zu diesem Zweck können zwei oder mehrere Trommeln nach Art der Erfindung je mit
dem zugehörigen verstellbaren Ringkörper übereinander derart angeordnet werden,
daß der aus einer Vorrichtung ausfließende vorgereinigte Stoff statt in eine Sammelrinne
in die Trommel der nächsten Vorrichtung fließen kann. Vorzugsweise werden in diesem
Falle die Trommeln in der Reihenfolge der fortschreitenden Reinigung immer kleiner
gewählt.
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Daß nun die beschriebene Vorrichtung gegenüber den bekannten die angegebenen
Vorteile aufweist, ergibt sich aus dem Folgenden.
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Dreht sich eine Flüssigkeit in einem zylindrischen Gefäß um dessen
lotrechte Achse mit gleichbleibender Winkelgeschwindigkeit, so bildet die Oberfläche
eine Höhlung, ein Umdrehungsparaboloid. Dabei kommt der Scheitel der Parabel unter
die dem Ruhezustand entsprechende Oberfläche zu liegen, während die Äste über dieses
Niveau der Ruhe hinauswachsen.
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Nach dem d'Alembertschen Prinzip herrscht in diesem Zustande Gleichgewicht
der auftretenden Kräfte. jedes Oberflächenelement steht senkrecht auf der Resultierenden
aus Schwerkraft und Zentrifugalkraft, oder anders ausgedrückt: in einer durch die.
Umdrehungsachse gelegten Schnittebene steht die Resultierende senkrecht auf der
Oberflächenparabel.
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Diese Sätze gelten auch für nicht zylindrische Gefäße, nur wird hier
das Umdrehungsparaboloid ein anderes.
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Wird nun wie beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung dem Umdrehungskörper
gleich von vornherein die Form eines solchen Paraboloids gegeben, das sich unter
Zugrundelegung einer bestimmten Drehzahl vorher berechnen läßt, so bildet auch hier
die Flüssigkeitsoberfläche ein Umdrehungsparaboloid, das sich, sobald die Umdrehung
mit der bei der Berechnung zugrunde gelegten Drehzahl bewirkt wird, der Gefäßform
vollkommen anschmiegt. Die Flüssigkeit bildet dann eine sich auf der Innenseite
des Gefäßes ausbreitende Schicht, die an jeder Stelle die gleiche Dicke besitzt.
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Denkt man sich nun das Gefäß in einer waagerechten Ebene unterhalb
des Endes der aufsteigenden Äste des Umdrehungsparaboloids abgeschnitten, so würden
die oben halb der Schnittebene befindlichen Flüssigkeitsteile in der Richtung der
Resultierenden
aus Schwerkraft und Zentrifugalkraft nach außen geschleudert
werden.
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Die dem Erfindungsgegenstand zugrunde liegende Gefäßform ist so abgeschnitten.
Die Schnittebene entspricht der Ebene E-E in der Fig.2 der Zeichnungen. Die dem
oberhalb der Ebene E-E befindlichen Flüssigkeitsteil innewohnende resultierende
Kraft wird nun .beim Erfindungsgegenstand dazu benutzt, die Flüssigkeit sich an
dem über der genannten Ebene befindlichen, ebenfalls parabolisch geformten oberen
Gefäßteil (im Profil c-g der Fig. 2) hochschieben zu lassen. Die parabolische Verengung
des oberen Gefäßteils c-g hat denselben Zweck wie die parabolische Erweiterung b-c,
nämlich ein wirbelfreies Strömen zu erzeugen.
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Wird beispielsweise ein Kreis als Erzeugende des Umdrehungskörpers
gewählt, so daß also das Gefäß eine kugelförmige Gestalt annimmt, so treten Wirbel
auf, durch die die evtl. schon ausgeschiedenen Stoffe in die zu reinigende Stoffmasse
zurückbefördert werden.
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Denn auch bei der Umdrehung des kugelförmigen Gefäßes ist die Flüssigkeit
bestrebt, ein Umdrehungsparaboloid zu bilden, bei dem an jeder Stelle die Resultierende
aus Schwerkraft und Zentrifugalkraft senkrecht auf dem zugehörigen Oberflächenelement
steht. Bei einem lcugelförmigeri Gefäß ist nun der Flüssigkeit, im Schnitt betrachtet,
ein Kreis als Bahn vorgeschrieben. Die Normalen der Kreispunkte fallen aber nicht
mit den Normalen der Punkte der angestrebten Parabel zusammen. Aus dieser Differenz
der Kräfte ergibt sich eine Kraftkomponente, die die Flüssigkeit von der Bahn, das
ist die Gefäßwand, loszulösen sucht. Diese Kraftkompanente wird durch die Zentrifugalkraft
gedämpft und tritt gewissermaßen nur als Störungskomponente auf, die die oben angeführten
Wirbel erzeugt. Was für den Kreis gesagt ist, gilt natürlich sinngemäß für jede
nichtparabolische Begrenzung des Trornmelmantels.