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Fliehkraftstaubabscheider Die Erfindung betrifft eine Verbesserung
der als Zyklone bekannten Fliehkraftreiniger, die zur Ausscheidung von staubförmigen
Beimengungen aus Gasen oder Dämpfen dienen.
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In den Abb. t und a der Zeichnung ist ein Zyklon üblicher Bauart schematisch
dargestellt. In der Schleuderkammer A wird dem zu trennenden Gemisch durch bekannte
Mittel, z. B. durch tangentialen Einlauf C, eine Umlaufströmung mit hohem Geschwindigkeitsmoment
l(=r, # v, aufgezwungen. Unter der Wirkung der Fliehkräfte :streben die spezifi:s.ch
schwereren Teilchen nach außen an die Wand der Kammer A, wo .sie nach unten sinken
und gesammelt werden. Das mehr oder weniger gereinigte Gas aber verläßt die Schleuderkammer
meist durch eine zentrale Austrittsöffnung O.
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Die Erzeugung genügend hoher Fliehkräfte verlangt hohe Umfangsgeschwindigkeiten
auf kleinen Halbmessern. Im Idealfall der reibungslosen Umlaufströmung nach dem
Gesetz unveränderlichen Geschwindigkeitsmomentes müßten also die nach der Achse
zu gelegenen, inneren Gebiete der Schleuderkamm,er die wirkungsvollsten sein.
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In ;einer idealen reibungslosen Flüssigkeit würde nämlich ein Staubteilchen
mit gleichbleibendem Geschwindigkeitsmoment r # v"=lK etwa die Bahn B1 zurücklegen
(Abb. z). Bei der Annäherung an die zentrale Austrittsöffnung der Schleuderkammer
würde die FlR,ehkraft an einem auszuschleudernden Teilchen von der Masse »eins«
entsprechend v"2/r=h'2/r3 rasch wachsen. Durch passende Wahl des Halbmessers r"
der Austrittsöffnung O (Abb. r) könnte also auch allerfeinsten Teilchen der Austritt
durch O verwehrt werden.
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Dies gilt aber selbst für reibungslose Flüssigkeit nur bis zu ,einem
unteren kritischem Wert von r; innerhalb eines Kerns vom Halbme.sser r1 folgt die
Strömung nicht mehr dem Giesetz unveränderlichen Ges,chwindigkeitsmom,ente.s r .
v,L =konstant. Es bildet sich vielmehr ganz selbsttätig eine wirksamekreisrir.gförmige
Austrittsöffnung vom Außendurrhsn,esser r" und von der radialen Breite (rä r1) aus.
Zu der idealem Umlaufströmung r # v" =konstant = I( muß nämlich in der Schleuderkammer
noch eine radiale Strömung, eine Senkströmung, treten, um den Durchfluß aufrechtzuerhalten.
Wenn dann die Strörntu@.g ohne Richtungsumkehr der axialen Geschwindigkeitskomponente
vom Einlaufquerschnitt zur Auislaßöffnung geht, so bildet sie im
hydrodynamis.ch.en
Sinne eine Wirbelsienke, die -eben durch den erwähnten, an der Umlaufströmung nicht
mehr teilnehmenden Kernraum gekennzeichnet ist.
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Hierzu kommt, daß infolge der unvermeidlichen Reibung und anderer
Strömungsstörungen in der Schleuderkammer die tatsächliche Bahn B2 eines. Teilchens
als eine solche geringsten Widerstandes wesentlich steiler als B1 der Austrittsöffnung
zustrebt. Mit kleiner werdendem Halbmesser r bleibt das Geschwindi;gkeitsmoinentr.
vrt und damit auch die Fliehkraft hinter dem Sollwert zurück. Die Folge ist, daß
die inneren Gebiete der Schleuderkammer für die Ausscheidung mehr oder weniger wirkungslos
bleiben und daß zahlreiche auszuscheidende Teilchen den Ausweg durch O finden.
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Die Erfindung geht nun dahin, die Auslaßbedingungen aus der Schleuderkammer
den E:inlaufbedingungen ,so .anzupassen, daß die Vorauissetzungeneiner idealen Wirbelsenke
soweit wie möglich geschaffen werden. Die Erfindung vermeidet also den Verlust an
Geschwindigkeitsmoment bei der Annäherung an die Achse, indem das erforderliche
Geschwindigkeitsmoment der Umlaufströmung im Gegensatz zu den bekannten Bauarten
von Zyklonen durch Mittel gewonnen wird, die den Strom vom Kernraum aus rück-4virkend,
.also von innen nach außen, derart beeinflussen, daß ein dem G@ese-tz r
. v" = konstant möglichst nahe kommender Umlauf erzeugt oder eine solche
von außen eingeleitete Umlaufströmung bei der Annäherung an die Achse wirksam .aufgefrischt
und aufrechterhalten wird.
