EP3768433B1

EP3768433B1 - Zentrifuge mit einer schälscheibe

Info

Publication number: EP3768433B1
Application number: EP19712968.7A
Authority: EP
Inventors: Maximilian BERSCH; Wilfried Mackel
Original assignee: GEA Mechanical Equipment GmbH
Current assignee: GEA Mechanical Equipment GmbH
Priority date: 2018-03-21
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2024-01-03
Anticipated expiration: 2039-03-20
Also published as: DE102018114843A1; EP3768433A1; DE102018114841A1; WO2019180064A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Derartige Zentrifugen sind bekannt. Die wenigstens eine oder zwei Schälscheiben dient/dienen jeweils zum Austrag fließfähiger Phasen. Eingesetzt werden die Schälscheiben - auch Greifer genannt - zum Flüssigkeitsaustrag sowohl bei Separatoren mit vertikaler Drehachse als auch bei Vollmantel-Schneckenzentrifugen mit horizontaler oder auch vertikaler Drehachse.
Die Schälscheiben arbeiten nach dem Wirkprinzip einer Zentripetalpumpe. Die Schälscheibe nutzt also die kinetische Energie der zu fördernden Flüssigkeit, die durch die Zentrifugentrommel in Bewegung versetzt wird.
Die Flüssigkeitsphase rotiert dabei um die stehende scheibenförmige Schälscheibe - auch Greifer genannt - in der sich horizontale Auslasskanäle befinden (siehe zum Stand der Technik Fig. 2a und 2b). Die Auslasskanäle werden oben und unten durch scheibenartige Elemente wie Platten begrenzt und seitlich durch jeweils sichelförmige Stege. Die Eintrittsöffnung eines solchen Auslasskanals wird seitlich durch die Enden von zwei benachbarten sichelförmigen Stegen gebildet. Jedes dieser Enden weist in der Regel eine senkrechte, linienförmige und gerade Einströmkante oder Schneide auf, die scharfkantig in den rotierenden Flüssigkeitsstrom schneidet, um diesen zum Zentrum der Schälscheibe umzulenken. Der Flüssigkeitsstrom rotiert dabei mit einer Geschwindigkeit von z.B. 20 bis 100 m/s. Die Einströmkanten leiten einen Teil des um den Greifer rotierenden Flüssigkeitsstroms durch die Auslasskanäle zum Zentrum des Greifers, welches mit der Ableitung in Verbindung steht über die die Flüssigkeit die Zentrifuge unter Druck verlässt.
Üblicherweise wird die kurvenförmige Randkontur des Auslasskanals - also die Form der vor- und nacheilenden Einströmseiten - dadurch erzeugt, dass mehrere Bogenelemente mit unterschiedlichen Radien tangential aneinander gelegt werden. Hierbei wird vom Konstrukteur im Wesentlichen nach Erfahrungswerten verfahren.
In der DE 103 11 610 A1 wird zudem eine Schälscheibe für eine Zentrifuge beschrieben, bei der die Randkontur des Auslasskanals an den vor- und nacheilenden Einströmseiten ganz oder abschnittsweise wellenförmig ausgeführt ist.
In der DE 10 2009 038 743 A1 wird eine Schälscheibe beschrieben, bei der die Randkontur des Auslasskanals an den vor- und nacheilenden Einströmseiten bogenförmig ausgeführt ist.
In der DE 39 36 150 C2 wird eine Schälscheibe beschrieben, bei der die Randkontur des Auslasskanals evolventenförmig verläuft und so ausgebildet ist, dass ein Schnittpunkt der beiden Kurvenzüge der jeweiligen Randkontur im größten Durchmesser der Schälscheibe liegt, so dass eine Schneide gebildet ist.
Die CH 185 662 A zeigt eine gattungsgemäße Schälscheibe an Schleudermaschinen, bei welcher die Breite zweier Auslasskanäle radial von außen nach innen zunimmt.
Eine Skalierbarkeit der Randkonturen für Schälscheiben an den vor- und nacheilenden Einströmseiten mit unterschiedlichen Außen- und Innendurchmessern ist nach dem Stand der Technik hingegen nur bedingt gegeben.
Zudem sind die aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweise zur Erzeugung der Randkontur des Auslasskanals an den vor- und nacheilenden Einströmseiten nach dem Stand der Technik für eine automatisierte oder teilautomatisierte parametrische oder merkmalbasierte Variantenkonstruktion in einem modernen CAD-System nicht oder nur bedingt geeignet.
