EP3661653B1 - Gleichstromzyklonabscheider - Google Patents

Gleichstromzyklonabscheider

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EP3661653B1
EP3661653B1 EP18758550.0A EP18758550A EP3661653B1 EP 3661653 B1 EP3661653 B1 EP 3661653B1 EP 18758550 A EP18758550 A EP 18758550A EP 3661653 B1 EP3661653 B1 EP 3661653B1
Authority
EP
European Patent Office
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pipe section
dispersion
tube section
cyclone separator
wall
Prior art date
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Active
Application number
EP18758550.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3661653A1 (de
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
Cyfract Ug Haftungsbeschraenkt
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 Cyfract Ug Haftungsbeschraenkt filed Critical Cyfract Ug Haftungsbeschraenkt
Publication of EP3661653A1 publication Critical patent/EP3661653A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3661653B1 publication Critical patent/EP3661653B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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 direct current cyclone separator for separating particles from a dispersion containing the particles and a fluid.
  • a suspension is particularly suitable as the dispersion.
  • the invention further relates to the use of a direct current cyclone separator.
  • filters are used, for example, in which the dispersion is passed through a membrane.
  • the particles are deposited on the membrane, which must therefore be replaced after a certain period to prevent clogging.
  • An alternative to this are cyclone separators, also known as centrifugal separators. Cyclone separators are designed either as counterflow cyclones, also known as tangential cyclones, or as coflow cyclones, also known as axial separators.
  • particles are subject to the influence of bulk forces and fluid forces.
  • Bulk forces in a swirling flow include, for example, centrifugal forces and the acceleration due to gravity.
  • Fluid forces in a swirling flow include, for example, aerodynamic forces caused by a radial velocity gradient.
  • a buoyancy force acts on the particles due to a gradient of dynamic pressure. The particles are thus drawn towards the faster flow components.
  • the dispersion is directed into a vessel with a rounded side wall, such as a barrel or a cone, whereby the
  • the introduction of the dispersion occurs tangentially.
  • the axis of the container is therefore essentially vertical and perpendicular to the original direction of flow of the dispersion, and consequently perpendicular to the direction in which the dispersion enters the container. Therefore, the dispersion is forced into a circular or spiral shape, which is determined by the container wall. Due to the typically increased weight of the particles, they are forced radially outwards and slowed down by the wall. As a result, the particles collect at the bottom of the container.
  • the fluid is usually discharged from an outlet located vertically above the bottom, typically above the point where the dispersion enters the container.
  • the space requirement is increased, and retrofitting existing systems with such a counterflow cyclone separator is therefore usually not possible.
  • the direction in which the fluid is discharged from the counterflow cyclone separator does not correspond to the direction in which the dispersion enters the separator, necessitating further deflections of the dispersion.
  • a comparatively high pressure loss occurs for the fluid and/or the particle separation.
  • the dispersion is set into a rotational motion around an axis along the direction of its movement.
  • This motion is usually generated by guide vanes arranged within a pipe section of the direct current cyclone separator, or by a tangentially introduced secondary current.
  • This imparts a tangential velocity to the dispersion, with the maximum velocity of the dispersion, i.e., its absolute value, being located essentially midway between a pipe wall and the center of the pipe.
  • the particles are moved radially outwards, while the fluid is moved essentially in the center of the direct current cyclone separator.
  • the maximum velocity is not located at the edge of the pipe section, the force acting on particles in the radial direction decreases the further they move from the area of maximum velocity, which is why only a few particles accumulate at the edge.
  • 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, radially outwards, to a potential vortex extending towards the pipe wall.
  • a region of maximum absolute velocity is formed, which can be considered a sink with respect to the fluid forces, and towards which the particles are moved.
  • the direct-flow cyclone separator can be retrofitted into existing systems. Manufacturing costs for such a direct-flow cyclone separator are also reduced. Furthermore, only a comparatively small pressure drop occurs, as it is not necessary to deflect the dispersion perpendicular to the direction of flow. However, compared to the counter-current cyclone separator, the efficiency of the direct-flow cyclone separator and the separation efficiency between the particles and the fluid are reduced. Particularly in the direct-flow hydrocyclone configuration, the separation rate is further reduced due to the essentially identical density of the particles and the fluid.
  • EP 1 512 453 A1 Figure 1 shows a device for separating solid particles and liquids from a gas stream, comprising a hollow cylindrical housing with square recesses for attaching an inlet guide apparatus.
  • the inlet guide apparatus has an increasing angle of inclination.
  • the inlet guide apparatus features guide elements that project inwards from the inner wall of the hollow cylindrical housing.
  • the invention is based on the objective of providing a particularly suitable direct current cyclone separator. to specify, advantageously with an increased efficiency.
  • the direct current cyclone separator is used to separate particles from a dispersion containing 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, for example, essentially the same. In particular, the ratio is...
  • the densities are 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 ⁇ m, or preferably larger than 1 ⁇ m. Particularly preferably, the particles have a 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. In particular, the particles are heterogeneous.
  • sand forms at least part of 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, from a flowing body of water or a sea.
  • the fluid is intended to be used, for example, as cooling water in an industrial plant or as process water in mining.
  • the fluid is intended to be fed into a desalination plant, and the dispersion is seawater in which, for example, particles, in particular sand, are present.
  • the DC cyclone separator is an axial separator.
  • the DC cyclone separator is a centrifugal separator designed to be axially unidirectional.
  • the dispersion is guided through the DC cyclone separator in one direction, and this direction is not changed, particularly for the purpose of separation.
  • the direction of flow is constant. In other words, the direction in which the dispersion, or at least the fluid, is guided is not altered.
  • the direct current cyclone separator comprises a hollow cylindrical pipe section designed to guide the dispersion in the direction of flow. During operation, the dispersion is guided through the hollow cylindrical pipe section.