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Im Sinne der rückwirkenden Beeinflussung liegt es beispielsweise,
wenn der umlaufenden Flüssigkeit nur derjenige ringförmige Austrittsquerschnitt
aus der Schleuderkammer freigegeben wird, der zwischen dem Außendurchmesser 2r"
und dem Durchmesser 2r; eines festen und feststehenden Kerns liegt. Dadurch wird
der nicht mehr dem Gesetz r . v" = koilstant folgende Raum mit seinen Störungen
der Umlaufströmung ausgeschaltet, und diese@Maßnahrne wirkt sich, wieVersuche zeigen,
für die Ausscheidung sehr günstig aus, solange das Verhältnis rQ'rt einen gewissen
Grenzwert, etwa 1,5, nicht übersteigt, wobei für eine bestimmtes r" der Kernhalbmesser
ri in erster Linie vom Einlaufquerschnitt f, und von dessen mittle: em Abstand r,
von der Achse abhängt (Abb.2).
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In den Abb.3 und ¢ ist ein Zyklon mit einem festen Kern J vom Halbmesser
rl gr ö-Ber als 2/3 # r" schematisch dargestellt. Das zu reinigende Gas tritt
durch den Einlaß C in die Schleuderkammer A tangential ein und durch den verhältnismäßig
engen Ringspalt von der Breite (ra-r@) in der Kammerdecke W
in den Auslaufstutzen
D, der ins Freie oder zur weiteren Verwendungsstelle des gereinigten Gases führt.
Der dicke Kern J bewirkt bereits eine deutliche Annäherung der Bahn B. .an Bi (Abb.
2), d. h. eine Schonung des B2 an B1 (Abb. 2), d. h. eine Schonung des eingeleiteten
Geschwindigkeitsmomentes I(= r, . v, bis an den Ringspalt heran.
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Bei sehr hohen Anforderungen bezüglich der Reinheit des abziehenden
Gases macht sich .aber die Reibung ,an einem feststehenden Kernmantel insofern störend
bemerkbar, als sich um den Kernmantel .eine Grenzschicht ausbildet, in d'eT wieder
die Umfangsgeschwindigkeit der abzuschleud@ernden Teilchen gegenüber dem Sollwert
des idealen Vorganges stark abgebremst wird.
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Ein weiterer Grad der Beeinflussung der Umlaufströmung von innen nach
außen wird erreicht, wenn der feste Kern J vom Halbmesserri im Sinne der Umlaufströmung
und mit ,einer Umfangsgeschwindigkeit gedreht wird, de etwa dem Sollwert I@/ri entspricht.
Es ist nämlich z. B. vom Flettnerrotor her bekannt, daß sich in der Umgebung eines
in eine Flüssigkeit getauchten geraden, rasch umlaufenden Kreiszylinders (Abb.5
und 6) bald eine Umlaufströmung ausbildet, die mit großer Näherung dem Gesetz unverändierlichen
Dralls r.v"=konstant folgt, wobei das. auszunutzende Strömungsgebiet zweckmäßig
durch Stirnscheiben E des umlaufenden Zylinders begrenzt werden kann.
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Die Abb.7 und 8 zeigen im Längsschnitt und Querschnitt einen Zyklon
schematisch, in dem die Auffrischung der durch den tangentialen Einlaß C eingeleiteten
Umlaufströmung von innen her -durch einen umlaufenden Strömungskern J mit aufgesetzter
Stirnscheibe E erfolgt. Der Antrieb des Kernes J geschieht nach Abb.7 von außen
mit dem Riementrieb R. Der Antrieb kann aber auch beis pielsweise durch ein Turbinenschaufelrad
erfolgen, das, auf dem Kern J sitzend, etwa das Druckgefälle zwischen,der Schleuderkammer
A und der Austrittskammer F ausnützt.
