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Fli ehkraft-Bntstaiib er
Die Beseitigung des in der Industrie in immer
größerer Menge anfallenden Staubes erfordert von Jahr zu Jahr zunehmende Aufwendungen,
so daß man an dieses Problem nicht mehr achtlos vorbeigehen kann. Der für die Entstaubung
notwendige Energie- und Kapitalaufwand stellt bereits einen beachtlichen Posten
im Gesamthaushaltsplan der Industrie dar.
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Aus diesen Tatsachen heraus sind, besonders im Laufe des letzten
Jahrzehnts, vorwiegend für die Feuerungstechnik im Kraftwerksbetrieb eine größere
Anzahl von Abscheiderkonstruktionen entstanden, mit denen man die Lösung dieses
Problems mehr oder weniger erfolgreich versucht. Bei diesen Konstruktionen wird
von den verschiedensten, für die Zwecke der Entstaubung anwendbaren physikalischen
Möglichkeiten Gebrauch gemacht.
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Unter diesen ist es vor allem die Fliehkraft, die infolge ihrer klar
erkennbaren Wirkungsweise verhältnismäßig einfache Konstruktionen bei geringem baulichem
Aufwand ermöglicht. Zahlreiche Abscheiderbauarten beruhen auf dem Fliehkraftprinzip.
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Besonders verbreitet ist der Zyklonabscheider, für den die Klärung
der theoretischen Zusammenhänge, welche die Möglichkeit und die Grenzen der Feinkornabscheidung
aufzeigen, jedoch erst in jüngster Zeit einigermaßen befriedigend gelungen ist.
Diese Grenze dürfte bei einer Korngröße von etwa io liegen.
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Bei den meisten Fliehkraftabscheidern wird nun vorzugsweise der Potentialwirbel
(die Wirbelsenke) angewendet, der durch schraubengangförmig ausgebildete Leitflächen
erzeugt wird, welche entweder fest im Gehäuse oder in einem axial angeordneten
umlaufenden
Leitrad vorgesehen sind. Der durch die Beziehung cu r = const gekennzeichnete Potentialwirbd
hat aber die Eigenschaft, daß die Fliehkraft mit zunehmendem Radius schnell abnimmt,
wodurch die Leistung des Abscheiders in unerwünschter Weise vermindert wird. Es
sind auch schon Vorschläge gemacht und praktisch ausgeführt worden, nach welchen
die durch den Drall in der Entstaubungszone verursachten Strömungsverluste durch
Wiederaufrichten des Staubträgerstromes nach dem Entstaubungsvorgang verkleinert
werden. Dieses Aufrichten kann ebenfalls durch feststehende Leitflächen oder ein
entsprechend angeordnetes Laufrad erreicht werden. Außerdem werden in solchen mit
Wirbelsenke arbeitenden Abscheidern erhebliche Energiemengen durch Austrittsverluste
vernichtet.
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Aus der dringenden Notwendigkeit heraus, die bei der Staubbeseitigung
bei I0 y liegende Grenze für die Korngröße so weit wie möglich zu unterschreiten,
entstand die Aufgabe, die Leistung der Abscheider hinsichtlich der Feinkornabscheidung
zu steigern.
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Um aber eine solche Leistungssteigerung zu erzielen, muß für den Aufbau
eines neuartigen Entstaubers strömungstechnisch von gänzlich anderen physikalischen
Grundsätzen ausgegangen werden. Nach der Erfindung sollen diese physikalischen Erkenntnisse
unter Anwendung der Fliehkraft verwirklicht werden, im wesentlichen wegen des klaren
und einfachen Aufbaus des Fliehkraft-Entstaubers.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine solche Anordnung
und Form der der Entstaubungszone vorgeschalteten Leitflächen vorgeschlagen, daß
das Umfangskomponentenverhältnis cu/cuz der Geschwindigkeit des dem Staubträgerstrom
erteilten Dralles gleich oder größer dem reziproken Wert (Kehßyert) der halben Potenz
des entsprechenden wirksamen Radienverhältnisses r, wi, daß also die Beziehung
erfüllt ist.
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Durch den Vorschlag nach der Erfindung wird also ein Drall erzeugt,
der die Staubteilchen im Bereich der Entstaubungszone über den Staubaustragschlitz
auf einer aus einer Spirale und einer Schraubenfläche mit veränderlicher, von r
nach r, abnehmender Steigerung zusammengesetzten räumlichen Kurve sowie bei mit
zunehmendem Radius beliebig wählbarer Fliehkraft aus dem Staubträgerstrom herausbefördert;
dann richten Nachleitfiächen den letzteren wieder auf, wobei der anschließende Diffusor
(Energiewandler) dessen Geschwindigkeitseuergie weitgehend in Druckenergie zurückverwandelt,
also Strömungsverluste auf ein Minimum reduziert. Das günstigste Radienverhältnis
liegt hierbei zwischen I und 2.