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Schälscheibe anzugeben, deren jeweilige Auslasskanäle jeweils vor- und nacheilende Einströmseiten aufweisen, die jeweils auf einem Kurvenzug errichtet sind, dessen Erzeugungsgeometrie nach definierten Kriterien parametrierbar und skalierbar ist, sowie optimierte Strömungseigenschaften zur Vermeidung einer turbulenten Strömung aufweist.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Vorteilhaft ist an diesem Gegenstand zunächst, dass die Konturen bzw. die Krümmungen der voreilenden Einströmseite und die der nacheilenden Einströmseite identisch sind, wobei die nacheilende Einströmseite relativ zur voreilenden Einströmseite verschoben ist und/oder um einen Verdrehwinkel α in Umfangsrichtung verdreht ist/sind. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Konturen der voreilenden Einströmseite und die Konturen der nacheilenden Einströmseite der gleichen mathematischen Erzeugungsfunktion folgen bzw. entsprechen, aber relativ zueinander bzw. gegeneinander bezogen auf ein Koordinatensystem als Bezugssystem bzw. in dem Koordinatensystem verschoben und/oder verdreht sind. Dadurch ist die Geometrie des Auslasskanals mit CAD-Systemen einfach und vorteilhaft geometrisch erzeugbar.
Nach einer ersten Variante des Anspruchs 1 weist die Krümmung der voreilenden Einströmseite als auch die der nacheilenden Einströmseite dazu jeweils eine kurvenerzeugende Erzeugungsfunktion auf, die auf der Fibonacci-Folge basiert. Dadurch ist die Geometrie des Auslasskanals mit CAD-Systemen einfach, skalierbar und damit vorteilhaft geometrisch erzeugbar.
Nach einer zweiten Alternative des Anspruchs 1 weist die Krümmung der voreilenden Einströmseite als auch die der nacheilenden Einströmseite dazu jeweils eine Erzeugungsfunktion auf, die auf einer logarithmischen Spirale basiert, die mit der Gleichung: r(φ) = ae^kφ darstellbar ist. Dadurch ist die Geometrie des Auslasskanals mit CAD-Systemen einfach, skalierbar und damit vorteilhaft geometrisch erzeugbar.
In einer dritten Alternative des Anspruchs 1 weist die Krümmung der voreilenden Einströmseite als auch die der nacheilenden Einströmseite dazu jeweils eine Erzeugungsfunktion auf, die auf einem inkrementellen Verfahren, bzw. auf ein Schrittweitenverfahren basiert. Dadurch ist die Geometrie des Auslasskanals mit CAD-Systemen einfach, skalierbar und damit vorteilhaft geometrisch erzeugbar.
Dabei ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die Breite des jeweiligen Auslasskanals in radialer Richtung vom Außenumfang der Schälscheibe nach innen bis zu dem Innenradius kontinuierlich oder inkremental größer wird.
Die Breite des Auslasskanals am Außenradius der Schälscheibe ist vorzugsweise kleiner oder gleich 90% der Breite am Innenradius der Schälscheibe.
Dadurch sorgt der Auslasskanal jeweils vorteilhaft für verbesserte Strömungsverhältnisse zur Vermeidung einer turbulenten Strömung innerhalb der Schälscheibe.
Die Drehachse der Trommel kann vertikal (z.B. bei einem Separator) oder horizontal (z.B. bei einer Vollmantel-Schneckenzentrifuge verlaufen).
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung verlaufen jeweils die voreilende gekrümmte Einströmseite als auch die nacheilende gekrümmte Einströmseite parallel zur Drehachse der Zentrifugentrommel. Dadurch ist die Geometrie des Auslasskanals vorteilhaft einfach zu fertigen und kann deshalb z.B. durch einen Fräsprozess auf einer Mehrachsen-CNC-Fräsmaschine einfach und reproduzierbar und damit vorteilhaft erzeugt werden.
Vorteilhaft ist, wenn für die Erzeugung der Einströmseiten ein Eintritts- und ein Austrittswinkel des Auslasskanals, bzw. des Kurvenzuges, der /die den Auslasskanal formt /formen und der Außen- und ein Innendurchmesser der Schälscheibe sowie eine Anzahl von Schritten m vorgegeben sind. Dadurch ergibt sich eine einfache Erzeugungsvorschrift für die Einströmseiten, die in einem modernen CAD-System aus automatisierbar ist.
Es ist ebenfalls vorteilhaft, wenn zur Erzeugung der gekrümmten Einströmseiten eine Krümmung der jeweiligen Einströmseite durch eine Vielzahl an Geraden angenähert ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist die jeweilige gekrümmte Einströmseite aus verschiedenen Kurvenabschnitten aufgebaut, die tangential aneinandergereiht sind. Dadurch ergibt sich eine einfache Erzeugungsvorschrift für die jeweilige Einströmseite, die in einem modernen CAD-System auch automatisierbar ist.