  • the direction of flow is advantageously parallel to the axis of the hollow cylindrical pipe section, at least in some sections.
  • the pipe section has an inner wall along which the dispersion is guided during operation.
  • the hollow cylindrical pipe section has a substantially circular cross-section.
  • the hollow cylindrical pipe section is suitably Free of any other components of the DC cyclone separator, allowing the dispersion to flow through it relatively freely. In other words, there is no other component inside the inner wall, and the inner wall thus forms a cavity.
  • the inner wall of the pipe section has an internal thread.
  • the inner wall has a groove that runs helically along the guiding direction.
  • the groove forms a helix, preferably a curve that winds around the surface of a cylinder with a certain gradient, the cylinder being provided, in particular, by the inner wall.
  • the internal thread winds around the axis of the hollow cylindrical pipe section.
  • the inner wall has the internal thread along its entire length in the guiding direction.
  • the length of the pipe section is, for example, equal to the diameter of the pipe section, greater 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 diameter of the pipe section.
  • the length of the pipe section is greater than or equal to 10, 20, 50, 100, or 150 times the diameter of the pipe section.
  • the internal thread serves to generate swirl in the dispersion, so that after passing through the internal thread, it exhibits a velocity component tangential, i.e., perpendicular to the guiding direction.
  • the internal thread is the swirl generator.
  • the internal thread imparts a rotational motion to the dispersion in addition to its translational motion along the guiding direction, with the rotational motion being perpendicular to the guiding direction.
  • the tangential velocity component is applied by the internal thread to the layers of dispersion moving along the inner wall, and due to viscosity or similar factors, this component is transferred to the further, inner regions of the dispersion. Consequently, the dispersion exhibits a non-constant velocity profile.
  • the outer regions of the dispersion i.e., those located relatively close to the inner wall, particularly in the area of the inwardly projecting extension, exhibit the highest velocity due to the internal thread.
  • This velocity corresponds to the velocity predominant due to the dispersion's movement along the guiding direction, plus the velocity imparted by the internal thread.
  • the portion of the dispersion located primarily in the center exhibits only the velocity component in the guiding direction. Due to the viscosity of the dispersion, the velocity increases essentially linearly from the center of the pipe section to the inner wall, so that the rotational motion of the dispersion essentially corresponds to that of a solid.
  • the particles are moved radially outwards towards the inner wall of the pipe section relatively efficiently due to centrifugal force, particularly in conjunction with the fluid force.
  • the force acting on the particles increases radially with decreasing distance from the inner wall.
  • the particles are moved more strongly outwards the further they are located, leading to a relatively sharp separation between the particles and the fluid in the dispersion.
  • the particles themselves move primarily along the helical path defined by the pitch of the internal thread. No moving parts are required to separate the particles from the dispersion, which reduces construction costs and the potential for defects. Furthermore, efficiency is increased.
  • the particles are removed from the fluid by means of a suitable separation chamber, which is expediently located downstream of the pipe section.
  • an efficiency i.e. the ratio of the fluid discharged from the direct current cyclone separator to the volume of the dispersion introduced into the direct current cyclone separator, of up to 80% is achieved, whereby a particle separation (particle separation efficiency) of up to 95% is achieved during operation.
  • the internal thread has a thread formed by means of a groove.
  • the thread corresponds to the groove, and the thread is helically shaped along the guiding direction, with the inner wall thus grooved to form the thread.
  • the internal thread preferably has a number of such threads. This improves swirl generation in the dispersion.
  • the number of threads is between two and 100, between four and 20, and, for example, equal to 12, which leads to comparatively effective swirl generation, particularly reducing the formation of vortices.
  • manufacturing costs are comparatively low.
  • the threads are provided, for example, by means of grooves which, for instance, have a substantially rectangular cross-section.
  • the threads are rounded, and the cross-section of each thread is suitably handle-shaped and/or auricle-shaped.
  • the cross-section of each passage is at least partially spiral, in particular logarithmic spiral, and/or curved. Consequently, the hollow cylindrical tube section essentially has a cross-section shaped like a gear or saw blade.
  • the cross-section is designed in the manner of a freewheel. Due to the rounded shapes, the formation of unwanted vortices, which would otherwise reduce efficiency, is further reduced.
  • the helix angle of the internal thread increases in the guiding direction.
  • the helix angle starts at 0° and increases continuously, thus further preventing the formation of vortices.
  • the rotational speed of the dispersion about an axis along the guiding direction increases continuously, which further increases efficiency.
  • the helix angle of the internal thread corresponds to the helix angle of any threads present, and the helix angle of the threads is, in particular, the same, at least at the same position in the guiding direction.
  • the helix angle is, in particular, the angle that the internal thread, especially the thread, forms with the guiding direction.
  • the helix angle is between 15° and 60°.
  • the dispersion exhibits essentially the same velocity component in the guiding direction as in the tangential direction in the region of the inner wall.
  • the angle of inclination is chosen such that a subcritical swirl is formed, the swirl being determined, in particular, by the ratio of the velocity component in the tangential direction to the velocity component in the guiding direction, and corresponding, for example, to this ratio.
  • the turbulence intensity is reduced.
  • a subcritical swirl (reduced turbulence intensity) forms up to a critical swirl degree
  • a supercritical swirl increased turbulence intensity
  • the subcritical swirl is particularly advantageous for particle separation.
  • the swirl degree results, in particular, from the ratio of the tangential to the axial momentum flux.
  • a second, hollow cylindrical pipe section is connected downstream of the first pipe section.
  • the two pipe sections are advantageously arranged coaxially.
  • the second pipe section adjoins the first directly, and the first pipe section preferably transitions directly into the second pipe section.
