EP3661653A1 - Gleichstromzyklonabscheider - Google Patents

Gleichstromzyklonabscheider

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Publication number
EP3661653A1
EP3661653A1 EP18758550.0A EP18758550A EP3661653A1 EP 3661653 A1 EP3661653 A1 EP 3661653A1 EP 18758550 A EP18758550 A EP 18758550A EP 3661653 A1 EP3661653 A1 EP 3661653A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pipe section
dispersion
particles
wall
section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18758550.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tayyar Yücel Bayrakci
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
CYFRACT UG (HAFTUNGSBESCHRAENKT)
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3661653A1 publication Critical patent/EP3661653A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C3/06—Construction of inlets or outlets to the vortex chamber
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C2003/003—Shapes or dimensions of vortex chambers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04C—APPARATUS USING FREE VORTEX FLOW, e.g. CYCLONES
    • B04C3/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex flow following a screw-thread type line remains unchanged ; Devices in which one of the two discharge ducts returns centrally through the vortex chamber, a reverse-flow vortex being prevented by bulkheads in the central discharge duct
    • B04C2003/006—Construction of elements by which the vortex flow is generated or degenerated

Definitions

  • the invention relates to a DC cyclone separator for the separation of particles from a dispersion having the particles and a fluid. As a dispersion in particular a suspension is used. The invention further relates to the use of a DC cyclone separator.
  • filters are used, for example, in which the dispersion is passed through a membrane.
  • the particles deposit on the membrane, which must therefore be replaced after a certain time in order to avoid clogging.
  • cyclone separators also referred to as centrifugal separators.
  • the cyclone separators are designed either as countercurrent cyclone separators, also referred to as tangential cyclone separators, or as direct cyclone separators, also referred to as axial separators.
  • volume forces in a swirling flow are e.g. Centrifugal forces and gravitational acceleration.
  • Fluid forces in a swirl flow are, for example, aerodynamic forces that are caused due to a radial velocity gradient. In this case, a buoyancy force due to a gradient of the dynamic pressure acts on particles. The particles are thus sucked in the direction of the faster flow components.
  • the dispersion In the countercurrent cyclone separator, the dispersion is passed into a vessel having a rounded sidewall, such as a barrel or cone, the Introduction is tangential.
  • the axis of the container is thus substantially vertical and perpendicular to the original direction of movement of the dispersion and thus perpendicular to the direction of introduction of the dispersion into the container. Therefore, the dispersion is forced to a circular or spiral shape, which is predetermined by means of the wall of the container. Due to the usually increased weight of the particles they are forced radially outward and braked by the wall. As a result, the particles collect at the bottom of the vessel.
  • the fluid is usually derived from a vertically located above the bottom outlet, which is usually above the Einleitticians of the dispersion in the container. Due to the vertical introduction of the dispersion into the container, a space requirement is increased and retrofitting existing systems with such Gegenstromzyklonabscheider therefore usually not possible. Also, the direction in which the fluid is passed from the countercurrent cyclone separator does not correspond to the direction in which the dispersion is directed into the countercurrent cyclone, and therefore further diversions of the dispersion are required. In addition, a comparatively high pressure loss occurs for the fluid and / or particle separation.
  • the dispersion is placed in a rotational movement about an axis along the direction of movement of the dispersion.
  • the generation of this movement is usually carried out by means of guide vanes, which are arranged within a pipe section of the Gleichstromzyklonabscheiders, or by means of a tangentially introduced secondary flow.
  • the dispersion is also imparted with a velocity in the tangential direction, wherein the maximum velocity of the dispersion, ie its absolute value, is located substantially centrally between a tube wall and the center of the tube.
  • the particles are moved radially outwards, whereas the fluid is moved substantially in the middle of the DC cyclone.
  • the maximum velocity is not at the edge of the tube section, a force acting on particles in the radial direction is reduced the further they move away from the maximum velocity region, which is why only a few particles accumulate in the edge region.
  • the rotation of the dispersion leads to the formation of a Hamel-Oseen vortex, which essentially corresponds to a rigid body vortex in the core region and, subsequently, to a potential vortex in the direction of the pipe wall radially on the outside.
  • this vortex structure results in an area with maximum absolute velocity, which can be considered as a sink with respect to the fluid forces, and to which the particles are moved.
  • the DC cyclone separator can also be retrofitted into existing systems. Also, manufacturing costs of such Gleichstromzyklonabscheiders are reduced. In addition, only a comparatively low pressure loss occurs, since it is not necessary to divert the dispersion perpendicular to the direction of movement. However, as compared with the counter cyclone separator, an efficiency of the DC cyclone separator and a selectivity between the particles and the fluid are reduced. In particular, in the embodiment as a DC hydrocyclone, the deposition rate is further reduced due to the substantially same density of the particles and of the fluid.
  • the invention has for its object to provide a particularly suitable Gleichstromzyklonabscheider and a particularly suitable use of a Gleichstromzyklonabscheiders, advantageously an efficiency is increased.
  • the DC cyclone separator serves to separate particles from a dispersion comprising the particles and a fluid.
  • the dispersion consists of the particles and the fluid.
  • the density of the particles and the density of the fluid are substantially the same.
  • the densities equal to 1 or at least between 0.95 and 1.05 or between 0.99 and 1.01 or between 0.995 and 1.005.
  • the particles have for example a size of 1 nm to 1 ⁇ or preferably greater than 1 ⁇ .
  • the particles have a particle size between 0.1 mm and 1 mm or larger.
  • the particles consist for example of a single substance or of different substances or elements.
  • the particles are heterogeneous. For example, sand at least partially forms the particles.
  • the fluid is for example a gas or more preferably a liquid.
  • the fluid is incompressible and a liquid.
  • the dispersion is a suspension.
  • the fluid is for example water, which is taken in particular a flowing water or a sea.
  • the fluid should be used, for example, as cooling water in an industrial plant or as process water in mining.
  • the fluid is to be supplied to a desalination plant, and the dispersion is seawater in which, for example, particles are present, in particular sand.
  • the DC cyclone separator is an axial separator.
  • the DC cyclone separator is a centrifugal separator which is axiomatic / unidirectional.
  • the dispersion is passed through the Gleichstromzyklonabscheider in a conducting direction, in particular for the deposition, the direction is not changed.
  • the direction is constant. In other words, the direction in which the dispersion or at least the fluid is passed is not changed.
  • the Gleichstromzyklonabscheider comprises a pipe section, which is designed as a hollow cylinder and serves to direct the dispersion in the direction.
  • the dispersion is passed through the hollow cylindrical pipe section during operation.
  • the direction is expediently at least partially parallel to the axis of the hollow cylindrical pipe section.
  • the pipe section has an inner wall, along which thus the dispersion is passed during operation.
  • the hollow cylindrical pipe section has a substantially circular cross section.
  • the hollow cylindrical tube cut free of other components of the DC cyclone, so that it can be relatively freely flowed through the dispersion. In other words, there is no further component within the inner wall and thus a cavity is formed by means of the inner wall.
  • the inner wall of the pipe section has an internal thread.
  • the inner wall has a notch and / or a radially inwardly projecting extension extending helically along the direction.
  • a helix is formed by means of the notch or the projection, that is to say preferably a curve which winds with a pitch around the jacket of a cylinder, the cylinder being provided in particular by means of the inner wall.
  • the internal thread winds around the axis of the hollow cylindrical pipe section.
  • the inner wall over its entire length in the direction of the internal thread.
  • the length of the pipe section is for example equal to the diameter of the pipe section or larger than the diameter of the pipe section, greater than or equal to twice the diameter of the pipe section or greater than or equal to three times the pipe section.
  • the length of the pipe section is greater than or equal to 10 times, 20 times, 50 times, 100 times or 150 times the diameter of the pipe section.
  • the internal thread serves to generate the swirl of the dispersion so that, after passing through the internal thread, it has a velocity component tangential, ie perpendicular to the direction of conduction.
  • the swirl generator is the internal thread.
  • the dispersion is set in a rotational movement in addition to the translational movement along the guide direction, wherein the rotational movement is perpendicular to the direction of the guide.
  • the tangential velocity component is applied by means of the internal thread on the moving along the inner wall layers of the dispersion, which is transmitted due to viscosity or the like to the other, located inside areas of the dispersion.
  • the dispersion has a velocity profile which is not constant.
  • the outer regions of the dispersion ie those which are comparatively close to the inner wall, in particular in the region of the inwardly projecting extension, due to the internal thread on the highest speed.
  • This speed corresponds to the speed which prevails due to the dispersion of the dispersion along the direction of flow, plus the speed which is applied due to the internal thread.
  • the essentially only centrally located part of the dispersion in this case has only the velocity component in the direction of conduction. Due to the viscosity of the dispersion, the velocity increases substantially linearly from the center of the tube section to the inner wall, so that the rotational motion of the dispersion essentially corresponds to that of a solid.
  • the particles due to the centrifugal force, in particular in conjunction with the fluid force comparatively efficiently moved radially outwardly to the inner wall of the pipe section, wherein the force acting on the particles increases in the radial direction with decreasing distance to the inner wall.
  • the farther the particles are moved outwards the more outwardly they move, resulting in a relatively sharp separation between the particles and the fluid in the dispersion.
  • the particles themselves move in particular along the helical path, which is predetermined by the pitch of the internal thread. For separation of the particles from the dispersion no moving parts are required, which reduces construction costs and reduces the risk of error. In addition, an efficiency is increased.
  • the particles themselves are removed by means of a suitable deposition chamber from the fluid, which is expediently connected downstream of the pipe section fluidly.
  • an efficiency ie the ratio of the fluid conducted from the dc cyclone separator to the volume of the dispersion introduced in the dc cyclone separator, of up to 80% is realized by means of the dc cyclone separator, particle separation (particle separation efficiency) of up to 95% being achieved during operation
  • the internal thread has in particular a gear, which is realized by means of the notch (groove).
  • the passage corresponds to the groove, and the passage is configured helically along the guide direction and thus the inner wall is notched to form the passage.
  • the internal thread has a number of such passages.
  • the number of gears between two gears and 100 gears, between 4 gears and 20 gears and, for example, equal to 12 gears which leads to a relatively effective spin generation, in particular a formation of vortices is reduced.
  • manufacturing costs are relatively low.
  • the passages are provided, for example, by means of grooves which, for example, have a substantially rectangular cross-section.
  • the aisles are rounded and the cross section of each gait is suitably shaped like a hedge and / or earmuff.
  • each gait is at least partially helical, in particular logarithmic spiral, designed and / or bent. Consequently, the hollow cylindrical pipe section has a substantially cross-section, which is designed gear or saw blade-shaped.
  • the cross section is designed in the manner of the cross section of a freewheel. Due to the curves, a formation of unwanted eddies is further reduced, which would otherwise reduce efficiency.
  • the pitch angle of the internal thread is constant, for example. However, particularly preferably, the pitch angle in the direction increases. For example, the pitch angle starts at 0 ° and increases continuously, for example, so that formation of vertebrae is further avoided. As a result, the rotational speed of the dispersion continuously increases about an axis along the direction, which further increases the efficiency.
  • the pitch angle of the internal thread corresponds to the pitch angle of any available gears and the pitch angle of the gears is in particular the same, at least at the same position in the direction.
  • the pitch angle is in particular the angle which the internal thread, in particular the gear, encloses with the guide direction.
  • the pitch angle is preferably between 15 ° and 60 ° and, for example, increases between 15 ° and 60 °, suitably continuously or exponentially.
  • the pitch angle is selected such that a subcritical degree of swirl is formed, wherein the degree of swirl is determined in particular on the basis of the ratio of the velocity component in the tangential direction to the velocity component in the guide direction, and this example corresponds. As a result, a turbulence intensity is reduced.
  • a subcritical swirl (reduced turbulence intensity) is formed up to a critical degree of swirl and, from the critical degree of swirl, a supercritical swirl (increased turbulence intensity).
  • the subcritical spin is particularly advantageous.
  • the degree of twist results in particular from the ratio of the tangential to the axial pulse current.
  • the pipe section is fluidly followed by a second pipe section, which is configured as a hollow cylinder.
  • the two pipe sections are expediently arranged coaxially.
  • the second pipe section directly adjoins the pipe section, and the pipe section preferably passes directly into the second pipe section.
  • the pipe section is integrally formed on the second pipe section and thus in one piece, in particular monolithic, with this.
  • the second pipe section preferably has a substantially round cross-section.
  • the second pipe section expediently has the same inner diameter as the pipe section on the side facing the pipe section, which avoids turbulence of the dispersion or of the fluid during the transition from the pipe section to the second pipe section.
  • the second pipe section thus also has an inner wall, and the dispersion or at least the fluid and the particles separated therefrom are likewise guided in the direction of the second pipe section during operation, namely from the pipe section.
  • the inner wall of the second pipe section has, for example, at least in sections, in particular completely, also an internal thread, wherein the internal thread of the pipe section expediently passes directly into the internal thread of the second pipe section.
  • the passage or passages of the internal threads are aligned with each other.
  • the pitch angle of the internal thread of the pipe section at the transition is equal to the pitch angle of the internal thread of the second pipe section.
  • the inner wall of the second pipe section is designed to be smooth at least in sections, in particular completely, in the second pipe section a bluff body is arranged. This is in particular centrally within the second pipe section, that is positioned centrally within the second pipe section and preferably on the axis of the second pipe section.
  • the bluff body is rotationally or more preferably rotationally symmetrical with respect to the axis of the second pipe section.
  • the bluff body is particularly flow-optimized.
  • the bluff body is designed, for example, teardrop-shaped, wherein the thickened end is directed in particular in the direction of the pipe section. In this way, a fluidic resistance of the bluff body is reduced, and turbulence is avoided.
  • radially outwardly extending vanes are connected, in particular integrally formed In other words, the course of the vanes on at least one component in the radial direction.
  • the vanes extend between the bluff body and the inner wall of the second pipe section, that is, at least partially radially and outwardly with respect to the bluff body.
  • the guide vanes extend at least partially tangentially and are preferably configured spirally curved.
  • the vanes are spaced from the inner wall of the second pipe section.
  • the radially outer portion of the dispersion is relatively moderately influenced by the vanes. Because of the spacing of the vanes from the inner wall of the second pipe section, the rotational movement of the dispersion remains, so that after passing through the bluff body and the guide vanes also continues to have the rotational movement. The vanes in particular cause a maintenance of the twist.