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Von innen nach außen wirkend läßt sich aber auch noch auf eine andere
einfache Art einer von außen eingeleiteten Umlaufströmung zu Hilfe kommen. Es bildet
sich nämlich auch vor einer festen Leitvorrichtung (Abb.9 und i o) mit einer oder
mehreren Leitzungen L zwischen festen Wänden V und W und mit einer zentralen Austrittsöffnung
alsbald eine Umlaufströmung aus, und zwar um so ausgeprägter, je flacher die Leitzungen
an ihrem äußeren Ende S gegenüber dem Umfang angestellt sind und je größer die Eintrittsgeschwindigkeit
in die Leitzellen ist.
Schon eine Schaufelstellung unter 30° zwischen
Schaufelanfang und Umfang erzeugt eine brauchbare, nach außen abklingende Umlaufströmung
vor der Leitvorrichtung. Wird aber das Strömungsmittel schon mit einem anfänglichen
Geschwindigk eitsmonient Is =Y, . v, in Einlaß C durch einen Querschnitt
f, mit einem mittleren Abstand r, von der Achse zugeführt, so wird diese Umlaufströmung
vom Kerngebiet her wirksam unterstützt, -,nenn die tatsächliche Eintrittsöffnung
aller Leitzellen, also die Summe aller a, # b, in den Abb.9 und io, kleiner als
etwa der mit dem Außendurchmesser, 2 Y, der Leitvorrichtung vervielfachte,
durch den mittleren Eintrittshalbmesser r, geteilte Eintrittsquerschnitt f, der
Schleuderkammer bleibt.
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Es sind Fliehkraftreiniger bekannt, die vor den zentralen Ausführungsrohr
eine Leitvorrichtung mit Leitschaufeln aufweisen. Im völligen Gegensatz zu der Erfindung,
bei der die Ausbildung der Leitzungen der Rü-ckwirku.ng in die Strömung von innen
nach außen, d. h. der Erzeugung einer Umlaufströmung vor der Leitvorrichtung, angepaßt
ist, liegt die Aufgabe dieser bekannten Leitvorrichtungen im Sinne der Strömung
zur Austrittsöffnung hin. Sie sollen die vor dem Austritt ankommende Bewegungsenergie,
zum Teil wieder in Druckenergie umsetzen, vor allem eine noch vorhandene Umlaufströmung
in eine rein axiale Strömung im Auslaufrohr überführen, also eine Umlaufströmung
hinter der Leitvorrichtung verhindern.
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Die Abb. i i und 12 zeigen im Längsschnitt und Querschnitteine Vorrichtung
mit einer der Austrittsöffnung aus der Schleuderkammer A vorgeschalteten Leitvorrichtung
mit zwei flach gegen den Umfang .angestellten Leitzungen L; der Außendurchmesser
dieser Leitvorrichtung ist 2 Y".
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Die Wirkungsweise der in den Abb.3, 4, 8, i i und 12 schematisch dargestellten
Zyklone ist nun folgende: Unter der Wirkung eines auf beliebige Art erzeugten Druckunterschiedes
zwischen Einlaufstutzen C und Auslaufstutzen D, also z. B. unter der Wirkung eines
auf dem Kein J (Abb. 7) sitzenden Lüfterschaufelrades, strömt das zu trennende Gemisch
in die Schleuderkammer A.
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Soweit die Fliehkräfte in den äußeren Gebieten der Kammer A ausreichen,
werden die- spezifisch schwereren Teilchen an die Wand der Kammer A .streben und
dort absiTiken, um .am Auslaß Gz gesammelt und abgezogen zu werden.
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Besonders kleinen und leichten Teilchen aber gelingt der radiale Ausweg
in die Randzone der Kammer A nicht. Sie werden vielmehr von der Radialströmung in
die inneren Zonen gegen die zentrale Auslaßöffnung O hin mitgeschleppt. Sie gelangen
aber hier in den Bereich der von innen her .aufgepeitschten Umlaufströmung, d. h.
zunehmender Fliehkräfte, und schließlich auf einen P.arallelkreis, über den sie
radial nicht weiter nach innen vordringen können. Sie :sinken also ebenfalls allmählich
nach unten, d. h. es werden in den beschriebenen Vorrichtungen dank der von innen
her erfolgten Unterstützung der von .außen her eingeleiteten Umlaufströmung insbesondere
auch die inneren Gebiete der Schleuderkammer A zur Ausscheidung herangezogen.
Es gelingt die Ausscheidung auch allerfeinster Teilchen; der Ausscheidungsgrad
des Zyklons wird vexbessert.