  • the second pipe section is integrally formed with the second pipe section and is thus integral, particularly monolithic, with it.
  • the second pipe section preferably has a substantially circular cross-section.
  • the second pipe section has the same inner diameter as the first pipe section on the side facing the first pipe section, which prevents turbulence of the dispersion or fluid during the transition from the first 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 also guided through the second pipe section in the direction of flow during operation, specifically from the first pipe section.
  • the inner wall of the second pipe section has an internal thread at least partially, and in particular completely, wherein the internal thread of the first pipe section advantageously transitions directly into the internal thread of the second pipe section.
  • the thread(s) of the internal thread(s) are aligned.
  • the helix angle of the internal thread of the first pipe section at the transition is equal to the helix angle of the internal thread of the second pipe section.
  • the inner wall of the second pipe section is smooth, at least partially, and in particular completely.
  • a baffle is arranged in the second pipe section. This baffle is positioned, in particular, centrally within the second pipe section and preferably on the axis of the second pipe section.
  • the baffle body is rotationally symmetrical, or more preferably rotationally symmetrical, with respect to the axis of the second pipe section.
  • the baffle body is, in particular, flow-optimized.
  • the baffle body is designed in a teardrop shape, with the thickened end directed, in particular, towards the pipe section. In this way, the fluid resistance of the baffle body is reduced, and turbulence is avoided.
  • Guide vanes extending radially outwards are attached to the baffle body, in particular by integral part thereof. In other words, the path of the guide vanes has at least one component in the radial direction.
  • the guide vanes extend between the baffle body and the inner wall of the second pipe section, i.e., at least partially radially and outwards with respect to the baffle body.
  • the guide vanes extend at least partially tangentially and are preferably spirally curved.
  • the guide vanes are spaced apart from the inner wall of the second pipe section.
  • the radially outer portion of the dispersion is influenced relatively little by the guide vanes. Because of this distance, the rotational movement of the dispersion is maintained after passing through the dam and the guide vanes. the rotational motion continues.
  • the guide vanes primarily maintain the swirl.
  • the spacing of the guide vanes from the outer wall has the particular effect of ensuring that the absolute velocity of the swirl flow at the outer wall remains at its maximum. Due to the baffle, the dispersion is forced radially outwards from the center of the second pipe section, while the rotational motion of the dispersion caused by the pipe section is maintained.
  • the particles are forced radially outwards and, due to the rotational motion, are further accelerated towards the inner wall of the second pipe section.
  • the increased centrifugal force and/or the fluid force thus act on the radially outwardly moving particles, which is why particles still located in the fluid after the pipe section are also deposited towards the inner wall of the second pipe section.
  • the fluid After passing the baffle, the fluid is essentially only moved back into the center of the second pipe section, so that essentially only the outer areas of the dispersion still contain the particles.
  • the inner areas of the dispersion on the other hand, essentially only contain the fluid that was moved inwards after the baffle.
  • efficiency is improved.
  • the guide vanes are advantageously inclined with respect to the guiding direction.
  • the guide vanes are inclined with respect to the axis of the hollow cylindrical second pipe section and are thus arranged at an angle to it.
  • the guide vanes suitably form an external thread connected to the baffle body. Due to the inclination, the dispersion is also set into rotational motion during operation by means of the guide vanes, or at least the rotational motion of the dispersion is maintained.
  • the inclination angle of the guide vanes is equal to the helix angle of the internal thread.
  • the guide vanes have the same helix angle as the internal thread. If the helix angle of the internal thread is variable, the helix/inclination angle of the guide vanes is, in particular, equal to the helix angle of the internal thread at the transition. from the first pipe section to the second pipe section, provided the second pipe section does not have an internal thread. If the second pipe section also has an internal thread, the helix angle of the guide vanes is equal to the helix angle of the internal thread of the second pipe section.
  • the helix angle of the guide vanes is also variable and expediently changes according to the helix angle of the internal thread.
  • the helix angle of the guide vanes is expediently equal to the helix angle of the internal thread at the same position in the axial direction and/or in the guiding direction. Due to the inclination of the guide vanes, the rotational movement caused by the internal thread is thus amplified or at least maintained. Consequently, the guide vanes also serve to generate or at least maintain swirl.
  • the length of the guide vanes in the guiding direction is preferably reduced with decreasing distance to the inner wall.
  • the length of the guide vanes over which the dispersion flows decreases towards the inner wall.
  • the dispersion essentially retains the original velocity at the pipe wall that prevails when exiting the pipe section, and the dispersion continues to exhibit essentially a rotational motion corresponding to that of a solid. In this way, the separation of particles from the fluid is further improved.
  • the cross-section of the guide vanes has a trailing edge.
  • the guide vane cross-section is helical.
  • the baffle body and/or the guide vanes are made of a plastic material.
  • the baffle body and the guide vanes are formed in one piece (monolithic). For instance, between 3 or 20 guide vanes, and suitably 4 or 8 guide vanes, are attached to the baffle body. This results in a comparatively low flow resistance, while still ensuring efficient maintenance or introduction of rotational motion into the dispersion.
  • the second pipe section is widened on the side opposite the first.
  • the inner diameter of the second pipe section increases continuously, or at least from a certain point onward, the inner diameter increases continuously.
  • a step or similar feature may be present. Due to the widening, particles are moved further away from the center of the second pipe section, thus preventing them from flowing back into the center of the second pipe section after passing through the baffle. Furthermore, this simplifies particle separation. In particular, the cross-sectional area of the gap surrounding the flow body increases steadily/exponentially due to the widening. This creates flow conditions that prevent backflow/backflow of the particles. Therefore, particles contained in the secondary flow no longer enter the primary flow.
  • a hollow cylindrical third pipe section is fluidically connected upstream of the pipe section, particularly directly.