  • the spacing of the guide vanes from the outer wall has, in particular, the effect that the absolute velocity of the swirl flow on the outer wall remains maximally maintained. Due to the bluff body, the dispersion is forced radially outwardly from the center of the second pipe section, while maintaining the rotational movement of the dispersion due to the pipe section.
  • the particles are forced radially outward and further accelerated due to the rotational movement in the direction of the inner wall of the second pipe section.
  • the increased centrifugal force and / or the fluid force acts on the radially outwardly moving particles, which is why even particles located in the fluid downstream of the pipe section are deposited toward the inner wall of the second pipe section.
  • essentially only the fluid is again moved into the middle of the second pipe section, so that substantially only the outer regions of the dispersion still have the particles.
  • the inner regions of the dispersion essentially have only the fluid moved inwards after the bluff body.
  • an efficiency is improved due to the bluff body and the vanes.
  • the vanes are suitably inclined with respect to the direction.
  • the guide vanes are inclined with respect to the axis of the hollow cylindrical second pipe section and thus arranged obliquely to the latter.
  • the vanes suitably form an external thread connected to the bluff body. Due to the inclination, the dispersion is also continued to rotate in operation by means of the vanes, or at least maintain the rotational motion of the dispersion.
  • the angle of inclination of the vanes is equal to the pitch angle of the internal thread.
  • the vanes have the same pitch angle as the internal thread. If the pitch angle of the internal thread is variable, in particular the pitch angle / inclination angle of the guide vanes is equal to the pitch angle of the internal thread at the transition from the pipe section to the second pipe section, provided that the second pipe section has no internal thread. If the second pipe section also has the internal thread, the pitch angle of the guide vanes is equal to the pitch angle of the internal thread of the second pipe section. If the pitch angle of the internal thread of the second pipe section is variable, in particular also the pitch angle of the guide vanes is variable and expediently changes according to the pitch angle of the internal thread.
  • the pitch angle of the guide vanes is advantageously equal to the pitch angle of the internal thread at the same position in the axial direction and / or in the direction. Due to the inclination of the guide vanes is thus the rotational movement, which is caused by the internal thread, reinforced or at least maintained. Consequently, the vanes are also used for swirl generation or at least swirl maintenance.
  • the length of the guide vanes in the direction of the guide is preferably reduced with decreasing distance to the inner wall.
  • the length of the guide vanes overflowed by the dispersion decreases toward the inner wall.
  • the dispersion on the tube wall substantially retains the original velocity prevailing upon exit from the tube section, and the dispersion continues to exhibit substantially rotational motion similar to that of a solid. In this way, a separation of the particles from the fluid is further improved.
  • the cross section of the guide vanes has a wake.
  • the vane cross section is spiral.
  • the bluff body and / or the vanes are made of a plastic.
  • the bluff body and vanes are integral (monolithic).
  • at the bluff body between 3 vanes or 20 vanes and suitably 4 vanes or 8 vanes are connected.
  • a flow resistance is comparatively low, yet there is an efficient maintenance or introduction of the rotational movement in the dispersion.
  • the second pipe section is widened on the opposite side of the pipe section.
  • the inner diameter of the second pipe section increases continuously or at least from a certain point of the second pipe section, the inner diameter increases continuously.
  • a step or the like is present.
  • a hollow cylindrical third pipe section is upstream of the pipe section fluidly, in particular directly.
  • the third pipe section goes in particular into the pipe section and the pipe sections are expediently formed on each other, in particular in one piece, for example monolithic.
  • the axes of the hollow cylindrical pipe sections are parallel to each other, preferably the same.
  • the third pipe section is arranged coaxially to the pipe section, and / or the pipe section has the same inner diameter as the third pipe section.
  • the cross section of the third pipe section is circular, for example.
  • a further bluff body is arranged, in particular centrally.
  • the bluff body is arranged, for example, centrally on the axis of the hollow cylindrical third pipe section and suitably rotatable or rotationally symmetrical with respect to this configured.
  • the further guide vanes extend at least partially radially outwards from the further bluff body.
  • the vanes are connected to an inner wall of the third pipe section.
  • the further vanes serve to direct the dispersion.
  • the bluff body is omitted and the further vanes are molded together.
  • the pipe section serves to "homogenize / calm" the swirl flow, in particular the length of the pipe section being at least ten times the (inner) diameter of the pipe section.
  • the further vanes are preferably at least partially inclined with respect to the direction.
  • the further guide vanes have a pitch angle with the guide direction or at least the axis of the third tube section.
  • the pitch angle is constant.
  • the pitch angle is not constant and the guide vanes are thus configured bent. Due to the inclination of the guide vanes, a swirling movement is introduced into the dispersion even before entry into the pipe section, ie a rotational movement about the axis of the third pipe section. In other words, during operation, the dispersion already partially enters the pipe section in a rotating manner.
  • any turbulences within the dispersion are reduced and a motion image, in particular a velocity profile of the dispersion, homogenized, so that the dispersion essentially has the velocity profile of a rotating solid when exiting the pipe section.
  • the velocity component increases in the tangential direction with increasing radial distance to the central axis of the pipe section, in particular linear.
  • the pitch angle of the internal thread on the side facing the third pipe section is different from 0 ° and in particular corresponds to the angle of inclination of Guide vanes with respect to the direction on the pipe section facing side. As a result, the swirl flow is calmed in particular.
  • the tube section is preferably downstream of a separation chamber fluidly. If the second pipe section is present, in this case the separation chamber downstream of the second pipe section fluidly, in particular directly. If the second pipe section is not present, the separation device is, for example, directly downstream of the pipe section.
  • the separation chamber itself has a separation tube, which is arranged in particular coaxially to the pipe section, preferably coaxially to the second pipe section, if this is present.
  • the separator tube (dip tube) itself, for example, has a substantially round cross-section perpendicular to the direction of conduction. Conveniently, the separation tube is aligned substantially parallel to the direction.
  • the inner diameter of the separator tube is smaller than the inner diameter of the tube section.
  • the separating tube On the circumference, the separating tube is surrounded by a collecting chamber. Due to the movement of the particles in the direction of the inner wall of the pipe section, in this case the particles are moved into the collecting chamber (secondary volume flow), whereas the fluid enters the separating pipe (primary volume flow).
  • the deposition chamber a fluid purified by the particles as well as the particles are provided, wherein in these essentially only comparatively small traces of the fluid are present.
  • the catchment chamber directly surrounds the separation tube, which has, for example, a comparatively thin wall.
  • the separation pipe is at least partially closed on the side opposite the pipe section by means of a cone or the like, wherein in particular between the edge of the separation pipe and the cone a circumferential slot is formed. In operation, the fluid exits through the slot.
  • the tip of the cone protrudes into the separation tube, and the cone is expediently arranged coaxially to the separation tube.
  • the cone serves in particular as a dynamic pressure body and / or for regulating the pressure ratio se / speed conditions at the inlet of the separator tube.
  • the separation pipe is provided for example with a connection for a line.
  • the inner diameter of the separating tube is widened on the side opposite the pipe section.
  • the inner diameter increases from the beginning of the separation tube on the side of the pipe section in the direction of. As a result, a speed of the fluid is reduced during operation
  • a DC cyclone separator having a hollow cylindrical pipe section for conducting a dispersion in a direction of conduction, wherein an inner wall of the pipe section has an internal thread, is used to deposit particles from the dispersion comprising the particles and an incompressible fluid such as a liquid.
  • the dispersion is a suspension.
  • the dispersion consists of the particles and the incompressible fluid, wherein the fluid is for example a mixture of different liquids.
  • the fluid is, for example, a water or includes this.
  • the particles are, for example, homogeneous or particularly preferably heterogeneous and suitably have a particle size greater than 1 ⁇ m, greater than 0.1 mm or greater than 1 mm.
  • the DC cyclone separator is used in an industrial plant, in particular for providing cooling water.
  • the DC cyclone is used in mining, especially for providing process water.
  • the Gleichstromzyklonabscheider is used for pre-cleaning in a desalination plant, by means of which in particular seawater is desalinated.
  • FIG. 1 schematically shows a direct-current cyclone separator with a pipe section whose inner wall has an internal thread, and with a nem second pipe section in which a bluff body is arranged with attached and extending radially outward vanes
  • FIG. 4 shows schematically a development of Gleichstromzyklonabscheiders
  • Fig. 5 shows a cross section of a development of the second pipe section and a bluff body with attached guide vanes.
  • Fig. 1 is shown schematically simplified in a section along a longitudinal axis 2, a Gleichstromzyklonabscheider 4 is shown.
  • the DC cyclone separator 4 is used to filter a dispersion 6 consisting of an incompressible fluid 8 in the form of water and particles 10 in the form of sand and thus to separate the particles 10 from the dispersion 6, so that the incompressible fluid 8 in FIG Essentially pure.
  • the dispersion 6 is thus a suspension.
  • the direct cyclone separator 4 is connected upstream of a desalination plant, and the dispersion 6 is taken from the sea, so that the fluid 8 is seawater.
  • the present in the seawater particles 10 would damage the desalination plant or at least reduce their efficiency. Therefore, it is necessary that the particles 10, that is, the sand, and other solid constituents present in the seawater be removed from the seawater.
  • the Gleichstromzyklonabscheider 4 has a hollow cylindrical pipe section 12 and a fluidly downstream second pipe section 14, which is also designed as a hollow cylinder.
  • the second pipe section 14 is integrally formed on the pipe section 12 and arranged coaxially with the pipe section 12.
  • the inner diameter of the pipe section 12 is constant and equal to the inner diameter of the second pipe section 14 on the pipe section 12 facing side.
  • the second pipe section 14 is widened, so that its inner diameter increases.
  • Fluid technology is the second pipe section 14, a separation chamber 16 downstream, which is thus also downstream of the pipe section 12 fluidly.
  • the separation chamber 16 has a collecting chamber 18 with a guide tube 20, which is integrally formed on the second pipe section 14 on the pipe section 12 opposite side.
  • the second pipe section 14 is widened at a continuous distance from the pipe section 12, and also the guide tube 20 is widened with increasing distance to the pipe section 12.
  • the inner diameter of the guide tube 20 on the second pipe section 14 facing side is equal to the inner diameter of the second pipe section 14.
  • the guide tube 20 is arranged coaxially to the second pipe section 14, ie to the longitudinal axis 2, so that a comparatively planar transition between them is present ,
  • a separator tube 22 is arranged, the inner diameter on the side of the tube section 12 and the other tube section 14 is smaller than the inner diameter of the tube section 12 and thus smaller than the inner diameter of the second pipe section 14 is.
  • the inner diameter of the separating tube 22 is widened with increasing distance to the tube section 12, wherein the length of the separating tube 22, over which this is widened, corresponds to the length of the guide tube 20. In other words, the separation tube 22 is widened in the region within which it is located in the guide tube 20.
  • a circumferential gap 24 is formed between the guide tube 20 and the separator tube 22, the cross-sectional area increases steadily / exponentially in the direction of the pipe section 12 away.
  • the length of the separating tube 22 is greater than the length of the guide tube 20, and on the guide tube 20, a partition wall 26 for limiting the collecting chamber 18 is connected at a distance from the guide tube 20, in particular integrally formed.
  • the separation pipe 22 is at least partially surrounded by the collecting chamber 18.
  • a circumferential slot 30 is formed between the dynamic pressure body 28 and the separator tube 22.
  • the hollow cylindrical pipe section 12 has an inner wall 32, which forms the boundary of the pipe section 32 in the radial direction inwards.
  • the area within the inner wall 32 is free of further constituents of the DC cyclone separator 4, so that the pipe section 12 in operation of the dispersion 6 in a direction 34 which is parallel to the longitudinal axis 2 and directed from the pipe section 12 in the direction of the deposition chamber 16 substantially can be flowed through freely.
  • the inner wall 32 has an internal thread 36 with twelve passages 38.
  • the length of the pipe section 12 in the direction 34 is, for example, equal to 6.5 m.
  • FIG. 2 shows a cross section of the tube section 12 perpendicular to the longitudinal direction 2.
  • the gears 38 are rounded and configured in the manner of handles or ears, so that a circular saw blade-shaped cross-section of the pipe section 12 results.
  • a pitch angle 40 is formed in each case, wherein all pitch angles 40 of the gears 38 at each cross section perpendicular to the longitudinal direction 2 are equal.
  • the gears 38 are at a constant tangential distance and therefore parallel to each other.
  • the pitch angle 40 increase in the direction 34.
  • the aisles 38 in the direction at the beginning of the pipe section 12 at an angle of 15 °.
  • the internal thread 36 and thus all gears 38 At the transition of the pipe section to the second pipe section 14, the internal thread 36 and thus all gears 38, however, a pitch angle of 45 °.
  • the increase of the pitch angle 40 is linear or exponential.
  • the course of the gears 38 is helically around the longitudinal axis 2 around, wherein the distance of the individual Helix- turns (helix) in the direction 34 decreases due to the increase of the pitch angle. In other words, it is a compressed helix (helix).
  • the second pipe section 14 has an inner wall 41 with an internal thread 42, which also has twelve courses. The aisles 38 of the thread 36 of the pipe section 12 go directly into the passages of the internal thread 42 of the second pipe section 14 and aligned therewith.
  • the pitch angle 40 of the thread 42 of the second pipe section 14 is constant and is 45 °.
  • a bluff body 44 which is shown in perspective in FIG. 3, is arranged, which is designed drop-shaped and made of a plastic.
  • the thickened end of the pipe section 12 faces, and the tapered end points in the direction of the deposition chamber 16.
  • the bluff body 44 in the direction of the deposition chamber 16 pointed expiring, lenticular contour.
  • the bluff body 44 has a rotationally symmetrical shape of the upper airfoil contour.
  • the rotationally symmetrical bluff body 44 is arranged centrally within the second pipe section 14 and thus rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 2.
  • the maximum extent of the bluff body 44 in the radial direction, ie perpendicular to the longitudinal axis 2 is substantially equal to half the diameter of the pipe section 12. The maximum extent depends in particular on the flow velocity and the particles to be separated.
  • vanes 46 At the bluff body 44 eight radially outwardly extending vanes 46 are connected, of which only four are shown.