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Mit dem Entstauber nach der Erfindung werden also die Mängel der
bisher bekannten, mit der Wirbelsenke oder mit konstantemAbströmwinkel arbeitenden
Abscheider vermieden und die Wirksamkeit bzw. der Grad der Entstaubung erheblich
über das bisher bekannte Maß hinaus gesteigert, ohne daß der hierfür erforderliche
Energieaufwand gesteigert zu werden braucht; bei gleichem Entstaubungsgrad kann
er sogar kleiner gehalten werden.
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Von wesentlichem Vorteil ist hierbei der Umstand, daß der Staubaustragschlitz
durch keine Stege oder Rippen in seiner Funktion beeinträchtigt wird, daß er vielmehr
einen geschlossenen Ringquerschnitt aufweist.
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Infolge dieses offenen, endlosen Schlitzes ist eine leichte Reinigungsmöglichkeit
gegeben. Nach der Erfindung ist hierfür im Staubaustragschlitz ein bewegliches Reinigungsglied
wahlweise stetig oder in gleichmäßig oder beliebig wiederkehrender Zeitfolge wirkend
vorgesehen. Der Antrieb dieses Reinigungsgliedes, das baulich beliebig ausgebildet
sein kann und aus strömungstechnischen Gründen der jeweiligen baulichen Ausführung
des Entstaubers anzupassen ist, wird mit bekannten Mitteln stetig oder in wiederkehrender
Zeitfolge laufend durchgeführt.
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Eine solche Reinigung des Staubaustragschlitzes ist beispielsweise
notwendig bei der Trennung von Stoffen, die zur Verklebung bzw. Verkleisterung und
Zementierung neigen, wie sie bei Mehl, Asche u. dgl. eintritt. Aus den gleichen
Gründen ist auch eine Reinigungsmöglichkeit für die Leitflächen zu schaffen.
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Hierfür können entweder ebenfalls entsprechende Reinigungseinrichtungen
vorgesehen werden, oder man gibt den Leitflächen durch an sich bekannte Arbeitsverfahren
eine besonders glatte Oberfläche, unabhängig davon, ob die Leitflächeneinrichtung
aus metallischem oder nicht metallischem Werkstoff besteht.
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Zur kinematischen Wandlung des Staubträgerstromes sind je nach Bauart
und Verwendungszweck des Entstaubers verschi.9dene bauliche Ausführungen möglich.
Nach der Erfindung sind die der Entstaubungszone vorgeschalteten drallerzeugenden
und/oder die nachgeschalteten, den Drall ganz oder teilweise aufhebenden Leitflächen
entweder als nicht umlaufende, fest eingebaute Leitschaufeleinrichtungen oder als
axial angeordnete Laufräder ausgebildet.
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Um die Leistung des Entstaubers insbesondere hinsichtlich der bei
Feinentstaubung angestrebten geringen Korngröße zu gewährleisten bzw. die Leistungssteigerung
zu fördern, ist weiterhin die der Entstaubungszone nachgeschaltete, der Strömungsaufrichtung
dienende Leitflächeneinrichtung, z. B. ein Laufrad, derart ausgebildet, daß sie
den vor der Entstaubung erzeugten Drall am Innenradius ganz, am Außenradius dagegen
nur teilweise aufrichtet.
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Wenn hinter der Entstaubungszone ein Laufrad angeordnet ist, so kann
dieses gleichzeitig zur Deckung der bei der Entstaubung verlorengehenden Energie
herangezogen werden. In vielen Fällen wird diese Energie, die durch die Turbinengleichung
H= ff ~ (2) gegeben ist, nicht ausreichen, um die auftretenden Verluste zu decken.
Hierbei bedeutet H die Förderhöhe, d C,t = C1 cm,2, wobei ct,l die Umfangskomponente
der Strömung vor und cu 2
diejenige hinter dem Laufrad ist, u die
Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades selbst, g die Erdbeschleunigung.