  • the third pipe section transitions seamlessly into the pipe section, and the pipe sections are advantageously integrally formed with one another, particularly as a single piece, for example, monolithically.
  • the axes of the hollow cylindrical pipe sections are parallel to each other, preferably identical.
  • the third pipe section is arranged coaxially with 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, for example, circular.
  • a further baffle is arranged in the third pipe section, particularly centrally.
  • the baffle is, for example, arranged centrally on the axis of the hollow cylindrical third pipe section and is suitably designed to be rotationally symmetrical with respect to it.
  • Guide vanes extending radially outwards are arranged on the second dam body.
  • the additional guide vanes extend at least partially radially outwards from the second dam body.
  • the guide vanes are attached to an inner wall of the third pipe section.
  • every component of the dispersion is influenced in its movement by the guide vanes, whereby the dispersion is forced radially outwards due to the baffle.
  • the additional guide vanes serve to guide the dispersion.
  • the baffle is omitted, and the additional guide vanes are integrally formed.
  • the pipe section serves to "homogenize/stabilize" the swirl flow.
  • the length of the pipe section is at least ten times its (inner) diameter.
  • the additional guide vanes are preferably inclined, at least partially, with respect to the guiding direction.
  • the additional guide vanes have an angle of inclination with the guiding direction or at least with the axis of the third pipe section.
  • the angle of inclination is, for example, constant. However, it is particularly preferred that the angle of inclination is not constant and the guide vanes are thus curved. Due to the inclination of the guide vanes, a swirling motion is introduced into the dispersion even before it enters the pipe section, i.e., a rotational motion about the axis of the third pipe section. In other words, during operation, the dispersion enters the pipe section already partially rotating.
  • any turbulence within the dispersion is reduced by means of the internal thread of the pipe section, and the motion pattern, in particular the velocity profile of the dispersion, is homogenized, so that the dispersion, upon exiting the pipe section, essentially exhibits the velocity profile of a rotating solid.
  • the velocity component in the tangential direction increases with increasing radial distance from the central axis of the pipe section, in particular linearly.
  • the helix angle of the internal thread on the side facing the third pipe section is in particular different from 0° and corresponds in particular to the inclination angle of the Guide vanes are located on the side facing the pipe section with respect to the direction of flow. As a result, the swirling flow is particularly calmed.
  • a separation chamber is preferably connected downstream of the pipe section. If a second pipe section is present, the separation chamber is connected downstream of the second pipe section, particularly directly. If a second pipe section is not present, the separation device is connected, for example, directly downstream of the pipe section.
  • the separation chamber itself has a separating tube, which is arranged, in particular, coaxially to the pipe section, preferably coaxially to the second pipe section, if present.
  • the separating tube (immersion tube) itself has, for example, a substantially round cross-section perpendicular to the flow direction.
  • the separating tube is oriented substantially parallel to the flow direction.
  • the inner diameter of the separating tube is smaller than the inner diameter of the pipe section.
  • the separating tube is surrounded circumferentially by a collection chamber.
  • the separation chamber provides a fluid cleaned of the particles as well as the particles themselves, which essentially contain only comparatively small traces of the fluid.
  • the collection chamber conveniently surrounds the separating tube, which, for example, has a relatively thin wall. This allows the purity of the fluid or the purity of the separated particles to be selected by choosing the inner diameter of the separating tube.
  • the separating tube is at least partially closed on the side opposite the pipe section by means of a cone or the like, with a circumferential slot formed, in particular, between the edge of the separating tube and the cone. During operation, the fluid exits through the slot.
  • the tip of the cone projects into the separating tube, and the cone is expediently arranged coaxially with the separating tube.
  • the cone serves, in particular, as a pressure equalizer and/or for regulating the pressure/velocity ratios. at the inlet of the separating pipe.
  • the separating pipe may be equipped with a connection for a line.
  • the inner diameter of the separating pipe may be widened on the side opposite the pipe section.
  • the inner diameter increases from the beginning of the separating pipe on the side of the pipe section in the direction of flow. As a result, the fluid velocity is reduced during operation.
  • a direct-flow cyclone separator with a hollow cylindrical pipe section for guiding a dispersion in a specific direction, wherein an inner wall of the pipe section has an internal thread, is used for separating particles from the dispersion, which comprises 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, the fluid being, for example, a mixture of different liquids.
  • the fluid is, for example, water or comprises water.
  • the particles are, for example, homogeneous or, more preferably, heterogeneous and suitably have a particle size greater than 1 ⁇ m, greater than 0.1 mm, or greater than 1 mm.
  • the direct-flow cyclone separator is suitably used in an industrial plant, particularly for supplying cooling water.
  • the direct-flow cyclone separator is used in mining, particularly for supplying process water.
  • the direct current cyclone separator is used for pre-cleaning in a desalination plant, which is used in particular to desalinate seawater.
  • FIG. 1 A schematically simplified cross-sectional view of a direct current cyclone separator 4 along a longitudinal axis 2 shows a direct current cyclone separator 4.
  • the direct current cyclone separator 4 is used to filter a dispersion 6, which consists of an incompressible fluid 8 in the form of water and particles 10 in the form of sand, thus separating the particles 10 from the dispersion 6 so that the incompressible fluid 8 is essentially pure.
  • the dispersion 6 is therefore a suspension.
  • the direct current cyclone separator 4 is installed upstream of a seawater desalination plant, and the dispersion 6 is taken from the sea, so the fluid 8 is seawater.
  • the particles 10 present in the seawater would damage the desalination plant or at least reduce its efficiency. Therefore, it is necessary to remove the particles 10, i.e., the sand, as well as other solid components present in the seawater.