  • the vanes 46 are spaced from the inner wall 41 of the second pipe section 14 and inclined with respect to the direction of conduction 34, so that they are wrapped around the bluff body 44 and thus form an external thread.
  • the pitch angle (inclination angle) of the guide vanes 46 with respect to the direction 34 is equal to the pitch angle 40 of the internal thread 36 at the transition to the second thread 42 and equal to the pitch angle of the internal thread 42 of the second pipe section 41 and thus equal to 45 °.
  • the length of the guide vanes 46 that is to say their extent in the guide direction 34, is reduced with increasing distance from the longitudinal axis 2.
  • the guide vanes 46 are also configured in a substantially drop-shaped in a lateral plan view.
  • the guide vanes 46 extend in this case in cross section (tube cross section) radially (lying straight on the radius).
  • the Cross section of the vanes 46 a caster. That is, the vane cross section follows a spiral contour.
  • the dispersion 6 is introduced into the pipe section 12 in the direction of line 34 through an inlet opening 48, which is located on the side opposite the second pipe section 14.
  • the dispersion 6 has essentially only one velocity component in the direction of conduction 34. Due to the internal thread 36, the dispersion in the region of the inner wall 32 is set in a rotational movement about the longitudinal axis 2. Due to the viscosity of the dispersion 6, this velocity component is also transferred to regions of the dispersion 6 which are spaced from the inner wall 32. As a result, the velocity component of the dispersion 6 is greater perpendicular to the direction 34, the further the dispersion 6 is located on the inner wall 32.
  • the amount of speed is proportional to the distance from the longitudinal axis 2, which is why the dispersion 6 in addition to the translational movement in the longitudinal direction 34 also has a rotational movement, which is directed about the longitudinal axis 2.
  • the axis of rotation of the dispersion is equal to the longitudinal axis 2. Consequently, the dispersion 6 behaves like a solid in which the velocity component in the tangential direction increases linearly with the distance to the axis of rotation during a rotational movement. Due to the increasing pitch angle 40, the rotational speed of the dispersion 6 is increased with increasing penetration into the pipe section 12. Due to the centrifugal force (volume force) caused by the rotation and the buoyant force (fluid force directed towards the inner wall 32, which is caused by the velocity gradient), the particles 10 are moved radially outward.
  • the dispersion 10 impinges on the bluff body 44 after passing through the pipe section 12, so that the complete dispersion is moved outwards in the radial direction.
  • the rotational movement of the dispersion 6 is maintained.
  • the fluid 8 again in Direction of the longitudinal axis 2 moves, whereas the particles 10 remain radially outward.
  • the particles 10 therefore have a greater distance from the longitudinal axis 2 than the opening of the separating tube 22, which is why the particles 10 reach the gap 24 and thus into the collecting chamber 18. There they meet the partition 26 and are thus prevented from moving further in the direction 34.
  • the fluid 8 is offset inwards in the direction of the longitudinal axis 2 with respect to the inner wall 41 of the second tube section 14 and enters the separating tube 22. There, this impinges on the dynamic pressure body 18 and is discharged via the slot 30 from the Gleichstromzyklonabscheider 4.
  • the inner diameter of the separating tube 22 on the side of the second tube section 14 it is possible to set a purity of the fluid 8 or of the particles 10.
  • the inlet opening 48 is a hollow cylindrical third pipe section 50 fluidly upstream.
  • a further modification is not present, so that the pipe section 12, the second pipe section 14, the deposition chamber 16, the bluff body 44 and the guide vanes 46 are left unchanged.
  • the length of the pipe section 12 is shortened.
  • the third pipe section 14 has the same inner diameter as the pipe section 12 and is arranged concentrically to this.
  • the third pipe section 50 is integrally formed on the pipe section 12 and thus in one piece, ie monolithic, with this.
  • a further baffle body 52 is arranged, which is designed cylindrical or flow-optimized and arranged concentrically to the longitudinal axis 2.
  • On the opposite side of the pipe section 12 side of the other bluff body 52 is designed dome-shaped, summarizing the bluff body 52 is located centrally in the third pipe section 50, wherein the further bluff body 52 is spaced from an inner wall 54 of the third pipe section.
  • further vanes 56 are connected. There are here ten more vanes 56 available.
  • the further guide vanes 56 extend radially and are connected to the further bluff body 52 and to the inner wall 54 of the third tube section 50. the and on these molded.
  • the further vanes 56 with respect to the direction 34, ie with respect to the longitudinal axis 2, partially formed inclined and bent.
  • the dispersion 6 is introduced into the third pipe section 50 on the side opposite the pipe section 12 during operation and is already set into the rotational movement with respect to the longitudinal axis 2 by means of the further guide blades 56.
  • the dispersion 6 is forced past the baffle body 52 and the inner wall 54 of the third tube section 50 and the further guide vanes 56. Because of the bending of the further vanes 56, the rotational speed of the dispersion 6 increases with increasing passage in the direction of direction 34.
  • the further bluff body 52 is omitted, and the further vanes 56 are connected to each other in the middle of the third pipe section 50.
  • the velocity profile of the dispersion 6 after passage of the bluff body 52 and the further guide vanes 56 is such that the maximum velocity of the dispersion is present substantially midway between the inner wall 54 of the third tube section 50 and the longitudinal axis 2.
  • the thus rotated in rotation dispersion 6 is passed into the pipe section 12.
  • a change in the velocity profile is achieved, so that the (absolute) velocity of the dispersion 6 is increased with increasing distance to the longitudinal axis 2.
  • the dispersion 6 when leaving the pipe section 12 on a velocity profile as a rotating solid.
  • the rotational speed of the dispersion 6 increases linearly with increasing distance to the longitudinal axis 2.
  • a separation of the particles 10 from the incompatible fluid 8. Therefore, after passage of the second pipe section 14, the particles 10 in Essentially completely through the gap 24 and the fluid 8 discharged through the slot 30 from the Gleichstromzyklonabscheider.
  • the tube section 12 which is configured in the manner of a swirl tube, the swirl generation of the dispersion 6 takes place. In other words, the dispersion 6 is set into a rotational movement.
  • the dispersion 6 is caused to rotate due to a pressure pulse input occurring due to the gears 38 having the pitch angle 40 with respect to the longitudinal axis 2.
  • the aisles 38 are not rounded, but are designed, for example, square.
  • at least the pipe section 12 has the internal thread 32, which comprises a plurality of threads 38.
  • the other vanes 56 are present, by means of the internal thread 36, a homogenization of the rotational movement of the dispersion 6, so the length of the pipe section 12, so its extension in the direction 34, can be reduced.
  • a swirl structure is introduced into the dispersion 6, which corresponds to a pure rigid body rotation (solid-state rotation).
  • the tangential velocity profile increases in particular from the tube center axis, ie from the longitudinal axis 2, radially outward to linear. Consequently, the maximum absolute velocity of the dispersion 6 is substantially at the inner wall 32 of the pipe section 12 and on the inner wall 41 of the second pipe section 14.
  • the particles 10 are exposed to a centrifugally symmetric point from the central axis, ie the longitudinal axis 2, outwardly acting centrifugal force.
  • the particles 10 are moved radially outwards, whereas the fluid 8 remains in the middle of the pipe sections 12, 14 due to the reduced density and the acting forces.
  • the particles 10 are entrained by faster flow rates of the dispersion 6. Since the comparatively rapid flow components are offset towards the inner wall 32 of the tube section 12 and to the inner wall 41 of the second tube section 14, the particles 10 are moved comparatively efficiently radially outward.
  • the bluff body 44 is disposed within the second pipe section 14 and fluidly in front of the deposition chamber 16. The bluff body 44 is designed in particular flow-optimized. In this way, detachment areas and associated turbulence in the wake are particularly avoided.
  • the vanes 56 have the same pitch as the internal thread 36 and / or the internal thread 42 of the second pipe section 14, if it is present on.
  • the overflowed length of the guide vanes 46 decreases toward the inner wall 41 of the second pipe section 14 and is advantageously comparatively small on the inner wall 41.
  • the swirl flow of the dispersion 6 in the region of the inner wall 41 of the second pipe section 14 maintains its maximum speed.
  • the dispersion 6 in the region of the inner wall 41 of the second pipe section 14 the highest speed in the tangential direction and / or in the direction 34.
  • the structure of the rigid body rotation of the dispersion 6 is maintained even after passage and passage of the second pipe section 14.
  • the particles 10 contained in the dispersion 6 are due to the geometry of the bluff body 44 to the outside, in a region of comparatively fast flow, in particular comparatively high speed in the tangential direction, urged and in particular supported by this. As a result, the particles 10 do not reach the center of the pipe again after passage of the bluff body 46, and thus not to the longitudinal axis 2.
  • the separation of the particles 10 takes place by means of the deposition chamber 14.
  • the geometric configuration of the separation tube 22 and the guide tube 10 and the gap 24 formed therebetween is crucial for the selectivity, so the percentage of deposited particles 10 and for the efficiency, ie the ratio of from the DC cyclone 4 out out of the fluid 8 to the volume of introduced in the Gleichstromzyklonabscheider dispersion 6.
  • Due to the internal thread 36 is the rotation of the dispersion 6 optimized in terms of fluid mechanics. Due to the bluff body 44 in conjunction with the internal thread 36, an optimized separation of the particles 10 takes place.
  • the direct-current cyclone separator 4 serves to separate the particles 10 from a compressible or incompressible fluid 8.
  • the dispersion 6 is set into rotation by means of the tube section 12 designed as a spiral tube.
  • the inner wall 32 has the internal thread 36 with a plurality of passages 38, which ideally have the increasing lead angle 40 in the guide direction 34, which corresponds to the flow direction of the dispersion 6.
  • the swirl structure of the dispersion produced in this way is similar to a pure rigid body rotation (solid-state rotation) with a radially outwardly linearly increasing velocity profile in the tangential direction.
  • the rotating dispersion 6 After passing through the pipe section 12, the rotating dispersion 6 is directed around a bluff body 44 which is positioned in the center of the second pipe section 14 and in front of the deposition chamber 16. Due to the bluff body 44, the proportion of the particles 10 which are located after passing through the second pipe section 14 in the region around the pipe center axis, ie in the region around the longitudinal axis 2, and the particles 10 are in the direction of the inner wall 41 of the second pipe section 14 distracted.
  • the bluff body 44 and the guide vanes 46 are designed to be flow-optimized and shaped such that the Drailströmung further on the inner wall 41 of the second pipe section 14 has the maximum speed, which is why the particles 10 located in the dispersion 6 are forced outwards. These are separated from the fluid 8 by means of the deposition chamber 16.
  • the invention relates to a dc cyclone separator 4, also referred to as a unidirectional particle cyclone separator or axial particle cyclone separator (centrifugal separator).
  • a dc cyclone separator 4 also referred to as a unidirectional particle cyclone separator or axial particle cyclone separator (centrifugal separator).
  • This is provided and suitable in particular for the separation of particles 10 from a dispersion 6, the dispersion 6 having the incompressible fluid 8 and preferably consisting of the incompressible fluid 8 and the particles 10.
  • the Gleichstromzyklonabscheider 4 has the pipe section 12 with the internal thread 36.
  • the pipe section 12 has an at least thread-like inner tube wall, wherein the internal thread 36 of the swirl generation, so the displacement of the dispersion 6 in the rotational movement in addition to the translational movement along the longitudinal direction 34 is used.
  • the thread pitch, ie the pitch angle 40 of the internal thread 36 increases along the guide direction
  • the Gleichstromzyklonabscheider 4 the second pipe section 14, in the center of the flow-optimized designed baffle 44 is arranged, on which the helically configured guide vanes 46 are connected.
  • the pitch of the helical guide vanes 46 corresponds to the largest thread pitch, ie the largest pitch angle 40 of the internal thread 36.
  • the overflowed length of the guide vanes 46 decreases to the inner wall 41 of the second pipe section 14.
  • the second pipe section 14 is widened on the side facing away from the pipe section 12.
  • the inner diameter is increased.
  • the direct-current cyclone separator 4 preferably has the separation chamber 16 with the separation tube 22, which is inserted into the guide tube 20 in the counterflow direction, that is to say counter to the direction of conduction 34.
  • the ram pressure body 28 is inserted into the separation pipe 22, wherein between the slot 30 is formed.
  • the downstream end of the separator tube 22 is that end of the separator tube 22, which faces away from the tube section 12.
  • the separating tube 22 is arranged coaxially to the tube section 12, the second tube section 14 and the guide tube 20, and the inner diameter and the outer diameter of the separating tube 22 in the counterflow direction, ie on the side of the second tube section 14, reduced and thus narrowed.
  • a development of the second pipe section 14 is shown in a cross section.
  • the guide vanes 46 are modified.
  • On the bluff body 44 are rotationally symmetrically eight guide vanes 46 connected, of which only a single one is shown, and which are configured spirally.
  • the guide vanes 46 additionally have a course in the tangential direction.
  • the vanes 46 have a wake with respect to the twist.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Gleichstromzyklonabscheider (4) zur Abscheidung von Partikeln (10) aus einer die Partikel (10) und ein Fluid (8) aufweisenden Dispersion (6), insbesondere Suspension, mit einem hohlzylindrischen Rohrabschnitt (12) zum Leiten der Dispersion (6) in eine Leitrichtung (34). Eine Innenwand (32) des Rohrabschnitts (12) weist ein Innengewinde (36) auf, dessen Steigungswinkel (40) in der Leitrichtung (34) zunimmt.

Description

1
Beschreibung
Gleichstromzyklonabscheider
Die Erfindung betrifft einen Gleichstromzyklonabscheider zur Abscheidung von Partikeln aus einer die Partikel und ein Fluid aufweisenden Dispersion. Als Dispersion wird insbesondere eine Suspension herangezogen. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Gleichstromzyklonabscheiders.
Zum Abscheiden von Partikeln aus einer Dispersion, welches die Partikel und ein Fluid, wie ein Gas oder eine Flüssigkeit aufweist, werden beispielsweise Filter herangezogen, bei denen die Dispersion durch eine Membran geführt wird. Hierbei lagern sich die Partikel an der Membran ab, welche nach einer bestimmten Zeit somit ausgetauscht werden muss, um ein Verstopfen zu vermeiden. Eine Alternative hierzu sind Zyklonabscheider, auch als Fliehkraftabscheider bezeichnet. Die Zyklonabscheider sind entweder als Gegenstromzyklonabscheider, auch als Tangentialzyklonabscheider bezeichnet, oder als Gleichstromzyklonabscheider, auch als Axialabscheider bezeichnet, ausgeführt.