Nach einer Variante können die Einströmseiten im Verlauf bzw. hinsichtlich ihrer Krümmung unterschiedlich ausgestaltet sein. Dadurch lässt sich die Geometrie des jeweiligen Auslasskanals vorteilhaft so gestalten, dass eine turbulente Strömung innerhalb der Schälscheibe verringert wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist ein jeweiliger Tangentenwinkel, unten dem die jeweiligen Kurvenabschnitte der jeweiligen Einströmseite aneinandergereiht sind, variabel. Dadurch lässt sich die Geometrie des jeweiligen Auslasskanals vorteilhaft so gestalten, dass eine turbulente Strömung innerhalb der Schälscheibe vermieden wird.
Vorteilhaft ist auch eine Variante, bei welcher die obere Abdeckung und die untere Abdeckung jeweils einen gleichen Durchmesser aufweisen können. Dadurch ergibt sich eine einfache und damit vorteilhafte Herstellbarkeit der Schälscheibe.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung sind die untere Abdeckung und die obere Abdeckung plattenförmig ausgebildet und / oder einstückig mit den Schälscheibenstegen ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine einfach zu fertigende und damit vorteilhafte Geometrie der Schälscheibe.
Dabei kann zweckmäßig vorgesehen sein, dass der jeweilige Auslasskanal in einen Schälscheibenschaft übergeht. Dadurch ergibt sich ein einfacher und vorteilhafter Aufbau der Schälscheibe.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass sich die Schälscheibe im Betrieb nicht mit der Trommel. Sie kann aber auch selbst gedreht werden, dann vorzugsweise mit einer Relativdrehzahl zur Trommel.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den übrigen Unteransprüchen zu entnehmen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Figuren näher beschrieben. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt sondern kann im Rahmen der Ansprüche auch auf andere Weise oder äquivalent umgesetzt werden. Es zeigen:

Figur 1:: in a) einen Schnitt durch einen Separator mit einer erfindungsgemäßen Schälscheibe und in b) einen Schnitt durch einen Separator mit zwei erfindungsgemäßen Schälscheiben;
Figur 2:: in a) eine räumliche Ansicht einer Schälscheibe gemäß dem Stand der Technik und in b) eine Vorderansicht aus a);
Figur 3:: eine Skizze einer Schälscheibe mit einem Auslasskanal, wobei die Krümmungen der Einströmseiten aus zwei identischen Kurvenzügen erzeugt sind;
Figur 4:: eine Skizze einer Schälscheibe mit einem Auslasskanal, wobei die Krümmungen der Einströmseiten durch eine Fibonacci-Folge erzeugt sind;
Figur 5:: eine Skizze einer Schälscheibe mit einem Auslasskanal, wobei die Krümmungen der Einströmseiten durch eine logarithmische Spirale erzeugt sind;
Figur 6:: eine Skizze einer Schälscheibe mit einem Auslasskanal, wobei die Krümmungen der Einströmseiten durch ein inkrementellen Verfahren, bzw. durch ein Schrittweitenverfahren erzeugt sind;
Figur 7:: in a) eine räumliche Ansicht einer Schälscheibe mit mehreren Auslasskanälen, wobei die Krümmungen der Einströmseiten des jeweiligen Auslasskanals durch eine Fibonacci-Folge erzeugt sind und in b) einen Schnitt der Schälscheibe aus a);
Figur 8:: in a) eine räumliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Schälscheibe mit mehreren Auslasskanälen, wobei die Krümmungen der Einströmseiten des jeweiligen Auslasskanals durch eine logarithmische Spirale erzeugt sind und in b) einen Schnitt der Schälscheibe aus a);
Figur 9:: in a) eine räumliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Schälscheibe mit mehreren Auslasskanälen, wobei die Krümmungen der Einströmseiten des jeweiligen Auslasskanals durch ein inkrementelles Verfahren, bzw. durch ein Schrittweitenverfahren erzeugt sind und in b) einen Schnitt der Schälscheibe aus a).

Fig. 1a zeigt eine drehbare Separatortrommel 1 einer Zentrifuge, die hier als Separator mit vertikaler Drehachse A ausgebildet ist. Der Separator weist neben der Trommel 1 noch weitere - hier nicht sämtlich dargestellte - Komponenten wie einen Steuerungsrechner, einen Antriebsmotor zum Drehen der Trommel, eine Haube 24, einen Feststofffänger 25 usw. auf.