  • the direct current cyclone separator 4 has a hollow cylindrical pipe section 12 and a second, also hollow cylindrical, pipe section 14 downstream in the fluid flow system.
  • the second pipe section 14 is integrally formed with the pipe section 12 and arranged coaxially with it.
  • the inner diameter of the pipe section 12 is constant and equal to the inner diameter of the first pipe section 12. of the second pipe section 14 on the side facing pipe section 12.
  • the second pipe section 14 is widened, so that its inner diameter increases.
  • a separation chamber 16 is connected downstream of the second pipe section 14, and thus also downstream of the pipe section 12.
  • the separation chamber 16 has a collection chamber 18 with a guide tube 20, which is integrally formed on the second pipe section 14 on the side opposite pipe section 12.
  • the second pipe section 14 widens at a continuous distance from pipe section 12, and the guide tube 20 also widens at a further increasing distance from pipe section 12.
  • the inner diameter of the guide tube 20 on the side facing the second pipe section 14 is equal to the inner diameter of the second pipe section 14.
  • the guide tube 20 is also arranged coaxially with the second pipe section 14, i.e., with the longitudinal axis 2, so that there is a relatively flat transition between them.
  • a separating tube 22 is arranged coaxially with it, and thus also coaxially with the pipe section 12 and the second pipe section 14.
  • the inner diameter of the separating tube 22 is smaller on the sides of the pipe section 12 and the second pipe section 14 than the inner diameter of the pipe section 12, and thus also smaller than the inner diameter of the second pipe section 14.
  • the inner diameter of the separating tube 22 widens with increasing distance from the pipe section 12, the length of which the separating tube 22 is widened corresponding to the length of the guide tube 20. In other words, the separating tube 22 is widened in the region within which it is located inside the guide tube 20.
  • a circumferential gap 24 is formed between the guide tube 20 and the separating tube 22, the cross-sectional area of which increases continuously/exponentially away from the pipe section 12.
  • the length of the separating tube 22 is greater than the length of the guide tube 20, and a partition wall 26 for limiting the collection chamber 18 is attached to the guide tube 20 at a distance from the guide tube 20, in particular by being integrally formed with it.
  • the separating tube 22 is at least partially surrounded by the collection chamber 18.
  • a conically shaped pressure body 28 projects from the side opposite the pipe section 12, with its apex also being coaxial to the longitudinal axis 2.
  • a circumferential slot 30 is formed between the pressure body 28 and the separating pipe 22.
  • the hollow cylindrical pipe section 12 has an inner wall 32 that forms the radial boundary of the pipe section 32 inwards.
  • the area within the inner wall 32 is free of other components of the DC cyclone separator 4, so that during operation, the dispersion 6 can flow freely through the pipe section 12 in a direction 34 that is parallel to the longitudinal axis 2 and directed from the pipe section 12 towards the separation chamber 16.
  • the inner wall 32 has an internal thread 36 with twelve threads 38.
  • the length of the pipe section 12 in the direction 34 is, for example, 6.5 m.
  • FIG. 2 A cross-section of the pipe section 12 perpendicular to the longitudinal direction 2 is shown.
  • the threads 38 are rounded and shaped like handles or ears, resulting in a circular saw blade-shaped cross-section of the pipe section 12.
  • a helix angle 40 is formed between each of the threads 38 and the guide direction 34, with all helix angles 40 of the threads 38 being the same for every cross-section perpendicular to the longitudinal direction 2.
  • the threads 38 run at a constant tangential distance and consequently parallel to each other.
  • the helix angles 40 increase in the guide direction 34.
  • the threads 38 have an angle of 15° in the guide direction at the beginning of the pipe section 12.
  • the internal thread 36, and therefore all threads 38 have a helix angle of 45°.
  • the increase in the helix angle 40 is linear or exponential. Consequently, the course of the channels 38 is helical around the longitudinal axis 2, with the distance between the individual helical turns (helix) decreasing in the guiding direction 34 due to the increasing angle of inclination. In other words, it is a compressed helix (helix).
  • the second pipe section 14 also has an inner wall 41 with an internal thread 42, which also has twelve threads.
  • the threads 38 of the thread 36 of the pipe section 12 transition directly into the threads of the internal thread 42 of the second pipe section 14 and are aligned with them.
  • the helix angle 40 of the thread 42 of the second pipe section 14 is constant and is 45°.
  • the baffle body 44 shown in perspective, is arranged in a teardrop shape and made of a plastic. The thickened end faces the pipe section 12, and the tapered end points towards the separation chamber 16. Alternatively, the baffle body 44 has a lens-shaped contour that tapers to a point towards the separation chamber 16.
  • the baffle body 44 has a rotationally symmetrical shape with respect to its upper wing contour.
  • the rotationally symmetric baffle body 44 is arranged centrally within the second pipe section 14 and is therefore rotationally symmetrical with respect to the longitudinal axis 2.
  • the maximum radial extent of the baffle body 44 i.e., perpendicular to the longitudinal axis 2, is essentially 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.
  • Eight radially outward-extending guide vanes 46 are attached to the dam body 44, of which only four are shown.
  • the guide vanes 46 are spaced apart from the inner wall 41 of the second pipe section 14 and inclined with respect to the guide direction 34, so that they wrap around the dam body 44 and thus form an external thread.
  • the angle of inclination of the guide vanes 46 with respect to the guide direction 34 is equal to the angle of inclination 40 of the internal thread 36 at the transition to the second thread 42 and is equal to the angle of inclination of the internal thread 42 of the second pipe section 41, and therefore equal to 45°.
  • the length of the guide vanes 46 i.e., their extension in the guide direction 34, decreases with increasing distance from the longitudinal axis 2.
  • the guide vanes 46 are also essentially teardrop-shaped in a side view.