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In einem solchen Fall wird nach der Erfindung vorgeschlagen, hinter
der Entstaubungszone eine drallvergrößernde Leiteinrichtung anzuordnen. Durch diese
Maßnahme wird die Umfangsgeschwindigkeit der der Entstaubungszone nachgeschalteten,
als Laufrad ausgebildeten Leitflächeneinrichtung nach der vorstehenden Gleichung
(2) vergrößert und die Förderhöhe zur Deckung der Energieverluste in der Leitung,
also das erzeugte Gefälle, erhöht. Die der Entstaubungszone nachgeschaltete, als
Laufrad ausgebildete Leiteinrichtung wirkt in diesem Fall als Fördereinrichtung
mit einem baulichen, entsprechend ausgeführten Diffusor (Energiewandler, Abb. 3).
Bei einer solchen baulichen Ausbildung der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anordnung
muß allerdings eine Vergrößerung der Umfangskomponente c=2 hinter dem Laufrad in
Kauf genommen werden. Darüber hinaus ist es möglich, die der Entstaubungszone nachgeschaltete
Leitflächeneinrichtung als Laufrad einer Turbine auszubilden mit dem Ziel, diese
Entstaubungseinrichtung zu einem Bauteil der Turbine zu machen.
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Ein zusätzlicher Vorteil der Drallverteilung in dem Entstauber nach
der Erfindung besteht in der Tatsache, daß mit zunehmendem Radius die Axialgeschwindigkeit
des Staubträgerstromes kleiner wird und dadurch die Leckverluste des Staubträgerstromes
durch den außen angeordneten Staubaustragschlitz bzw. mehrere Staubaustragschlitze
besonders klein werden. Im Gegensatz hierzu bleibt bei den bekannten Abscheidern,
die mit Wirbelsenke arbeiten, die axiale Geschwindigkeit des Staubträgerstromes
Cax über dem Radienverhältnis r/ri konstant.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen
in schematischer Darstellung erläutert, und zwar zeigt Abb. I eine mit drallaufrichtender
Leiteinrichtung und Geschwindigkeitsenergie zurückgewinnendem Diffusor (Zerstreuer)
ausgerüstete Entstauberbauart im Längsschnitt, Abb. 1 a einen Ausschnitt aus der
vor der Entstaubungszone angeordneten drallerzeugenden Leiteinrichtung, Schnitt
A-B, Abb. Ib einen Ausschnitt aus der hinter der Entstaubungszone angeordneten drallaufrichtenden
Leiteinrichtung, Schnitt C-D, Abb. 2 ein Geschwindigkeitsvektorendreieck für den
Entstaubungsvorgang, Abb. 3 eine mit drallaufrichtendem Laufrad ausgerüstete, insbesondere
als Einzelentstauberaggregat vorgesehene Bauart.
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Die Größe und Form des Entstaubers nach der Erfindung, insbesondere
dessen Gehäuse I, sind gegeben durch die Größe der Radien ri und ra. Der mit dem
zu entstaubenden Arbeitsmedium angereicherte Staubträgerstrom wird an den durch
die Pfeile 2 gekennzeichneten Stellen in den Entstauber eingeführt.
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Durch die Vorleiteinrichtung 3 wird dem Staubträgerstrom im Bereich
der Entstaubungszone 4 die für die Ausscheidung der Staubbestandteile erforderliche
Drallbewegung erteilt. Die infolge der Fliehkraftwirkung an die Innenseite der Außenwandung
des Gehäuses I beförderten Staubteilchen werden durch den Staubaustragschlitz 5
entfernt. Entsprechend der Art der Staubteilchen, z. B. Holz, Kohle, Mehl usw.,
werden diese in einem Sammelraum 6 aufgefangen und in einer Rohrleitung 7 in der
durch den Pfeil 8 gekennzeichneten Richtung an den Ort ihrer weiteren Verwendung
befördert (Abb. 3). Der gereinigte, noch der Drallbewegung unterliegende Staubträgerstrom
wird danach wieder aufgerichtet, entweder durch fest angeordnete Nachleitflächen
g oder durch die Schaufeln eines Laufrades 10 (Abb. 3), das durch einen Motor II
angetrieben wird. Das in Drallrichtung umlaufende Laufrad 10 dient gleichzeitig
zur Rückgewinnung der durch den Entstaubungsvorgang verlorengegangenen Strömungsenergie.