Die von einer selbst angetriebenen und drehbar gelagerten Antriebsspindel 26 drehbare Separatortrommel 1 ist vorzugsweise - aber nicht zwingend - für einen kontinuierlichen Betrieb - d.h. die kontinuierliche und nicht chargenweise Verarbeitung eines Produktes - ausgelegt.
Die Separatortrommel 1 besteht aus einem Unterteil 2 und einem Oberteil 3. In das Unterteil 2 ist ein Kolbenschieber 4 eingesetzt.
In der konischen bzw. hier sogar doppelt-konisch geformten Trommel 1 ist im Trommelinnenraum 5 ein Tellerstapel 6 aus konischen Trenntellern 7 angeordnet. Die Trennteller 7 sind auf einem Verteilerschaft 8 eines Verteilers 9 angeordnet.
Ein Zulaufrohr 10 dient zur Zuleitung eines zu verarbeitenden Produktes. Das Zulaufrohr 10 ist hier als sich im Betrieb nicht drehendes, stillstehendes Element ausgebildet. Es erstreckt sich konzentrisch zur Drehachse in die Separatortrommel 1. Nach Fig. 1a und 1b ragt es in bevorzugter - aber nicht zwingender - Ausgestaltung von oben in die Separatortrommel 1. Es kann sich aber auch von unten in die Trommel erstrecken.
Ein zu verarbeitendes fließfähiges Produkt wird durch das Zulaufrohr 10 zugeleitet. Das aus dem freien Ende des Zulaufrohrs 10 austretende Produkt strömt in sich radial erstreckende Verteilerkanäle 11 des Verteilers 9 und wird in diesen infolge der Drehungen der sich drehenden Separatortrommel 1 mitgedreht bzw. in Umfangsrichtung beschleunigt.
Die Verteilerkanäle 11 münden in den Trommelinnenraum 5 mit dem Tellerstapel 6. In dem Trommelinnenraum 5 - auch Schleuderraum genannt - erfolgt eine Klärung des Produktes von Feststoffen sowie - siehe Fig. 1b - ggf. optional eine Trennung in zwei oder mehr Flüssigkeitsphasen unterschiedlicher Dichte.
Zur Ableitung der wenigstens einen Flüssigkeitsphase L1 - Fig. 1a - oder der zwei Flüssigkeitsphasen L1, L2 - Fig. 1b - dienen einer oder mehrere Abläufe für Flüssigkeitsphasen L1, L2.
Nach Fig. 1a ist hier ein Flüssigkeitsablauf vorgesehen. Die aus dem Tellerstapel 6 innen radial nach innen hin ablaufende Flüssigkeit strömt in eine Schälscheibenkammer 12, die sich mit der Trommel 1 dreht und als hier oberer abschließender Teil dieser Trommel 1 ausgebildet ist. In der Schälscheibenkammer 12 ist eine Schälscheibe 13 angeordnet. Diese Schälscheibe 13 ist in der Schälscheibenkammer 12 stationär angeordnet, z.B. nicht drehbar auf dem Zulaufrohr 10 angeordnet.
Die Schälscheibe 13 weist einen in der Schälscheibenkammer 12 angeordneten Scheibenabschnitt 15 auf sowie einen an einem inneren Radius des Scheibenabschnittes 15 ansetzenden und von dort aus der Schälscheibenkammer 12 und der gesamten Trommel 1 nach außen vorstehenden Schälscheibenschaft 16, der in eine Ableitung 27 außerhalb der Trommel 1 mündet.
Die Schälscheibe 13 weist wenigstens einen Einlass 17 auf. Der wenigstens eine Einlass 17 (hier nicht dargestellt, siehe z.B. Fig. 7a) der Schälscheibe 13 liegt vorzugsweise am Außenradius R1 des Scheibenabschnitts 15 (siehe Fig. 2a). Von diesem wenigstens einen Einlass 17 aus fließt die Flüssigkeit in dem Scheibenabschnitt 15 in wenigstens einem Auslasskanal 18 radial nach innen und strömt dann durch den Schälscheibenschaft 16 axial nach oben aus der Trommel 1 und aus dem sich drehenden System. Die Schälscheibe 13 arbeitet nach dem Wirkprinzip einer Zentripetalpumpe.
Die Feststoffe werden hingegen durch umfangsverteilte, sich radial erstreckende Austrittsöffnungen 20 vorzugsweise im Bereich des größten Radius/Umfangs der Zentrifugentrommel aus der Zentrifugentrommel 1 nach außen ausgestoßen.