  • the guide vanes 46 run radially in the cross-section (pipe cross-section) (lying directly on the radius).
  • the The cross-section of the guide vanes 46 exhibits a wake. That is, the guide vane cross-section follows a spiral contour.
  • the dispersion 6 is introduced into the pipe section 12 through an inlet opening 48 located on the side opposite the second pipe section 14, in the guiding direction 34.
  • the dispersion 6 essentially exhibits only a velocity component in the guiding direction 34. Due to the internal thread 36, the dispersion is set into a rotational motion about the longitudinal axis 2 in the region of the inner wall 32. This velocity component is also transmitted to regions of the dispersion 6 that are spaced away from the inner wall 32 due to the viscosity of the dispersion 6. Consequently, the velocity component of the dispersion 6 perpendicular to the guiding direction 34 is greater the further the dispersion 6 is located from the inner wall 32.
  • the magnitude of the velocity is proportional to the distance from the longitudinal axis 2, which is why the dispersion 6 exhibits a rotational motion about the longitudinal axis 2 in addition to the translational motion in the longitudinal direction 34.
  • the axis of rotation of the dispersion is the same as the longitudinal axis 2. Consequently, the dispersion 6 behaves like a solid, in which, during rotational motion, the velocity component in the tangential direction increases linearly with the distance from the axis of rotation. Due to the increasing angle of inclination 40°, the rotational speed of the dispersion 6 increases 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, caused by the velocity gradient), the particles 10 are moved radially outwards.
  • the dispersion 10 Following its passage through pipe section 12, the dispersion 10 encounters the baffle 44, causing the entire dispersion to move radially outwards.
  • the internal thread 42 of the second pipe section 14 and the guide vanes 46 maintain the rotational movement of the dispersion 6.
  • the rotational movement causes only the fluid 8 to be drawn back into the baffle.
  • the particles 10 move in the direction of the longitudinal axis 2, while the particles 10 remain radially outside.
  • the particles 10 are therefore at a greater distance from the longitudinal axis 2 than the opening of the separating tube 22, which is why the particles 10 enter the gap 24 and thus the collection chamber 18. There they encounter the partition 26 and are thus prevented from moving further in the guiding direction 34.
  • the fluid 8 on the other hand, is displaced inwards towards the longitudinal axis 2 with respect to the inner wall 41 of the second tube section 14 and enters the separating tube 22. There it encounters the pressure chamber 18 and is discharged from the DC cyclone separator 4 via the slot 30.
  • the inner diameter of the separating tube 22 on the side of the second tube section 14 it is possible to adjust the purity of the fluid 8 or the particles 10.
  • FIG. 4 shows a modification of the direct current cyclone separator 4.
  • a hollow cylindrical third pipe section 50 is fluidically connected upstream of the inlet opening 48. No other modifications are present, so the pipe section 12, the second pipe section 14, the separation chamber 16, the baffle 44, and the guide vanes 46 remain 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 it.
  • the third pipe section 50 is integrally formed with the pipe section 12 and is therefore monolithic.
  • a further baffle 52 is arranged within the third pipe section 50. This baffle is cylindrical or flow-optimized and arranged concentrically to the longitudinal axis 2.
  • the further baffle 52 has a dome shape.
  • the reservoir body 52 is located in the middle of the third pipe section 50, with the further reservoir body 52 being spaced away from an inner wall 54 of the third pipe section.
  • Additional guide vanes 56 extending radially outwards are attached to the further impoundment body 52.
  • These additional guide vanes 56 extend radially and are attached to the further impoundment body 52 and the inner wall 54 of the third pipe section 50. and are integrally formed with these.
  • the additional guide vanes 56 are inclined and curved in sections with respect to the guiding direction 34, i.e., with respect to the longitudinal axis 2. Consequently, during operation, the dispersion 6 is introduced into the third pipe section 50 on the side opposite pipe section 12 and is already set into rotation with respect to the longitudinal axis 2 by means of the additional guide vanes 56.
  • the dispersion 6 is forced past the baffle 52 and the inner wall 54 of the third pipe section 50 and the additional guide vanes 56. Due to the curvature of the additional guide vanes 56, the rotational speed of the dispersion 6 increases with increasing passage in the guiding direction 34.
  • the additional baffle 52 is omitted, and the additional guide vanes 56 are connected to each other in the middle of the third pipe section 50.
  • the radially outer parts of the dispersion exhibit a reduced velocity.
  • the velocity profile of the dispersion 6 after passing the baffle 52 and the further guide vanes 56 is such that the maximum velocity of the dispersion is located essentially midway between the inner wall 54 of the third pipe section 50 and the longitudinal axis 2.
  • the dispersion 6, thus set in rotation, is guided into the pipe section 12.
  • the velocity profile is modified by means of the internal thread 36 of the pipe section 12, such that the (absolute) velocity of the dispersion 6 increases with increasing distance from the longitudinal axis 2.
  • the dispersion 6 upon exiting the pipe section 12, the dispersion 6 exhibits a velocity profile similar to that of a rotating solid.
  • the rotational speed of the dispersion 6 increases linearly with increasing distance from the longitudinal axis 2.
  • the particles 10 are separated from the incompressible fluid 8. Therefore, after passing through the second pipe section 14, the particles 10 are essentially completely discharged through the gap 24 and the fluid 8 through the slot 30 from the DC cyclone separator.
  • the swirl of the dispersion 6 is generated by means of the pipe section 12, which is designed in the manner of a swirl tube.
  • the dispersion 6 is set into a rotational motion.
  • the dispersion 6 is set into rotational motion due to a pressure impulse input resulting from the threads 38, which have a helix angle 40° with respect to the longitudinal axis 2.
  • the threads 38 are not rounded, but, for example, have a square shape.