Bei Anordnung fester Nachleitflächen g wird diese Rückgewinnung durch einen den
Leitschaufeln g nachgeordneten Diffusor (Energiewandler) 12 erreicht. Der in Abhängigkeit
vom Wirkungsgrad des Entstaubers gereinigte Staubträgerstrom wird an der durch den
Pfeil 13 gekennzeichneten Stelle abgeführt, entweder ins Freie oder im Fall von
Nutzstaub mittels einer Rohrleitung 14 in einen Sammelbehälter, wodurch die im Staubträgerstrom
verbliebenen Staubteilchen durch Wiedereinführen des abgehenden Staubträgerstromes
in die Zuführleitung zur Weiterverwendung erhalten bleiben (z. B. Holzstaub für
Heizungszwecke, Kohlenstaub zur Energieerzeugung, Mehlstaub für Nahrungsmittelzwecke
usw.). Bei solcher Umleitung des abgehenden Staubträgerstromes ist es auch möglich,
den noch mit Strömungsenergie geladenen Staubträgerstrom dem jeweils frischen, mit
Arbeitsmedium angereicherten Staubträgerstrom zur jeweiligen Wiederverwendung stetig
zuzuführen.
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Das in Abb. 2 dargestellte Geschwindigkeitsvektorendreieck gibt annähernd
die Verhältnisse für eine beliebige Drallverteilung nach der Erfindung wieder.
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Hierin bedeutet c1 die hinter der drallerzeugenden Vorleitflächeneinrichtung
auftretenden absoluten Strömungsgeschwindigkeiten nach Größe und Richtung (Vektoren),
wobei die Indizes i oder a jeweils den Ort innerhalb der Entstaubungszone bezeichnen,
also innen oder außen, cul und cazl die jeweiligen Komponenten der Strömungsgeschwindigkeit
c1 in Umfangs- oder Axialrichtung, wobei man deutlich das Anwachsen von cu von innen
nach außen erkennt Cula Cui£ bei gleichzeitig fallenden c,,: caXlf > Caxi c2
die hinter der drallaufrichtenden Leitflächeneinrichtung auftretenden absoluten
Strömungsgeschwindigkeiten, wobei für die Indizes sinngemäß das gleiche gilt wie
bei c1 erläutert.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht auf das Entstauben beispielsweise
von Raumluft, welche mit Kohlen- oder Gesteinsstaub, Zement- oder Kalkstaub, Mehl-,
Holz- oder Textilstaub od. dgl. angereichert ist bzw. solcher Luft als Fördermedium,
von Abluft oder beliebigen anderen der Atmosphäre wieder zuzuführenden Abgasen,
beispielsweise aus industriellen Feuerungsanlagen, zum Zwecke der Reinigung aus
hygienischen Gründen oder zum Zwecke der Gewinnung bzw. Rückgewinnung dieser oder
ähnlicher
Stoffe im Verlauf eines Produktionsprozesses, sondern
die Erfindung ist grundsätzlich überall dort anwendbar, wo es sich darum handelt,
Staub der genannten oder ähnlichen Art aus gasförmigen Medien aus beliebigen Gründen
zu entfernen. Dieser Fall ist beispielsweise gegeben bei der Reinigung von Arbeitsmedien
aus technischen Gründen, um Korrosion oder Erosion von Maschinenelementen oder Bauteilen
von Anlagen und Maschinen zu vermeiden oder um den Wirkungsgrad von Maschinen oder
Anlagen zu erhöhen. Die Anwendung der Erfindung beruht also auch auf dem Verdichter-
und dem Turbinenprinzip.
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Das letztere ist beispielsweise bei der Kohlenstaubturbine gegeben,
bei welcher das Arbeitsgas zur Schonung der Turbinenbeschaufelung von den Ascheteilchen
der Verbrennungsrückstände zu reinigen ist.
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Dieses Entfernen von Ascheteilchen wurde bisher in verwickelten energieverzehrenden
Zusatzeinrichtungen vorgenommen. Nach der Erfindung werden diese dadurch ersetzt,
daß man durch die drallerzeugende Vorleiteinrichtung und einen entsprechenden axialen
Abstand zwischen dieser und dem Turbinenlaufrad eine Entstaubungszone und Austragschlitze
vorsieht.
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Durch diese Maßnahme wird die Entstaubung des Arbeitsmediums von der
Turbine selbst übernommen bzw. in der Turbine selbst ausgeführt.
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Ähnliche Verhältnisse liegen auch beim Generatorantrieb von Fahrzeugen
vor sowie bei der Abscheidung oder Trennung von Dampf - Wasser, Dampf - Ül, Gas
- Ö1 u. dgl.
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Ferner ist der Drallverlauf nach der Erfindung auch bei Zyklonbrennern
für eine in ihrer Wirksamkeit hinsichtlich der Feinentstaubung gesteigerte Trennung
von Asche und Heizgas anwendbar, um an den nachgeschalteten Heizflächen die Bildung
von die Wärmeübertragung herabmindernden Staubnestern bzw. -ablagerungen zu vermeiden.