In Dispersionsströmen sind Partikel der Einwirkung von Volumenkräften und Fluid- kräften ausgesetzt. Volumenkräfte in einer Drallströmung sind z.B. Zentrifugalkräfte und die Erdbeschleunigung. Fluidkräfte in einer Drallströmung sind beispielsweise aerodynamische Kräfte, die aufgrund eines radialen Geschwindigkeitsgradienten hervorgerufen werden. Hierbei wirkt auf Partikel eine Auftriebskraft aufgrund eines Gradienten des dynamischen Drucks. Die Partikel werden somit in Richtung der schnelleren Strömungsanteile gesogen.
Bei dem Gegenstromzyklonabscheider wird die Dispersion in ein Gefäß mit einer abgerundeten Seitenwand, wie eine Tonne oder einen Kegel, geleitet, wobei die Einleitung tangential erfolgt. Die Achse des Behälters ist somit im Wesentlichen vertikal und senkrecht zur ursprünglichen Bewegungsrichtung der Dispersion und folglich senkrecht zur Einleitrichtung der Dispersion in den Behälter. Daher wird die Dispersion auf eine Kreis- oder Spiralform gezwungen, die mittels der Wandung des Behälters vorgegeben ist. Aufgrund des meist erhöhten Gewichts der Partikel werden diese radial nach außen gedrängt sowie von der Wandung abgebremst. Infolgedessen sammeln sich die Partikel am Boden des Gefäßes. Das Fluid wird meist aus einem vertikal oberhalb des Bodens befindlichen Ausgangs abgeleitet, der sich meist oberhalb des Einleitpunkts der Dispersion in den Behälter befindet. Aufgrund der senkrechten Einleitung der Dispersion in den Behälter ist ein Platzbedarf vergrößert und ein Nachrüsten bestehender Anlagen mit einem derartigen Gegenstromzyklonabscheider deshalb meist nicht möglich. Auch entspricht die Richtung, in der das Fluid aus dem Gegenstromzyklonabscheider geleitet wird, nicht der Richtung, in der die Dispersion in den Gegenstromzyklonabscheider geleitet wird, weswegen weitere Umlenkungen der Dispersion erforderlich sind. Zudem tritt ein vergleichsweise hoher Druckverlust für das Fluid und/oder die Partikelabscheidung auf.
Eine Alternative hierzu sind die Gleichstromzyklonabscheider. Bei diesen wird die Dispersion in eine Rotationsbewegung um eine Achse längs der Bewegungsrichtung der Dispersion versetzt. Die Erzeugung dieser Bewegung erfolgt meist mittels Leitschaufeln, die innerhalb eines Rohrabschnitts des Gleichstromzyklonabscheiders angeordnet sind, oder mittels eines tangential eingeleiteten Sekundärstromes. Mittels dieser wird somit der Dispersion auch eine Geschwindigkeit in Tangentialrichtung aufgeprägt, wobei die maximale Geschwindigkeit der Dispersion, also deren Absolutbetrag, im Wesentlichen mittig zwischen einer Rohrwand und dem Mittelpunkt des Rohres sich befindet. Somit werden auch hier die Partikel radial nach außen bewegt, wohingegen das Fluid im Wesentlichen in der Mitte des Gleichstromzyklonabscheiders bewegt wird. Da sich die maximale Geschwindigkeit jedoch nicht am Rand des Rohrabschnitts befindet, ist eine auf Partikel in radialer Richtung wirkende Kraft verringert, je weiter sich diese von dem Bereich der maximalen Geschwindigkeit weg bewegen, weswegen sich im Randbereich lediglich wenige Partikel ansammeln. Die Rotation der Dispersion führt nämlich zur Ausbildung eines Hamel-Oseen- Wirbels, der im Wesentlichen einem Starrkörperwirbel im Kernbereich und daran radial außenseitig anschließend einem Potentialwirbel in Richtung der Rohrwand entspricht. Abhängig von dieser Wirbelstruktur ergibt sich ein Bereich mit maximaler Absolutgeschwindigkeit, welcher hinsichtlich der Fluidkräfte als Senke betrachtet werden kann, und zu der die Partikel bewegt werden.
Aufgrund der Konstruktion kann der Gleichstromzyklonabscheider auch nachträglich in bestehende Systeme integriert werden. Auch sind Herstellungskosten eines derartigen Gleichstromzyklonabscheiders reduziert. Zudem tritt lediglich ein vergleichsweise geringer Druckverlust auf, da es nicht erforderlich ist, die Dispersion senkrecht zur Bewegungsrichtung umzulenken. Jedoch ist im Vergleich zum Ge- genstromzyklonabscheider ein Wirkungsgrad des Gleichstromzyklonabscheiders und eine Trennschärfe zwischen den Partikeln und dem Fluid verringert. Insbesondere bei der Ausführung als Gleichstrom-Hydrozyklon ist aufgrund der im Wesentlichen gleichen Dichte der Partikel und des Fluids die Abscheiderate weiter reduziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Gleichstromzyklonabscheider sowie eine besonders geeignete Verwendung eines Gleichstromzyklonabscheiders anzugeben, wobei vorteilhafterweise ein Wirkungsgrad erhöht ist.
Hinsichtlich des Gleichstromzyklonabscheiders wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Verwendung durch die Merkmale des Anspruchs 11 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Der Gleichstromzyklonabscheider dient der Abscheidung von Partikeln aus einer Dispersion, die die Partikel und ein Fluid aufweist. Insbesondere besteht die Dispersion aus den Partikeln und dem Fluid. Die Dichte der Partikel und die Dichte des Fluids sind beispielsweise im Wesentlichen gleich. Insbesondere ist das Ver- hältnis der Dichten gleich 1 oder zumindest zwischen 0,95 und 1 ,05 oder zwischen 0,99 und 1,01 oder zwischen 0,995 und 1,005. Die Partikel weisen beispielsweise eine Größe von 1 nm bis 1μιτι oder bevorzugt größer als 1 μηι auf. Besonders bevorzugt weisen die Partikel eine Teilchengröße zwischen 0,1 mm und 1 mm oder größer auf. Die Partikel bestehen beispielsweise aus einem einzigen Stoff oder aus unterschiedlichen Stoffen oder Elementen. Insbesondere sind die Partikel heterogen. Zum Beispiel bildet Sand zumindest teilweise die Partikel. Das Fluid ist beispielsweise ein Gas oder besonders bevorzugt eine Flüssigkeit. Insbesondere ist das Fluid inkompressibel und eine Flüssigkeit. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Dispersion um eine Suspension. Das Fluid ist beispielsweise Wasser, welches insbesondere einem fließenden Gewässer oder einem Meer entnommen ist. Insbesondere soll das Fluid beispielsweise als Kühlwasser bei einer Industrieanlage oder als Prozesswasser im Bergbau herangezogen werden. Alternativ soll das Fluid einer Entsalzungsanlage zugeführt werden, und die Dispersion ist Meerwasser, in dem beispielsweise Partikel vorhanden sind, insbesondere Sand.
Der Gleichstromzyklonabscheider ist ein Axialabscheider. Mit anderen Worten ist der Gleichstromzyklonabscheider ein Fliehkraftabscheider, der axiai/unidirektional ausgestaltet ist. Die Dispersion wird durch den Gleichstromzyklonabscheider in einer Leitrichtung geleitet, wobei zur Abscheidung insbesondere die Leitrichtung nicht geändert wird. Geeigneterweise ist die Leitrichtung konstant. Mit anderen Worten wird die Richtung, in der die Dispersion oder zumindest das Fluid geleitet wird, nicht verändert.
Der Gleichstromzyklonabscheider umfasst einen Rohrabschnitt, der hohlzylindrisch ausgestaltet ist und dem Leiten der Dispersion in die Leitrichtung dient. Hierbei wird bei Betrieb die Dispersion durch den hohlzylindrischen Rohrabschnitt hindurch geleitet. Die Leitrichtung ist zweckmäßigerweise zumindest abschnittsweise parallel zur Achse des hohlzylindrischen Rohrabschnitts. Der Rohrabschnitt weist eine Innenwand auf, entlang derer somit die Dispersion bei Betrieb geleitet wird. Vorzugsweise weist der hohlzylindrische Rohrabschnitt einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Geeigneterweise ist der hohlzylindrische Rohrab- schnitt frei von weiteren Bestandteilen des Gleichstromzyklonabscheiders, sodass dieser vergleichsweise frei mittels der Dispersion durchströmt werden kann. Mit anderen Worten befindet sich innerhalb der Innenwand kein weiteres Bauteil und mittels der Innenwand ist somit ein Hohlraum gebildet.
Die Innenwand des Rohrabschnitts weist ein Innengewinde auf. Mit anderen Worten weist die Innenwand eine Einkerbung und/oder einen radial nach innen vorspringenden Fortsatz auf, der wendelartig entlang der Leitrichtung verläuft. Insbesondere ist mittels der Einkerbung bzw. des Vorsprungs eine Helix gebildet, also vorzugsweise eine Kurve, die sich mit einer Steigung um den Mantel eines Zylinders windet, wobei der Zylinder insbesondere mittels der Innenwand bereitgestellt ist. Mit anderen Worten windet sich das Innengewinde um die Achse des hohlzylindrischen Rohrabschnitts. Insbesondere weist die Innenwand über deren vollständige Länge in Leitrichtung das Innengewinde auf. Die Länge des Rohrabschnitts ist beispielsweise gleich dem Durchmesser des Rohrabschnitts oder größer als der Durchmesser des Rohrabschnitts, größer oder gleich dem Doppelten des Durchmessers des Rohrabschnitts oder größer oder gleich dem Dreifachen des Rohrabschnitts. Vorzugsweise ist die Länge des Rohrabschnitts größer oder gleich dem 10-fachen, 20-fachen, 50-fachen, 100-fachen oder 150-fachen des Durchmessers des Rohrabschnitts.
Das Innengewinde dient der Drallerzeugung der Dispersion, so dass dieses nach Passieren des Innengewindes eine Geschwindigkeitskomponente tangential, also senkrecht zur Leitrichtung aufweist. Somit ist der Drallerzeuger das Innengewinde. Mit anderen Worten wird aufgrund des Innengewindes die Dispersion in eine Rotationsbewegung zusätzlich zur Translationsbewegung entlang der Leitrichtung versetzt, wobei die Rotationsbewegung senkrecht zur Leitrichtung ist. Hierbei wird die tangentiale Geschwindigkeitskomponente mittels des Innengewindes auf die an der Innenwand entlang bewegten Schichten der Dispersion aufgebracht, welche aufgrund von Viskosität oder dergleichen auf die weiteren, sich innen befindenden Bereiche der Dispersion übertragen wird. Infolgedessen weist die Dispersion ein Geschwindigkeitsprofil auf, welches nicht konstant ist. Zusammenfassend weisen die außen liegenden Bereiche der Dispersion, also diejenigen, die sich vergleichsweise nah zu der Innenwand befinden, insbesondere im Bereich des nach innen vorspringenden Fortsatzes, aufgrund des Innengewindes die größte Geschwindigkeit auf. Diese Geschwindigkeit entspricht der Geschwindigkeit, die aufgrund des Leitens der Dispersion entlang der Leitrichtung vorherrscht, zuzüglich der Geschwindigkeit, die aufgrund des Innengewindes aufgebracht wird. Der sich im Wesentlichen lediglich mittig befindende Teil der Dispersion weist hierbei lediglich die Geschwindigkeitskomponente in Leitrichtung auf. Aufgrund der Viskosität der Dispersion nimmt die Geschwindigkeit von der Mitte des Rohrabschnitts bis zur Innenwand im Wesentlichen linear zu, sodass die Rotationsbewegung der Dispersion im Wesentlichen dereines Festkörpers entspricht.
Infolgedessen werden die Partikel aufgrund der Fliehkraft, insbesondere in Verbindung mit der Fluidkraft, vergleichsweise effizient radial nach außen zur Innenwand des Rohrabschnitts bewegt, wobei die auf die Partikel wirkende Kraft in radialer Richtung mit abnehmendem Abstand zur Innenwand zunimmt. Somit werden die Partikel stärker nach außen bewegt, je weiter sie sich bereits außerhalb befinden, was zu einer vergleichsweise scharfen Trennung zwischen den Partikeln und dem Fluid in der Dispersion führt. Die Partikel selbst bewegen sich insbesondere entlang der Helixbahn, die aufgrund der Steigung des Innengewindes vorgegeben ist. Zur Abscheidung der Partikel aus der Dispersion sind keine beweglichen Teile erforderlich, was Baukosten reduziert und eine Fehleranfälligkeit verringert. Zudem ist ein Wirkungsgrad erhöht. Die Partikel selbst werden mittels einer geeigneten Abscheidekammer von dem Fluid entfernt, die zweckmäßigerweise dem Rohrabschnitt fluidtechnisch nachgeschaltet ist. Mittels des Gleichstromzyklonabscheiders ist insbesondere ein Wirkungsgrad, also dem Verhältnis des aus dem Gleichstromzyklonabscheider heraus geleiteten Fluids zu dem Volumen des In dem Gleichstromzyklonabscheider eingeleiteten Dispersion, von bis zu 80% realisiert, wobei eine Partikelabscheidung (Partikelabscheidegrad) von bis zu 95% bei Betrieb erreicht wird. Das Innengewinde weist insbesondere einen Gang auf, der mittels der Einkerbung (Nut) realisiert ist. Mit anderen Worten entspricht der Gang der Nut, und der Gang ist helixförmig entlang der Leitrichtung ausgestaltet und die Innenwand zur Ausbildung des Ganges somit eingekerbt. Besonders bevorzugt weist das Innengewinde eine Anzahl derartiger Gänge auf. Auf diese Weise ist eine Drallerzeugung in der Dispersion verbessert. Zweckmäßigerweise ist die Anzahl der Gänge zwischen zwei Gängen und 100 Gängen, zwischen 4 Gängen und 20 Gängen und beispielsweise gleich 12 Gängen, was zu einer vergleichsweise effektiven Drallerzeugung führt, wobei insbesondere eine Ausbildung von Wirbeln verringert ist. Zudem sind bei einer derartigen Anzahl an Gängen Herstellungskosten vergleichsweise gering. Die Gänge sind beispielsweise mittels Nuten bereitgestellt, welche zum Beispiel einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Besonders bevorzugt jedoch sind die Gänge abgerundet ausgestaltet, und der Querschnitt jedes Gangs ist geeigneterweise henkeiförmig und/oder ohrmu- schelförmig ausgestaltet. Somit ist der Querschnitt jedes Gangs zumindest teilweise spiralförmig, insbesondere logarithmisch spiralförmig, ausgestaltet und/oder gebogen ausgeführt. Folglich weist der hohlzylindrische Rohrabschnitt im Wesentlichen einen Querschnitt auf, der zahnrad- oder sägeblattförmig ausgestaltet ist. Insbesondere ist der Querschnitt nach Art des Querschnitts eines Freilaufs ausgestaltet. Aufgrund der Rundungen ist eine Ausbildung von ungewünschten Wirbeln weiter verringert, die anderweitig einen Wirkungsgrad herabsetzen würden.