  • the pipe section 12 has the internal thread 32, which comprises several threads 38.
  • the thread pitch, i.e., the helix angle 40° of the internal thread 36 increases continuously, for example, from 5° to 45°.
  • the internal thread 36 homogenizes the rotational motion of the dispersion 6, thereby reducing the length of the pipe section 12, i.e., its extension in the guiding direction 34.
  • the thread 36 introduces a swirl structure into the dispersion 6, corresponding to a pure rigid body rotation (solid rotation).
  • the tangential velocity profile increases linearly radially outwards, particularly from the pipe's central axis, i.e., from the longitudinal axis 2. Consequently, the maximum absolute velocity of the dispersion 6 is located essentially at the inner wall 32 of the pipe section 12 and at the inner wall 41 of the second pipe section 14.
  • the particles 10 are subjected to a centrifugal force acting point-symmetrically outwards from the pipe's central axis, i.e., the longitudinal axis 2.
  • 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 forces acting upon it.
  • the particles 10 are also carried along by faster flow components of the dispersion 6. Since the comparatively fast flow components are offset towards the inner wall 32 of pipe section 12 and towards the inner wall 41 of the second pipe section 14, the particles 10 are moved radially outwards with relative efficiency. To improve the movement of the particles 10 from the area
  • the baffle 44 is located within the second pipe section 14 and fluidically upstream of the separation chamber 16, extending from the pipe's central axis, i.e., from the region of the longitudinal axis 2, towards the inner wall 41.
  • the baffle 44 is designed to optimize flow. This design effectively prevents separation zones and the associated turbulence in the downstream area.
  • the guide vanes 56 have the same pitch as the internal thread 36 and/or the internal thread 42 of the second pipe section 14, if present.
  • the flow length of the guide vanes 46 decreases towards the inner wall 41 of the second pipe section 14 and is advantageously comparatively small at the inner wall 41. Consequently, the swirling flow of the dispersion 6 maintains its maximum velocity in the region of the inner wall 41 of the second pipe section 14. In other words, the dispersion 6 exhibits its highest velocity in the tangential direction and/or in the guiding direction 34 in the region of the inner wall 41 of the second pipe section 14.
  • the rigid body rotation structure of the dispersion 6 is maintained even after and during passage through the second pipe section 14.
  • the particles 10 contained in the dispersion 6 are forced outwards into an area of comparatively fast flow, particularly a comparatively high velocity in the tangential direction, and are carried along by this flow. Consequently, after passing the baffle 46, the particles 10 do not return to the center of the pipe, and thus do not reach the longitudinal axis 2.
  • the separation of the particles 10 takes place by means of the separation chamber 14.
  • the geometric design of the separating tube 22, the guide tube 10, and the gap 24 formed between them is crucial for the separation efficiency, i.e., the percentage of separated particles 10, as well as for the efficiency, i.e., the ratio of the fluid 8 discharged from the direct-flow cyclone separator 4 to the volume of the dispersion 6 introduced into the direct-flow cyclone separator. Due to the internal thread 36, the rotation of the dispersion 6. Flow-mechanically optimized. Due to the baffle body 44 in conjunction with the internal thread 36, particle separation 10 is optimized.
  • the direct current cyclone separator 4 serves to separate particles 10 from a compressible or incompressible fluid 8.
  • the dispersion 6 is set into rotation by means of the pipe section 12, which is designed as a swirl tube.
  • the inner wall 32 has an internal thread 36 with multiple threads 38, which ideally have an increasing helix angle 40 in the guiding direction 34, corresponding to the flow direction of the dispersion 6.
  • the swirl structure of the dispersion 6 generated in this way resembles a pure rigid body rotation (solid body rotation) with a radially outward linearly increasing velocity profile in the tangential direction.
  • the rotating dispersion 6 After passing through the pipe section 12, the rotating dispersion 6 is guided around a baffle 44, which is positioned in the middle of the second pipe section 14 and upstream of the separation chamber 16. Due to the baffle 44, the proportion of particles 10 located in the area around the central axis of the second pipe section 14, i.e., in the area around the longitudinal axis 2, is reduced, and the particles 10 are deflected towards the inner wall 41 of the second pipe section 14.
  • the baffle 44 and the guide vanes 46 are designed for optimized flow and shaped such that the swirling flow continues to have its maximum velocity at the inner wall 41 of the second pipe section 14, 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 separation chamber 16.
  • the invention relates to a direct current cyclone separator 4, also referred to as a unidirectional particle cyclone separator or axial particle cyclone separator (centrifugal separator).
  • This separator is particularly designed and suitable for separating particles 10 from a dispersion 6, wherein the dispersion 6 comprises the incompressible fluid 8 and preferably consists of the incompressible fluid 8 and the particles 10.
  • the direct current cyclone separator 4 has a pipe section 12 with an internal thread 36.
  • the pipe section 12 has a thread that is at least partially
  • the inner pipe wall has a thread-like structure, with the internal thread 36 serving to generate swirl, i.e., to impart rotational motion to the dispersion 6 in addition to translational motion along the longitudinal direction 34.
  • the thread pitch i.e., the helix angle 40 of the internal thread 36, increases along the guiding direction 34, i.e., along the flow direction.
  • the direct current cyclone separator 4 has a second pipe section 14, in the center of which the flow-optimized baffle body 44 is arranged, to which the helically shaped guide vanes 46 are attached.
  • the pitch of the helical guide vanes 46 corresponds to the largest thread pitch, i.e., the largest helix angle 40 of the internal thread 36.
  • the flow-through length of the guide vanes 46 decreases towards the inner wall 41 of the second pipe section 14.
  • the second pipe section 14 is widened on the side facing away from pipe section 12.
  • the inner diameter is increased.
  • the direct current cyclone separator 4 preferably has the separation chamber 16 with the separating tube 22, which is inserted into the guide tube 20 in the counterflow direction, i.e., opposite to the guide direction 34.
  • the pressure element 28 is inserted into the separating tube 22, with the slot 30 formed between them.
  • the downstream end of the separating tube 22 is the end of the separating tube 22 that faces away from pipe section 12.
  • the separating tube 22 is arranged coaxially with pipe section 12, the second pipe section 14, and the guide tube 20, and the inner and outer diameters of the separating tube 22 are reduced and thus narrowed in the counterflow direction, i.e., on the side of the second pipe section 14.
  • FIG. 5 A further development of the second pipe section 14 is shown in a cross-section.
  • the guide vanes 46 are essentially modified. Eight guide vanes 46 are rotationally symmetrically connected to the reservoir body 44, of which only one is shown, and which are spirally shaped.
  • the guide vanes 46 also exhibit a tangential orientation. Furthermore, the guide vanes 46 have a trail with respect to the swirl.

Landscapes

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Description

  • 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 Fluidkräften 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 Gegenstromzyklonabscheider 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.
  • EP 1 512 453 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Abscheidung von Festpartikeln und Flüssigkeiten aus einem Gasstrom mit einem hohlzylindrischen Gehäuse mit quadratischen Aussparungen, die zum Befestigen eines Eintrittsleitapparates dienen.
  • Der Eintrittsleitapparat hat einen zunehmenden Steigungswinkel. Der Eintrittsleitapparat weist Leitelemente auf, die von der Innenwand des hohlzylindrischen Gehäuses nach innen abstehen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeigneten Gleichstromzyklonabscheider anzugeben, wobei vorteilhafterweise ein Wirkungsgrad erhöht ist.
  • Hinsichtlich des Gleichstromzyklonabscheiders wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1
    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 Verhältnis 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 1µm oder bevorzugt größer als 1 µm 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 axiallunidirektional 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 Rohrabschnitt 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 auf, die wendelartig entlang der Leitrichtung verläuft. Insbesondere ist mittels der Einkerbung 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 der eines 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 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 henkelförmig und/oder ohrmuschelförmig 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 nimmt 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 Partikelabscheidung 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 beeinflusst. Wegen der Beabstandung der Leitschaufeln von der Innenwand des zweiten Rohrabschnitts bleibt die Rotationsbewegung der Dispersion erhalten, 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 Leitschaufein 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 stetig/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 Leitschaufein 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 Leitschaufein 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 Leitschaufein 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 Leitschaufein wird in die Dispersion bereits vor Eintritt in den Rohrabschnitt eine Drallbewegung eingebracht, also eine Rotationsbewegung um die Achse des dritten Rohrabschnitts. 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 Partikein 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 Druckverhältnisse/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 µm, 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 einem 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 Innendurchmesser 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 Trennrohr 22 ragt von der dem Rohrabschnitt 12 gegenüberliegenden Seite ein kegelförmig ausgestalteter Staudruckkörper 28 mit dessen Spitze hinein, der ebenfalls koaxial zu der Längsachse 2 ausgestaltet ist. Hierbei ist zwischen dem Staudrucckörper 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 durchflossen 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 Rohrabschnitts12 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 Helixwindungen (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 rotationssymmetrische 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 Tangentialrichtung 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 kuppelförmig 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 angebunden 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 Geschwindigkeitsprofils, 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 inkompressiblen 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.
  • Sofern 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 Dispersion6 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 Drallströmung 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 abschnittsweise 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.
  • Ferner 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, definiert durch die Ansprüche, 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 (12)

  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 Rohrabschnitt (12) zum Leiten der Dispersion (6) in eine Leitrichtung (34),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Innenwand (32) des Rohrabschnitts (12) eine Einkerbung aufweist, mittels der eine Helix gebildet ist, die sich mit einer Steigung um die Innenwand (32) windet, wobei ein Steigungswinkel (40) der Helix in der Leitrichtung (34) zunimmt.
  2. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 1, bei dem der Rohrabschnitt (12) eine Anzahl von Einkerbungen aufweist, mittels derer jeweils eine Helix gebildet ist, deren Steigungswinkel (40) in der Leitrichtung (34) zunimmt, wobei der Abstand von einzelnen entsprechenden Helixwindungen aufgrund der Vergrößerung des Steigungswinkels (40) in Leitrichtung (34) abnimmt.
  3. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Anzahl zwischen 2 und 100, insbesondere zwischen 4 und 20 ist.
  4. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Länge des Rohrabschnitts (12) größer als der Durchmesser des Rohrabschnitts (12), größer dem Doppelten des Durchmessers des Rohrabschnitts (12), größer dem Dreifachen des Rohrabschnitts (12), oder größer dem 10-fachen, 20-fachen, 50-fachen, 100-fachen oder 150-fachen des Durchmessers des Rohrabschnitts (12) ist.
  5. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Steigungswinkel (40) zwischen 15° und 60° beträgt.
  6. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass fluidtechnisch 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.
  7. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Leitschaufeln (46) bezüglich der Leitrichtung (34) geneigt sind, und den gleichen Steigungswinkel (40) wie die Einkerbung aufweisen.
  8. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 6 oder 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Länge der Leitschaufeln (46) in Leitrichtung (34) mit abnehmendem Abstand zur Innenwand (41) verringert ist.
  9. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der zweite Rohrabschnitt (14) auf der dem Rohrabschnitt (12) gegen überliegenden Seite aufgeweitet ist.
  10. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    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.
  11. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach Anspruch 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die weiteren Leitschaufeln (56) bezüglich der Leitrichtung (34) zumindest abschnittsweise geneigt sind.
  12. Gleichstromzyklonabscheider (4) nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    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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