Der Steigungswinkel des Innengewindes ist beispielsweise konstant. Besonders bevorzugt jedoch nimmt der Steigungswinkel in der Leitrichtung zu. Beispielsweise beginnt der Steigungswinkel bei 0° und nimmt zum Beispiel kontinuierlich zu, sodass eine Ausbildung von Wirbeln weiter vermieden ist. Infolgedessen nimmt die Rotationsgeschwindigkeit der Dispersion um eine Achse längs der Leitrichtung kontinuierlich zu, was den Wirkungsgrad weiter erhöht. Insbesondere entspricht der Steigungswinkel des Innengewindes dem Steigungswinkel der etwaig vorhandenen Gänge und der Steigungswinkel der Gänge ist insbesondere gleich, zumindest an der gleichen Position in Leitrichtung. Der Steigungswinkel ist insbesondere der Winkel, den das Innengewinde, insbesondere der Gang, mit der Leitrichtung einschließt Vorzugsweise beträgt der Steigungswinkel zwischen 15° und 60° und nimmt beispielsweise zwischen 15° und 60° zu, geeigneterweise kontinuierlich oder exponentiell. Infolgedessen weist die Dispersion nach Passieren des Rohrabschnitts im Bereich der Innenwand im Wesentlichen die gleiche Geschwindigkeitskomponente in Leitrichtung wie in Tangentialrichtung im Bereich der Innenwand auf. Zweckmäßigerweise ist der Steigungswinkel derart gewählt, dass ein subkritischer Drallgrad ausgebildet ist, wobei der Drallgrad insbesondere anhand des Verhältnisses der Geschwindigkeitskomponente in der Tangentialrichtung zu der Geschwindigkeitskomponente in der Leitrichtung ermittelt ist, und diesem beispielsweise entspricht. Infolgedessen ist eine Turbulenzintensität verringert. So bildet sich insbesondere bis zu einem kritischen Drallgrad ein subkritischer Drall (verringerte Turbulenzintensität) aus und ab dem kritischen Drallgrad ein superkritischer Drall (erhöhte Turbulenzintensität). Für die Partikel- abscheidung ist der subkritische Drall insbesondere vorteilhafter. Der Drallgrad ergibt sich insbesondere aus dem Verhältnis des tangentialen- zum axialen Impulsstrom.
Bevorzugt ist dem Rohrabschnitt fluidtechnisch ein zweiter Rohrabschnitt nachgeschaltet, der hohlzylindrisch ausgestaltet ist. Die beiden Rohrabschnitte sind zweckmäßigerweise koaxial angeordnet. Vorzugsweise grenzt der zweite Rohrabschnitt direkt an den Rohrabschnitt, und der Rohrabschnitt geht vorzugsweise direkt in den zweiten Rohrabschnitt über. Insbesondere ist der Rohrabschnitt an den zweiten Rohrabschnitt angeformt und somit einstückig, insbesondere monolithisch, mit diesem. Der zweite Rohrabschnitt weist vorzugsweise einen im Wesentlichen runden Querschnitt auf. Der zweite Rohrabschnitt weist auf der dem Rohrabschnitt zugewandten Seite zweckmäßigerweise den gleichen Innendurchmesser wie der Rohrabschnitt auf, was eine Verwirbelung der Dispersion oder des Fluids beim Übergang von dem Rohrabschnitt zu dem zweiten Rohrabschnitt vermeidet. Der zweite Rohrabschnitt weist somit ebenfalls eine Innenwand auf, und die Dispersion oder zumindest das Fluid und die hieraus abgeschiedenen Partikel werden bei Betrieb ebenfalls in Leitrichtung durch den zweiten Rohrabschnitt hindurch geführt, und zwar von dem Rohrabschnitt her. Die Innenwand des zweiten Rohrabschnitts weist beispielsweise zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, ebenfalls ein Innengewinde auf, wobei das Innengewinde des Rohrabschnitts zweckmäßigerweise direkt in das Innengewinde des zweiten Rohrabschnitts übergeht. Mit anderen Worten fluchten der Gang bzw. die Gänge der Innengewinde miteinander. Vorzugsweise ist der Steigungswinkel des Innengewindes des Rohrabschnitts beim Übergang gleich dem Steigungswinkel des Innengewindes des zweiten Rohrabschnitts. Alternativ oder in Kombination hierzu ist die Innenwand des zweiten Rohrabschnitts zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig, glatt ausgestaltet In dem zweiten Rohrabschnitt ist ein Staukörper angeordnet. Dieser ist insbesondere mittig innerhalb des zweiten Rohrabschnitts, also zentral innerhalb des zweiten Rohrabschnitts positioniert und vorzugsweise auf der Achse des zweiten Rohrabschnitts.
Zweckmäßigerweise ist der Staukörper dreh- oder besonders bevorzugt rotationssymmetrisch bezüglich der Achse des zweiten Rohrabschnitts. Der Staukörper ist insbesondere strömungsoptimiert. Der Staukörper ist beispielsweise tropfenförmig ausgestaltet, wobei das verdickte Ende insbesondere in Richtung des Rohrabschnitts gerichtet ist. Auf diese Weise ist ein fluidtechnischer Widerstand des Staukörpers verringert, und Turbulenzen werden vermieden. An dem Staukörper sind radial nach außen verlaufende Leitschaufeln angebunden, insbesondere angeformt Mit anderen Worten weist der Verlauf der Leitschaufeln zumindest eine Komponente in radialer Richtung auf. Die Leitschaufeln verlaufen zwischen dem Staukörper und der Innenwand des zweiten Rohrabschnitts, also zumindest abschnittsweise radial und nach außen bezüglich des Staukörpers. Beispielsweise verlaufen die Leitschaufeln zumindest teilweise tangential und sind vorzugsweise spiralförmig gebogen ausgestaltet. Die Leitschaufeln sind von der Innenwand des zweiten Rohrabschnitts beabstandet.
Aufgrund der Beabstandung der Leitschaufeln von der Innenwand wird der sich radial außen liegende Teil der Dispersion vergleichsweise gering mittels der Leitschaufeln beeinftusst. Wegen der Beabstandung der Leitschaufeln von der Innenwand des zweiten Rohrabschnitts bleibt die Rotationsbewegung der Dispersion erhatten, sodass diese nach Passage des Staukörpers sowie der Leitschaufeln ebenfalls weiterhin die Rotationsbewegung aufweist. Die Leitschaufeln bewirken insbesondere eine Aufrechterhaltung des Dralls. Die Beabstandung der Leitschaufeln von der Außenwand hat insbesondere den Effekt, dass die Absolutgeschwindigkeit der Drallströmung an der Außenwand weiterhin maximal erhalten bleibt. Aufgrund des Staukörpers wird die Dispersion von der Mitte des zweiten Rohrabschnitts radial nach außen gedrängt, wobei die aufgrund des Rohrabschnitts hervorgerufene Rotationsbewegung der Dispersion erhalten bleibt. Infolgedessen werden die Partikel radial nach außen gedrängt und aufgrund der Rotationsbewegung weiter in Richtung der Innenwand des zweiten Rohrabschnitts beschleunigt. Auf die radial nach außen bewegten Partikel wirkt somit die erhöhte Fliehkraft und/oder die Fluidkraft, weswegen auch noch sich nach dem Rohrabschnitt in dem Fluid befindliche Partikel zur Innenwand des zweiten Rohrabschnitts abgeschieden werden. Nach Passieren des Staukörpers wird im Wesentlichen lediglich das Fluid erneut in die Mitte des zweiten Rohrabschnitts hinein bewegt, sodass im Wesentlichen lediglich die Außenbereiche der Dispersion noch die Partikel aufweisen. Die inneren Bereiche der Dispersion hingegen weisen im Wesentlichen lediglich das nach dem Staukörper nach innen bewegte Fluid auf. Somit ist aufgrund des Staukörpers sowie der Leitschaufeln ein Wirkungsgrad verbessert.
Die Leitschaufeln sind zweckmäßigerweise bezüglich der Leitrichtung geneigt. Insbesondere sind die Leitschaufeln bezüglich der Achse des hohlzylindrischen zweiten Rohrabschnitts geneigt und somit schräg zu dieser angeordnet. Die Leitschaufeln bilden geeigneterweise ein an dem Staukörper angebundenes Außengewinde. Aufgrund der Neigung wird die Dispersion bei Betrieb mittels der Leitschaufeln ebenfalls weiterhin in die Rotationsbewegung versetzt oder zumindest die Rotationsbewegung der Dispersion aufrecht erhalten.
Geeigneterweise ist der Neigungswinkel der Leitschaufeln gleich dem Steigungswinkel des Innengewindes. Mit anderen Worten weisen die Leitschaufeln den gleichen Steigungswinkel wie das Innengewinde auf. Sofern der Steigungswinkel des Innengewindes variabel ist, ist insbesondere der Steigungswinkel/Neigungswinkel der Leitschaufeln gleich dem Steigungswinkel des Innengewindes beim Übergang von dem Rohrabschnitt zu dem zweiten Rohrabschnitt, sofern der zweite Rohrabschnitt kein Innengewinde aufweist. Sofern der zweite Rohrabschnitt ebenfalls das Innengewinde aufweist, ist der Steigungswinkel der Leitschaufeln gleich dem Steigungswinkel des Innengewindes des zweiten Rohrabschnitts. Wenn der Steigungswinkel des Innengewindes des zweiten Rohrabschnitts variabel ist, ist insbesondere auch der Steigungswinkel der Leitschaufeln variabel und ändert sich zweckmäßigerweise entsprechend dem Steigungswinkel des Innengewindes. Hierbei ist der Steigungswinkel der Leitschaufeln zweckmäßigerweise gleich dem Steigungswinkel des Innengewindes an der gleichen Position in axialer Richtung und/oder in Leitrichtung. Aufgrund der Neigung der Leitschaufeln wird somit die Rotationsbewegung, die mittels des Innengewindes hervorgerufen wird, verstärkt oder zumindest aufrechterhalten. Folglich dienen die Leitschaufeln ebenfalls der Drallerzeugung oder zumindest dem Drallerhalt.
Die Länge der Leitschaufeln in Leitrichtung ist mit abnehmendem Abstand zur Innenwand vorzugsweise verringert. Mit anderen Worten nimmt zur Innenwand hin die von der Dispersion überströmte Länge der Leitschaufeln ab. Infolgedessen behält die Dispersion an der Rohrwand die ursprüngliche Geschwindigkeit, die beim Austritt aus dem Rohrabschnitt vorherrscht, im Wesentlichen bei, und die Dispersion weist auch weiterhin im Wesentlichen eine Rotationsbewegung auf, die dem eines Festkörpers entspricht. Auf diese Weise ist ein Abtrennen der Partikel aus dem Fluid weiter verbessert. Alternativ weist der Querschnitt der Leitschaufeln einen Nachlauf auf. Insbesondere ist der Leitschaufelquerschnitt spiralförmig.
Vorzugsweise ist der Staukörper und/oder die Leitschaufeln aus einem Kunststoff erstellt. Zum Beispiel sind der Staukörper und die Leitschaufeln einstückig (monolithisch). Beispielsweise sind an dem Staukörper zwischen 3 Leitschaufeln oder 20 Leitschaufeln und geeigneterweise 4 Leitschaufeln oder 8 Leitschaufeln angebunden. Somit ist ein Strömungswiderstand vergleichsweise gering, wobei dennoch eine effiziente Aufrechterhaltung oder Einbringung der Rotationsbewegung in die Dispersion gegeben ist. Bevorzugt ist der zweite Rohrabschnitt auf der dem Rohrabschnitt gegenüberliegenden Seite aufgeweitet. Beispielsweise nimmt der Innendurchmesser des zweiten Rohrabschnitts kontinuierlich zu oder zumindest ab einem bestimmten Punkt des zweiten Rohrabschnitts nimmt der Innendurchmesser kontinuierlich zu. Alternativ hierzu ist beispielsweise eine Stufe oder dergleichen vorhanden. Aufgrund der Aufweitung werden Partikel weiter von einer Mitte des zweiten Rohrabschnitts entfernt, sodass ein Rückströmen dieser nach dem Staukörper in die Mitte des zweiten Rohrabschnitts weiter verhindert ist. Zudem ist ein Abscheiden der Partikel auf diese Weise vereinfacht. Aufgrund der Aufweitung nimmt insbesondere die Querschnittsfläche des den Strömungskörper umlaufenden Spaltes ste- tig/exponentiell zu. Auf diese Weise werden insbesondere Strömungsverhältnisse geschaffen, die eine Rückströmung/Rückwirkung der Partikel verhindern. Somit gelangen Partikel, die im Sekundärvolumenstrom enthalten sind, insbesondere nicht mehr in den Primärvolumenstrom.
Beispielsweise ist dem Rohrabschnitt fluidtechnisch ein hohlzylindrischer dritter Rohrabschnitt vorgeschaltet, insbesondere direkt. Mit anderen Worten geht der dritte Rohrabschnitt insbesondere in den Rohrabschnitt über und die Rohrabschnitte sind zweckmäßigerweise einander angeformt, insbesondere miteinander einstückig, beispielsweise monolithisch. Zweckmäßigerweise sind die Achsen der hohlzylindrischen Rohrabschnitte zueinander parallel, vorzugsweise gleich. Besonders bevorzugt ist der dritte Rohrabschnitt koaxial zu dem Rohrabschnitt angeordnet, und/oder der Rohrabschnitt weist den gleichen Innendurchmesser auf wie der dritte Rohrabschnitt. Der Querschnitt des dritten Rohrabschnitts ist zum Beispiel kreisförmig. In dem dritten Rohrabschnitt ist ein weiterer Staukörper angeordnet, insbesondere zentral. Der Staukörper ist beispielsweise mittig auf der Achse des hohlzylindrischen dritten Rohrabschnitts angeordnet und geeigneterweise dreh- oder rotationssymmetrisch bezüglich dieser ausgestaltet.
An dem weiteren Staukörper sind radial nach außen verlaufende Leitschaufeln angeordnet. Mit anderen Worten erstrecken sich die weiteren Leitschaufeln von dem weiteren Staukörper zumindest teilweise radial nach außen. Die Leitschaufeln sind an einer Innenwand des dritten Rohrabschnitts angebunden. Somit wird im Wesentlichen jeder Anteil der Dispersion mittels der Leitschaufeln in dessen Bewegung beeinflusst, wobei die Dispersion aufgrund des Staukörpers radial nach außen gedrängt wird. Mit anderen Worten dienen die weiteren Leitschaufeln dem Leiten der Dispersion. Beispielsweise sind zwischen zwei weitere Leitschaufeln und 20 weitere Leitschaufeln und beispielsweise 10 weitere Leitschaufeln vorhanden. In einer Alternative ist der Staukörper weggelassen und die weiteren Leitschaufeln sind aneinander angeformt. Aufgrund der weiteren Leitschaufeln wird ein Vordrall bereitgestellt, weswegen insbesondere der Rohrabschnitt verkürzt ausgeführt sein kann. Der Rohrabschnitt dient in diesem Fall der„Homogenisierung/Beruhigung" der Drallströmung. Insbesondere ist hierbei die Länge des Rohrabschnitts mindestens gleich dem Zehnfachen des (Innen-)Durchmessers des Rohrabschnitts.
Die weiteren Leitschaufeln sind vorzugsweise bezüglich der Leitrichtung zumindest abschnittsweise geneigt. Mit anderen Worten weisen die weiteren Leitschaufeln mit der Leitrichtung oder zumindest der Achse des dritten Rohrabschnitts einen Steigungswinkel auf. Hierbei ist der Steigungswinkel beispielsweise konstant. Besonders bevorzugt jedoch ist der Steigungswinkel nicht konstant und die Leitschaufeln sind somit gebogen ausgestaltet. Aufgrund der Neigung der Leitschaufeln wird in die Dispersion bereits vor Eintritt in den Rohrabschnitt eine Drallbewegung eingebracht, also eine Rotationsbewegung um die Achse des dritten Rohr- abschnitts. Mit anderen Worten tritt bei Betrieb die Dispersion bereits teilweise rotierend in den Rohrabschnitt ein. Mittels des Innengewindes des Rohrabschnitts werden etwaige Turbulenzen innerhalb der Dispersion verringert und ein Bewegungsbild, insbesondere ein Geschwindigkeitsprofil der Dispersion, homogenisiert, sodass die Dispersion bei Austritt aus dem Rohrabschnitt im Wesentlichen das Geschwindigkeitsprofil eines rotierenden Festkörpers aufweist. Mit anderen Worten nimmt die Geschwindigkeitskomponente in tangentialer Richtung mit zunehmendem radialem Abstand zur Mittelachse des Rohrabschnitts zu, insbesondere linear. Sofern der zweite Rohrabschnitt vorhanden ist, ist insbesondere der Steigungswinkel des Innengewindes auf der dem dritten Rohrabschnitt zugewandten Seite verschieden von 0° und entspricht insbesondere dem Neigungswinkel der Leitschaufeln bezüglich der Leitrichtung auf der dem Rohrabschnitt zugewandten Seite. Infolgedessen wird die Drallströmung insbesondere beruhigt.
Dem Rohrabschnitt ist bevorzugt eine Abscheidekammer fluidtechnisch nachgeschaltet. Sofern der zweite Rohrabschnitt vorhanden ist, ist hierbei die Abscheidekammer dem zweiten Rohrabschnitt fluidtechnisch nachgeschaltet, insbesondere direkt. Sofern der zweite Rohrabschnitt nicht vorhanden ist, ist die Abscheidevorrichtung beispielsweise direkt dem Rohrabschnitt nachgeschaltet. Die Abscheidekammer selbst weist ein Trennrohr auf, welches insbesondere koaxial zu dem Rohrabschnitt, vorzugsweise koaxial zu dem zweiten Rohrabschnitt, sofern dieser vorhanden ist, angeordnet ist. Das Trennrohr (Tauchrohr) selbst weist beispielsweise einen im Wesentlichen runden Querschnitt senkrecht zur Leitrichtung auf. Zweckmäßigerweise ist das Trennrohr im Wesentlichen parallel zur Leitrichtung ausgerichtet. Der Innendurchmesser des Trennrohrs ist kleiner als der Innendurchmesser des Rohrabschnitts. Umfangsseitig wird das Trennrohr von einer Auffangkammer umgeben. Aufgrund der Bewegung der Partikel in Richtung der Innenwand des Rohrabschnitts werden hierbei die Partikel in die Auffangkammer bewegt (Sekundärvolumenstrom), wohingegen das Fluid in das Trennrohr eintritt (Primärvolumenstrom). Somit ist mittels der Abscheidekammer ein von den Partikeln gereinigtes Fluid sowie die Partikel bereitgestellt, wobei bei diesen im Wesentlichen lediglich vergleichsweise geringe Spuren des Fluides vorhanden sind.
Geeigneterweise umgibt die Auffangkammer direkt das Trennrohr, welches beispielsweise eine vergleichsweise dünne Wand aufweist. Somit ist es ermöglicht, mittels der Wahl des Innendurchmessers des Trennrohrs den Reinheitsgrad des Fluids oder den Reinheitsgrad der abgeschiedenen Partikel zu wählen. Beispielsweise ist das Trennrohr auf der dem Rohrabschnitt gegenüberliegenden Seite zumindest teilweise mittels eines Kegels oder dergleichen verschlossen, wobei insbesondere zwischen dem Rand des Trennrohrs und dem Kegel ein umlaufender Schlitz gebildet ist. Bei Betrieb tritt das Fluid durch den Schlitz aus. Vorzugsweise ragt die Spitze des Kegels in das Trennrohr hinein, und der Kegel ist zweckmäßigerweise koaxial zu dem Trennrohr angeordnet. Der Kegel dient insbesondere als Staudruckkörper und/oder zur Regulierung der Druckverhältnis- se/Geschwindigkeitsverhältnisse am Einlauf des Trennrohrs. Alternativ ist das Trennrohr beispielsweise mit einem Anschluss für eine Leitung versehen. Beispielsweise ist der Innendurchmesser des Trennrohrs auf der dem Rohrabschnitt gegenüberliegenden Seite aufgeweitet. Beispielsweise nimmt der Innendurchmesser vom Beginn des Trennrohrs auf Seiten des Rohrabschnitts in Leitrichtung zu. Infolgedessen wird eine Geschwindigkeit des Fluids bei Betrieb verringert
Ein Gleichstromzyklonabscheider mit einem hohlzylindrischen Rohrabschnitt zum Leiten einer Dispersion in eine Leitrichtung, wobei eine Innenwand des Rohrabschnitts ein Innengewinde aufweist, wird zur Abscheidung von Partikeln aus der Dispersion verwendet, die die Partikel und ein inkompressibles Fluid, wie eine Flüssigkeit aufweist. Mit anderen Worten ist die Dispersion eine Suspension. Insbesondere besteht die Dispersion aus den Partikeln und dem inkompressiblen Fluid, wobei das Fluid beispielsweise ein Gemisch unterschiedlicher Flüssigkeiten ist. Das Fluid ist beispielsweise ein Wasser oder umfasst dieses. Die Partikel sind zum Beispiel homogen oder besonders bevorzugt heterogen und weisen geeigneterweise eine Körnung größer 1 pm, größer 0,1mm oder größer als 1 mm auf. Geeigneterweise wird der Gleichstromzyklonabscheider bei einer Industrieanlage verwendet, insbesondere zur Bereitstellung von Kühlwasser. Alternativ wird der Gleichstromzyklonabscheider beim Bergbau verwendet, insbesondere zur Bereitstellung von Prozesswasser. Alternativ hierzu wird der Gleichstromzyklonabscheider zur Vorreinigung bei einer Entsalzungsanlage verwendet, mittels derer insbesondere Meerwasser entsalzt wird.
Die im Zusammenhang mit dem Gleichstromzyklonabscheider ausgeführten Weiterbildungen und Vorteile sind sinngemäß auch auf dessen Verwendung zu Übertragen und umgekehrt.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Gleichstromzyklonabscheider mit einem Rohrabschnitt, dessen Innenwand ein Innengewinde aufweist, und mit ei- nem zweiten Rohrabschnitt, in dem ein Staukörper mit daran angebundenen und radial nach außen verlaufenden Leitschaufeln angeordnet ist
Fig. 2 einen Querschnitt des Rohrabschnitts,
Fig. 3 perspektivisch den Staukörper mit den daran angebundenen und radial nach außen verlaufenden Leitschaufeln,
Fig. 4 schematisch eine Weiterbildung des Gleichstromzyklonabscheiders, und
Fig. 5 einen Querschnitt einer Weiterbildung des zweiten Rohrabschnitts und eines Staukörpers mit daran angebundenen Leitschaufeln.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist schematisch vereinfacht in einem Schnitt entlang einer Längsachse 2 ein Gleichstromzyklonabscheider 4 gezeigt. Der Gleichstromzyklonabscheider 4 wird verwendet, um eine Dispersion 6, die aus einem inkompressiblen Fluid 8 in Form von Wasser, und Partikeln 10 in Form von Sand besteht, zu filtern und somit die Partikel 10 aus der Dispersion 6 abzuscheiden, sodass das inkompressible Fluid 8 im Wesentlichen rein vorhanden ist. Die Dispersion 6 ist somit eine Suspension. Der Gleichstromzyklonabscheider 4 ist einer Meerwasserentsalzungsanlage vorgeschaltet, und die Dispersion 6 wird dem Meer entnommen, sodass das Fluid 8 Meerwasser ist. Hierbei würden die in dem Meerwasser vorhandenen Partikel 10 die Meerwasserentsalzungsanlage schädigen oder zumindest deren Wirkungsgrad herabsetzen. Daher ist es erforderlich, dass die Partikel 10, also der Sand, sowie weitere in dem Meerwasser vorhandene feste Bestandteile, aus dem Meerwasser entfernt werden.
Der Gleichstromzyklonabscheider 4 weist einen hohlzylindrischen Rohrabschnitt 12 und einen fluidtechnisch nachgeschalteten zweiten Rohrabschnitt 14 auf, der ebenfalls hohlzylindrisch ausgestaltet ist. Der zweite Rohrabschnitt 14 ist an dem Rohrabschnitt 12 angeformt und koaxial zu dem Rohrabschnitt 12 angeordnet. Der Innendurchmesser des Rohrabschnitts 12 ist konstant und gleich dem Innen- durchmesser des zweiten Rohrabschnitts 14 auf der dem Rohrabschnitt 12 zugewandten Seite. Auf der dem Rohrabschnitt gegenüberliegenden Seite ist der zweite Rohrabschnitt 14 aufgeweitet, sodass dessen Innendurchmesser zunimmt.
Fluidtechnisch ist dem zweiten Rohrabschnitt 14 eine Abscheidekammer 16 nachgeschaltet, die somit ebenfalls dem Rohrabschnitt 12 fluidtechnisch nachgeschaltet ist. Die Abscheidekammer 16 weist eine Auffangkammer 18 mit einem Leitrohr 20 auf, welches an den zweiten Rohrabschnitt 14 auf der dem Rohrabschnitt 12 gegenüberliegenden Seite angeformt ist. Der zweite Rohrabschnitt 14 ist mit kontinuierlichem Abstand zu dem Rohrabschnitt 12 aufgeweitet, und auch das Leitrohr 20 ist mit weiter zunehmendem Abstand zu dem Rohrabschnitt 12 aufgeweitet. Hierbei ist der Innendurchmesser des Leitrohrs 20 auf der dem zweiten Rohrabschnitt 14 zugewandten Seite gleich dem Innendurchmesser des zweiten Rohrabschnitts 14. Auch ist das Leitrohr 20 koaxial zu dem zweiten Rohrabschnitts 14 angeordnet, also zur Längsachse 2, sodass ein vergleichsweise ebener Übergang zwischen diesen vorhanden ist.
Innerhalb des Leitrohrs 20 ist koaxial mit diesem und somit auch koaxial mit dem Rohrabschnitt 12 und dem zweiten Rohrabschnitt 14 ein Trennrohr 22 angeordnet, dessen Innendurchmesser auf Seiten des Rohrabschnitts 12 sowie des weiteren Rohrabschnitts 14 kleiner als der Innendurchmesser des Rohrabschnitts 12 und somit auch kleiner als der Innendurchmesser des zweiten Rohrabschnitts 14 ist. Der Innendurchmesser des Trennrohrs 22 ist mit zunehmendem Abstand zu dem Rohrabschnitt 12 aufgeweitet, wobei die Länge des Trennrohrs 22, über die dieses aufgeweitet ist, der Länge des Leitrohrs 20 entspricht. Mit anderen Worten ist das Trennrohr 22 in dem Bereich aufgeweitet, innerhalb dessen es sich in dem Leitrohr 20 befindet. Somit ist zwischen dem Leitrohr 20 und dem Trennrohr 22 ein umlaufender Spalt 24 gebildet, dessen Querschnittsfläche stetig/exponentiell in Richtung von dem Rohrabschnitt 12 weg zunimmt. Die Länge des Trennrohrs 22 ist größer als die Länge des Leitrohrs 20, und an dem Leitrohr 20 ist eine Trennwand 26 zur Begrenzung der Auffangkammer 18 in einem Abstand zu dem Leitrohr 20 angebunden, insbesondere angeformt. Somit ist das Trennrohr 22 zumindest abschnittsweise von der Auffangkammer 18 umgeben. In das Trenn- rohr 22 ragt von der dem Rohrabschnitt 12 gegenüberliegenden Seite ein kegeiförmig ausgestalteter Staudruckkörper 28 mit dessen Spitze hinein, der ebenfalls koaxial zu der Längsachse 2 ausgestaltet ist. Hierbei ist zwischen dem Staudruckkörper 28 und dem Trennrohr 22 ein umlaufender Schlitz 30 gebildet.
Der hohlzylindrische Rohrabschnitt 12 weist eine Innenwand 32 auf, die die Begrenzung des Rohrabschnitts 32 in radialer Richtung nach innen bildet. Der Bereich innerhalb der Innenwand 32 ist frei von weiteren Bestandteilen des Gleichstromzyklonabscheiders 4, sodass der Rohrabschnitt 12 bei Betrieb von der Dispersion 6 in einer Leitrichtung 34, die parallel zur Längsachse 2 und von dem Rohrabschnitt 12 in Richtung der Abscheidekammer 16 gerichtet ist, im Wesentlichen frei durchflössen werden kann. Die Innenwand 32 weist ein Innengewinde 36 mit zwölf Gängen 38 auf. Die Länge des Rohrabschnitts 12 in Leitrichtung 34 ist beispielsweise gleich 6,5m.
In Fig. 2 ist ein Querschnitt des Rohrabschnitts 12 senkrecht zur Längsrichtung 2 gezeigt. Die Gänge 38 sind abgerundet ausgestaltet und nach Art von Henkeln oder Ohren ausgestaltet, sodass sich ein kreissägenblattförmiger Querschnitt des Rohrabschnitts 12 ergibt. Zwischen jedem der Gänge 38 und der Leitrichtung 34 ist jeweils ein Steigungswinkel 40 gebildet, wobei sämtliche Steigungswinkel 40 der Gänge 38 bei jedem Querschnitt senkrecht zur Längsrichtung 2 gleich sind. Mit anderen Worten verlaufen die Gänge 38 in konstantem tangentialem Abstand und folglich parallel zueinander. Die Steigungswinkel 40 nehmen in der Leitrichtung 34 zu. So weisen die Gänge 38 in Leitrichtung bei Beginn des Rohrab- schnitts12 einen Winkel von 15° auf. Beim Übergang des Rohrabschnitts zu dem zweiten Rohrabschnitt 14 weist das Innengewinde 36 und somit sämtliche Gänge 38 hingegen einen Steigungswinkel von 45° auf. Die Zunahme des Steigungswinkels 40 erfolgt linear oder exponentiell. Infolgedessen ist der Verlauf der Gänge 38 helixartig um die Längsachse 2 herum, wobei der Abstand der einzelnen Helix- windungen (Wendel) in Leitrichtung 34 aufgrund der Vergrößerung des Steigungswinkels abnimmt. Mit anderen Worten handelt es sich um eine gestauchte Helix (Wendel). Auch der zweite Rohrabschnitt 14 weist eine Innenwand 41 mit einem Innengewinde 42 auf, das ebenfalls zwölf Gänge aufweist. Die Gänge 38 des Gewindes 36 des Rohrabschnitts 12 gehen direkt in die Gänge des Innengewindes 42 des zweiten Rohrabschnitts 14 über und fluchten mit diesen. Der Steigungswinkel 40 des Gewindes 42 des zweiten Rohrabschnitts 14 ist konstant und beträgt 45°. Innerhalb des zweiten Rohrabschnitts 14 ist ein in Fig. 3 perspektivisch gezeigter Staukörper 44 angeordnet, der tropfenförmig ausgestaltet und aus einem Kunststoff hergestellt ist. Hierbei ist das verdickte Ende dem Rohrabschnitt 12 zugewandt, und das verjüngte Ende weist in Richtung der Abscheidekammer 16. Alternativ weist der Staukörper 44 eine in Richtung der Abscheidekammer 16 spitz auslaufende, linsenförmige Kontur auf. Mit anderen Worten weist der Staukörper 44 eine rotationssymmetrische Form der oberen Tragflächenkontur auf. Der rota- tionssymmetrische Staukörper 44 ist mittig innerhalb des zweiten Rohrabschnitts 14 angeordnet und somit rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse 2. Die maximale Ausdehnung des Staukörpers 44 in radialer Richtung, also senkrecht zur Längsachse 2, ist im Wesentlichen gleich der Hälfte des Durchmessers des Rohrabschnitts 12. Die maximale Ausdehnung ist insbesondere von der Strömungsgeschwindigkeit und der abzuscheidenden Partikel abhängig.
An dem Staukörper 44 sind acht radial nach außen verlaufende Leitschaufeln 46 angebunden, von denen lediglich vier gezeigt sind. Die Leitschaufeln 46 sind von der Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 beabstandet und bezüglich der Leitrichtung 34 geneigt, sodass diese um den Staukörper 44 herumgeschlungen sind und somit ein Außengewinde bilden. Der Steigungswinkel (Neigungswinkel) der Leitschaufeln 46 bezüglich der Leitrichtung 34 ist gleich dem Steigungswinkel 40 des Innengewindes 36 bei Übergang zu dem zweiten Gewinde 42 und gleich dem Steigungswinkel des Innengewindes 42 des zweiten Rohrabschnitts 41 und folglich gleich 45°. Die Länge der Leitschaufeln 46, also deren Ausdehnung in Leitrichtung 34, ist mit zunehmendem Abstand zur Längsachse 2 verringert. Somit sind die Leitschaufeln 46 in einer seitlichen Draufsicht ebenfalls im Wesentlichen tropfenförmig ausgestaltet. Die Leitschaufeln 46 verlaufen hierbei im Querschnitt (Rohrquerschnitt) radial (gerade auf dem Radius liegend). Alternativ weist der Querschnitt der Leitschaufeln 46 einen Nachlauf auf. D.h. Der Leitschaufelquerschnitt folgt einer spiralförmigen Kontur.
Bei Betrieb wird die Dispersion 6 durch eine Eintrittsöffnung 48, die sich auf der dem zweiten Rohrabschnitt 14 gegenüberliegenden Seite befindet, in Leitrichtung 34 in den Rohrabschnitt 12 eingeleitet. Hierbei weist die Dispersion 6 im Wesentlichen lediglich eine Geschwindigkeitskomponente in Leitrichtung 34 auf. Aufgrund des Innengewindes 36 wird die Dispersion im Bereich der Innenwand 32 in eine Rotationsbewegung um die Längsachse 2 versetzt. Diese Geschwindigkeitskomponente wird aufgrund der Viskosität der Dispersion 6 auch zu Bereichen der Dispersion 6 übertragen, die von der Innenwand 32 beabstandet sind. Infolgedessen ist die Geschwindigkeitskomponente der Dispersion 6 senkrecht zur Leitrichtung 34 größer, je weiter sich die Dispersion 6 an der Innenwand 32 befindet. Der Betrag der Geschwindigkeit ist proportional zum Abstand von der Längsachse 2, weswegen die Dispersion 6 zusätzlich zur translatorischen Bewegung in Längsrichtung 34 auch eine Rotationsbewegung aufweist, die um die Längsachse 2 gerichtet ist. Mit anderen Worten ist die Rotationsachse der Dispersion gleich der Längsachse 2. Folglich verhält sich die Dispersion 6 wie ein Festkörper, bei dem bei einer Rotationsbewegung die Geschwindigkeitskomponente in Tangentialrich- tung linear mit dem Abstand zu Rotationsachse zunimmt. Aufgrund des zunehmenden Steigungswinkels 40 wird die Rotationsgeschwindigkeit der Dispersion 6 mit zunehmendem Eindringen in den Rohrabschnitt 12 erhöht. Aufgrund der von der Rotation hervorgerufenen Fliehkraft (Volumenkraft) und der Auftriebskraft (in Richtung der Innenwand 32 gerichteten Fluidkraft, welche durch den Geschwindigkeitsgradienten hervorgerufen wird) werden die Partikel 10 radial nach außen bewegt.
Die Dispersion 10 trifft im Anschluss an das Passieren des Rohrabschnitts 12 auf den Staukörper 44, sodass die vollständige Dispersion in radialer Richtung nach außen bewegt wird. Hierbei wird aufgrund des Innengewindes 42 des zweiten Rohrabschnitts 14 sowie der Leitschaufeln 46 die Rotationsbewegung der Dispersion 6 beibehalten. Nach Passieren der radial weitesten Ausdehnung des Staukörpers 44 wird aufgrund der Rotationsbewegung lediglich das Fluid 8 erneut in Richtung der Längsachse 2 bewegt, wohingegen die Partikel 10 radial außen verbleiben. Die Partikel 10 weisen daher einen größeren Abstand zur Längsachse 2 auf als die Öffnung des Trennrohrs 22, weswegen die Partikel 10 in den Spalt 24 und somit in die Auffangkammer 18 gelangen. Dort treffen sie auf die Trennwand 26 und werden somit an einer Bewegung weiter in Leitrichtung 34 gehindert. Das Fluid 8 hingegen befindet sich bezüglich der Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 nach innen in Richtung der Längsachse 2 versetzt und tritt in das Trennrohr 22 ein. Dort trifft dieses auf den Staudruckkörper 18 und wird über den Schlitz 30 aus dem Gleichstromzyklonabscheider 4 ausgeleitet. Mittels Wahl des Innendurchmessers des Trennrohres 22 auf Seiten des zweiten Rohrabschnitts 14 ist es ermöglicht, eine Reinheit des Fluids 8 bzw. der Partikel 10 einzustellen.
In Fig. 4 ist eine Abwandlung des Gleichstromzyklonabscheiders 4 dargestellt. Hierbei ist der Eintrittsöffnung 48 ein hohlzylindrischer dritter Rohrabschnitt 50 fluidtechnisch vorgeschaltet. Eine weitere Abänderung hingegen ist nicht vorhanden, sodass der Rohrabschnitt 12, der zweite Rohrabschnitt 14, die Abscheidekammer 16, der Staukörper 44 sowie die Leitschaufeln 46 unverändert belassen sind. Alternativ ist die Länge des Rohrabschnitts 12 verkürzt. Der dritte Rohrabschnitt 14 weist den gleichen Innendurchmesser wie der Rohrabschnitt 12 auf und ist konzentrisch zu diesem angeordnet. Ferner ist der dritte Rohrabschnitt 50 an den Rohrabschnitt 12 angeformt und somit einstückig, also monolithisch, mit diesem. Innerhalb des dritten Rohrabschnitts 50 ist ein weiterer Staukörper 52 angeordnet, der zylindrisch oder strömungsoptimiert ausgestaltet und konzentrisch zur Längsachse 2 angeordnet ist. Auf der dem Rohrabschnitt 12 gegenüberliegen-den Seite ist der weitere Staukörper 52 kuppeiförmig ausgestaltet, zusammenfassend befindet sich der Staukörper 52 mittig in dem dritten Rohrabschnitt 50, wobei der weitere Staukörper 52 von einer Innenwand 54 des dritten Rohrabschnitts beabstandet ist.
An dem weiteren Staukörper 52 sind radial nach außen verlaufende weitere Leitschaufeln 56 angebunden. Es sind hierbei zehn weitere Leitschaufeln 56 vorhanden. Die weiteren Leitschaufeln 56 verlaufen radial und sind an dem weiteren Staukörper 52 sowie der Innenwand 54 des dritten Rohrabschnitts 50 angebun- den und an diesen angeformt. Zudem sind die weiteren Leitschaufeln 56 bezüglich der Leitrichtung 34, also bezüglich der Längsachse 2, abschnittsweise geneigt und gebogen ausgebildet. Infolgedessen wird bei Betrieb die Dispersion 6 auf der dem Rohrabschnitt 12 gegenüberliegenden Seite in den dritten Rohrabschnitt 50 eingeleitet und mittels der weiteren Leitschaufeln 56 bereits in die Rotationsbewegung bezüglich der Längsachse 2 versetzt. Hierbei wird die Dispersion 6 zwischen dem Staukörper 52 sowie der Innenwand 54 des dritten Rohrabschnitts 50 und den weiteren Leitschaufeln 56 vorbei gezwängt. Wegen der Biegung der weiteren Leitschaufeln 56 nimmt die Rotationsgeschwindigkeit der Dispersion 6 mit zunehmender Passage in Leitrichtung 34 zu. Alternativ ist der weitere Staukörper 52 weggelassen, und die weiteren Leitschaufeln 56 sind in der Mitte des dritten Rohrabschnitts 50 aneinander angebunden.
Aufgrund von Reibung der Dispersion 6 an den Leitschaufeln 56 der Innenwand 54 des dritten Rohrabschnitts 50 sowie an dem etwaig vorhandenen Staukörper 50 weisen die radial außen liegenden Teile der Dispersion eine verringerte Geschwindigkeit auf. So ist insbesondere das Geschwindigkeitsprofil der Dispersion 6 nach Passage des Staukörpers 52 sowie der weiteren Leitschaufeln 56 derart, dass die maximale Geschwindigkeit der Dispersion im Wesentlichen mittig zwischen der Innenwand 54 des dritten Rohrabschnitts 50 und der Längsachse 2 vorhanden ist. Die auf diese Weise in Rotation versetzte Dispersion 6 wird in den Rohrabschnitt 12 geleitet. Hier erfolgt mittels des Innengewindes 36 des Rohrabschnitts 12 eine Veränderung des Geschwindigkeitsprofiis, sodass die (Absolut- )Geschwindigkeit der Dispersion 6 mit zunehmendem Abstand zur Längsachse 2 erhöht ist. Folglich weist die Dispersion 6 bei Verlassen des Rohrabschnitts 12 ein Geschwindigkeitsprofil wie ein rotierender Festkörper auf. Mit anderen Worten nimmt die Rotationsgeschwindigkeit der Dispersion 6 mit zunehmendem Abstand zur Längsachse 2 linear zu. Auch hier erfolgt aufgrund der Rotationsbewegung, die mittels der weiteren Leitschaufeln 56 in die Dispersion 6 sowie mittels des Gewindes 36 eingebracht wird, eine Separation der Partikel 10 von dem inkomp- ressiblen Fluid 8. Daher werden nach Passage des zweiten Rohrabschnitts 14 die Partikel 10 im Wesentlichen vollständig durch den Spalt 24 und das Fluid 8 durch den Schlitz 30 aus dem Gleichstromzyklonabscheider abgeführt. Mittels des Rohrabschnitts 12, welches nach Art eines Drallrohrs ausgestaltet ist, erfolgt die Drallerzeugung der Dispersion 6. Mit anderen Worten wird die Dispersion 6 in eine Rotationsbewegung versetzt. Somit wird die Dispersion 6 aufgrund eines Druckimpulseintrags, welches aufgrund der Gänge 38 erfolgt, die den Steigungswinkel 40 bezüglich der Längsachse 2 aufweisen, in die Rotationsbewegung versetzt. Ferner sind als Alternative die Gänge 38 nicht abgerundet, sondern beispielsweise eckig ausgestaltet sind. Zumindest jedoch weist der Rohrabschnitt 12 das Innengewinde 32 auf, welches mehrere Gänge 38 umfasst. Die Gewindesteigung, also der Steigungswinkel 40 des Innengewindes 36, nimmt beispielsweise stetig von 5° bis 45° zu.
Sofem die weiteren Leitschaufeln 56 vorhanden sind, erfolgt mittels des Innengewindes 36 eine Vergleichmäßigung der Rotationsbewegung der Dispersion 6, weswegen die Länge des Rohrabschnitts 12, also dessen Ausdehnung in Leitrichtung 34, verringert werden kann. Mittels des Gewindes 36 wird eine Drallstruktur in die Dispersion 6 eingebracht, welche einer reinen Starrkörperrotation (Festkörperrotation) entspricht. Mit anderen Worten nimmt das tangentiale Geschwindigkeitsprofil insbesondere von der Rohrmittelachse aus, also von der Längsachse 2, radial nach außen linear zu. Folglich befindet sich die maximale Absolutgeschwindigkeit der Dispersion 6 im Wesentlichen an der Innenwand 32 des Rohrabschnitts 12 sowie an der Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14. Infolgedessen sind die Partikel 10 einer punktsymmetrisch von der Rohrmittelachse, also der Längsachse 2, nach außen wirkenden Zentrifugalkraft ausgesetzt. Mit anderen Worten werden die Partikel 10 radial nach außen bewegt, wohingegen das Fluid 8 aufgrund der verringerten Dichte und der wirkenden Kräfte in der Mitte der Rohrabschnitte 12,14 verbleibt.
Auch werden die Partikel 10 von schnelleren Strömungsanteilen der Dispersion 6 mitgerissen. Da die vergleichsweise schnellen Strömungsanteile zur Innenwand 32 des Rohrabschnitts 12 sowie zur Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 hin versetzt sind, werden die Partikel 10 vergleichsweise effizient radial nach außen bewegt. Zur Verbesserung der Bewegung der Partikel 10 aus dem Bereich der Rohrmittelachse, also aus dem Bereich der Längsachse 2, in Richtung der Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14, ist der Staukörper 44 innerhalb des zweiten Rohrabschnitts 14 und fluidtechnisch vor der Abscheidekammer 16 angeordnet. Der Staukörper 44 ist insbesondere strömungsoptimiert ausgebildet. Auf diese Weise werden Ablösungsgebiete und damit einhergehende Turbulenzen im Nachlauf insbesondere vermieden.
Die Leitschaufeln 56 weisen die gleiche Steigung wie das Innengewinde 36 und/oder das Innengewinde 42 des zweiten Rohrabschnitts 14, sofern dieses vorhanden ist, auf. Hierbei nimmt zur Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 die überströmte Länge der Leitschaufeln 46 ab und ist vorteilhafterweise an der Innenwand 41 vergleichsweise klein. Infolgedessen behält die Drallströmung der Dispersion 6 im Bereich der Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 ihre Maximalgeschwindigkeit bei. Mit anderen Worten weist die Dispersion 6 im Bereich der Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 die höchste Geschwindigkeit in tangentialer Richtung und/oder in Leitrichtung 34 auf. Somit wird die Struktur der Starrkörperrotation der Dispersion 6 auch nach Passage und bei Passage des zweiten Rohrabschnitts 14 beibehalten. Daher werden die in der Dispersion 6 enthaltenen Partikel 10 aufgrund der Geometrie des Staukörpers 44 nach außen, in einen Bereich mit vergleichsweise schneller Strömung, insbesondere vergleichsweise hoher Geschwindigkeit in tangentialer Richtung, gedrängt und insbesondere von dieser mit getragen. Infolgedessen gelangen die Partikel 10 nach Passage des Staukörpers 46 nicht erneut in die Rohrmitte, und somit nicht zur Längsachse 2.
Die Abscheidung der Partikel 10 erfolgt mittels der Abscheidekammer 14. Hierbei ist die geometrische Ausgestaltung des Trennrohrs 22 sowie des Leitrohrs 10 und des dazwischen gebildeten Spalts 24 ausschlaggebend für die Trennschärfe, also den Prozentsatz der abgeschiedenen Partikel 10 sowie für den Wirkungsgrad, also dem Verhältnis des aus dem Gleichstromzyklonabscheider 4 heraus geleiteten Fluids 8 zu dem Volumen der in dem Gleichstromzyklonabscheider eingeleiteten Dispersion 6. Aufgrund des Innengewindes 36 ist die Rotation der Dispersion 6 strömungsmechanisch optimiert. Aufgrund des Staukörpers 44 in Verbindung mit dem Innengewinde 36 erfolgt eine optimierte Abscheidung der Partikel 10.
Der Gleichstromzyklonabscheider 4 dient der Abscheidung der Partikel 10 aus einem kompressiblen oder inkompressiblen Fluid 8. Hierbei wird die Dispersion 6 mithilfe des als Drallrohr ausgestalteten Rohrabschnitts 12 in Rotation versetzt. Zur effizienteren Rotationserzeugung weist die Innenwand 32 das Innengewinde 36 mit mehreren Gängen 38 auf, die idealerweise in Leitrichtung 34, die der Strömungsrichtung der Dispersion 6 entspricht, den zunehmenden Steigungswinkel 40 aufweisen. Die auf diese Weise erzeugte Drallstruktur der Dispersionö ähnelt einer reinen Starrkörperrotation (Festkörperrotation) mit einem radial nach außen linear zunehmenden Geschwindigkeitsprofil in tangentialer Richtung. Nach Durchlaufen des Rohrabschnitts 12 wird die rotierende Dispersion 6 um einen Staukörper 44 herum gelenkt, der in der Mitte des zweiten Rohrabschnitts 14 und vor der Abscheidekammer 16 positioniert ist. Aufgrund des Staukörpers 44 ist der Anteil der Partikel 10, die sich nach Durchlaufen des zweiten Rohrabschnitts 14 im Bereich um die Rohrmittelachse, also im Bereich um die Längsachse 2, befinden, verringert, und die Partikel 10 sind in Richtung der Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 abgelenkt. Der Staukörper 44 und die Leitschaufeln 46 sind strömungsoptimiert ausgelegt und derart geformt, dass die Drailströmung weiterhin an der Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 die Maximalgeschwindigkeit aufweist, weswegen die in der Dispersion 6 befindlichen Partikel 10 nach außen gedrängt werden. Diese werden mittels der Abscheidekammer 16 von dem Fluid 8 separiert.
Mit nochmals anderen Worten betrifft die Erfindung einen Gleichstromzyklonabscheider 4, auch als unidirektionaler Teilchen-Zyklonabscheider oder axialer Teilchen-Zyklonabscheider (Fliehkraftabscheider) bezeichnet. Dieser ist insbesondere zur Abscheidung von Partikeln 10 aus einer Dispersion 6 vorgesehen und geeignet, wobei die Dispersion 6 das inkompressible Fluid 8 aufweist und vorzugsweise aus dem inkompressiblen Fluid 8 sowie den Partikeln 10 besteht. Der Gleichstromzyklonabscheider 4 weist den Rohrabschnitt 12 mit dem Innengewinde 36 auf. Mit anderen Worten weist der Rohrabschnitt 12 eine zumindest ab- schnittsweise gewindeähnliche Innenrohrwandung auf, wobei das Innengewinde 36 der Drallerzeugung, also der Versetzung der Dispersion 6 in die Rotationsbewegung zusätzlich zur translatorischen Bewegung entlang der Längsrichtung 34 dient. Die Gewindesteigung, also der Steigungswinkel 40 des Innengewindes 36, nimmt entlang der Leitrichtung 34, also entlang der Strömungsrichtung, zu.
Bevorzugt weist der Gleichstromzyklonabscheider 4 den zweiten Rohrabschnitt 14 auf, in dessen Zentrum der strömungsoptimiert ausgestaltete Staukörper 44 angeordnet ist, an dem die schraubenförmig ausgestalteten Leitschaufeln 46 angebunden sind. Die Steigung der schraubenförmigen Leitschaufeln 46 entspricht der größten Gewindesteigung, also dem größten Steigungswinkel 40 des Innengewindes 36. Zudem nimmt zur Innenwand 41 des zweiten Rohrabschnitts 14 die überströmte Länge der Leitschaufeln 46 ab.
Femer ist der zweite Rohrabschnitt 14 auf der dem Rohrabschnitt 12 abgewandten Seite aufgeweitet. Mit anderen Worten ist der Innendurchmesser vergrößert. Zudem weist der Gleichstromzyklonabscheider4 bevorzugt die Abscheidekammer 16 mit dem Trennrohr 22 auf, welches in Gegenstromrichtung, also entgegen der Leitrichtung 34, in das Leitrohr 20 eingeführt ist. An dem stromabwärts gelegenen Ende ist in das Trennrohr 22 der Staudruckkörper 28 eingeführt, wobei zwischen diesen der Schlitz 30 gebildet ist. Das stromabwärts gelegene Ende des Trennrohrs 22 ist dasjenige Ende des Trennrohrs 22, welches dem Rohrabschnitt 12 abgewandt ist. Das Trennrohr 22 ist koaxial zu dem Rohrabschnitt 12, dem zweiten Rohrabschnitt 14 sowie dem Leitrohr 20 angeordnet, und der Innendurchmesser sowie der Außendurchmesser des Trennrohrs 22 ist in Gegenstromrichtung, also auf Seiten des zweiten Rohrabschnitts 14, verringert und somit verengt.
In Fig. 5 ist eine Weiterbildung des zweiten Rohrabschnitts 14 in einem Querschnitt gezeigt. Hierbei sind im Wesentlichen die Leitschaufeln 46 abgeändert. An dem Staukörper 44 sind drehsymmetrisch acht Leitschaufeln 46 angebunden, von denen lediglich eine einzige gezeigt ist, und die spiralförmig ausgestaltet sind. Somit weisen die Leitschaufeln 46 zusätzlich einen Verlauf in tangentialer Richtung auf. Ferner haben die Leitschaufeln 46 bezüglich des Dralls einen Nachlauf.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den einzelnen Ausführungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
2 Längsachse
4 Gleichstromzyklonabscheider
6 Dispersion
8 Fluid
10 Partikel
12 Rohrabschnitt
14 zweiter Rohrabschnitt
16 Abscheidekammer
18 Auffangkammer
20 Leitrohr
22 Trennrohr
24 Spalt
26 Trennwand
28 Staudruckkörper
30 Schlitz
32 Innenwand
34 Leitrichtung
36 Innengewinde
38 Gang
40 Steigungswinkel
41 Innenwand des zweiten Rohrabschnitts
42 Innengewinde des zweiten Rohrabschnitts
44 Staukörper
46 Leitschaufel
48 Eintrittsöffnung
50 dritter Rohrabschnitt
52 weiterer Staukörper
54 Innenwand des dritten Rohrabschnitts 56 weitere Leitschaufel

Claims

Ansprüche
1. Gleichstromzyklonabscheider (4) zur Abscheidung von Partikeln (10) aus einer die Partikel (10) und ein Fluid (8) aufweisenden Dispersion (6), insbesondere Suspension, mit einem hohlzylindrischen 5 Rohrabschnitt (12) zum Leiten der Dispersion (6) in eine Leitrichtung (34), wobei eine Innenwand (32) des Rohrabschnitts (12) ein Innengewinde (36) aufweist, dessen Steigungswinkel (40) in der Leitrichtung (34) zunimmt.
2. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Innengewinde (36) eine Anzahl an Gängen (38) aufweist, insbesondere zwischen 4 Gängen (38) und 20 Gängen (38).
3. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Steigungswinkel (40) zwischen 15° und 60s beträgt.
4. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass flugtechnisch dem Rohrabschnitt (12) ein hohlzylindrischer zweiter Rohrabschnitt (14) nachgeschaltet ist, wobei in dem zweiten Rohrabschnitt (14) ein Staukörper (44) mit daran angebundenen und radial nach außen verlaufenden Leitschaufeln (46) angeordnet ist, und wobei die Leitschaufeln (46) von einer Innenwand (41) des zweiten Rohrabschnitts (14) beabstandet sind.
5. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitschaufeln (46) bezüglich der Leitrichtung (34) geneigt sind, und den gleichen Steigungswinkel (40) wie das Innengewinde (36) aufweisen.
6. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Leitschaufeln (46) in Leitrichtung (34) mit abnehmendem Abstand zur Innenwand (41) verringert ist.
7. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der Ansprüche 4 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zweite Rohrabschnitt (14) auf der dem Rohrabschnitt (12) gegen überliegenden Seite aufgeweitet ist.
8. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass fluidtechnisch dem Rohrabschnitt (12) ein hohlzylindrischer dritter Rohrabschnitt (50) vorgeschaltet ist, wobei in dem dritten Rohrabschnitt (56) ein weiterer Staukörper (52) mit daran angebundenen radial nach außen verlaufenden weiteren Leitschaufeln (56) angeordnet ist, und wobei die weiteren Leitschaufeln (56) an einer Innenwand (54) des dritten Rohrabschnitts (50) angebunden sind.
9. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die weiteren Leitschaufeln (56) bezüglich der Leitrichtung (34) zumindest
abschnittsweise geneigt sind.
10. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass fluidtechnisch dem Rohrabschnitt (12) eine Abscheidekammer (16) nachgeschaltet ist, die ein koaxial zu dem Rohrabschnitt (12) angeordnetes Trennrohr (22) aufweist, dessen Innendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Rohrabschnitts (12) ist, und das umfangsseitig von einer Auffangkammer (18) umgeben ist.
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