Die Austrittsöffnungen 20 können als Düsen ausgebildet sein, durch die kontinuierlich Feststoffe ausgestoßen werden (nicht dargestellt). Ihnen kann alternativ aber auch ein Öffnungs- und Schließmechanismus zugeordnet sein. Nach Fig. 1a ist dazu in dem Trommelunterteil 2 der hydraulisch betätigbarer Kolbenschieber 4 vorgesehen, mit dem die Austrittsöffnungen 20 diskontinuierlich geöffnet und wieder verschlossen werden können.
In Fig. 1b ist eine Zentrifuge mit zwei Schälscheiben 13, 21 darstellt, die dementsprechend jeweils in Schälscheibenkammern 12, 22 angeordnet sind und jeweils einen Schälscheibenschaft 16, 16' aufweisen. Der jeweilige Schälscheibenschaft 16, 16' mündet in jeweils in eine Ableitung 27, 27`, über die die jeweilige Flüssigkeitsphase L1, L2 die Zentrifuge verlässt. Die Zentrifuge ist hier als Separator mit vertikaler Drehachse ausgebildet.
Begriffe wie "oben", "unten", "rechts", "links", "außen" oder "innen" beziehen sich auf die jeweilige dargestellte Position in den Figuren.
Die im Folgenden verwendeten Begriffe "voreilende Einströmseite" sowie "nacheilende Einströmseite" beziehen sich relativ auf die Strömungsrichtung D der jeweiligen Flüssigkeitsphase L1, L2. Dabei wird in Fig. 2 bis 5 von einer Drehrichtung und Strömungsrichtung D der jeweiligen Flüssigkeitsphase L1, L2 - rein beispielhaft linksdrehend - ausgegangen (siehe Pfeil in den Fig. 2a sowie 7a bis 9b). Dementsprechend ist eine jeweils nacheilende Einströmseite 30 des jeweiligen Auslasskanals 18 weiter stromabwärts angeordnet als eine voreilende Einströmseite 31.
In Fig. 2a und Fig. 2b ist eine beispielhafte Schälscheibe 13, 21 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Die Schälscheibe 13, 21 weist wenigstens zwei
Auslasskanäle 18 -hier sechs Auslasskanäle 18 auf, durch die die jeweilige Flüssigkeitsphase L1, L2 radial nach innen geleitet wird. Einströmseiten 30, 31 leiten einen Teil des um den Greifer rotierenden Flüssigkeitsstroms durch die Auslasskanäle 18 zum Zentrum des Greifers, welches mit der Ableitung 27 in Verbindung steht über die die Flüssigkeit die Zentrifuge unter Druck verlässt.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass eine Breite B (siehe Fig. 3) des jeweiligen Auslasskanals 18 in Fig. 2a in radialer Richtung vom Außenumfang der Schälscheibe 13, 21 nach innen abschnittsweise oder über die gesamte Erstreckung nicht kontinuierlich größer wird, auch wenn dies möglicherweise aus der Fig. 2a interpretierbar ist. Diese Schälscheibe 13, 21 weist demzufolge die eingangs beschriebenen konstruktiven Nachteile auf.
In Fig. 3 ist eine erfindungsgemäße Schälscheibe 13, 21 skizziert. Die Schälscheibe 13, 21 weist hier lediglich einen Auslasskanal 18 auf, durch die die jeweilige Flüssigkeitsphase L1, L2 radial nach innen bis zu einem Innenradius r1 in den jeweiligen Schälscheibenschaft 16, 16' (hier nicht dargestellt, siehe Fig. 1 oder Fig. 2) und weiter in die Leitung 27, 27' strömt. Der jeweilige Auslasskanal 18 endet somit am Innenradius r1 und geht dort in den Schälscheibenschaft 16, 16' über bzw. mündet in diesen. Die Schälscheibe 13, 21 in Fig. 3 weist hier nur einen Auslasskanal 18 auf, da an dem Beispiel in Fig. 3 die Geometrie des Auslasskanals 18 näher erläutert wird und insbesondere die Dimension der "Breite" des Auslasskanals 18 definiert wird, kann aber mehrere dieser Auslasskanäle 18 aufweisen.
Der jeweilige Auslasskanal 18 der erfindungsgemäßen Schälscheibe 13, 21 weist einen im Wesentlichen rechteckigen Grundquerschnitt auf, der hier in einer Vorderansicht dargestellt ist.
Der im Wesentlichen rechteckige Grundquerschnitt des jeweiligen Auslasskanals 18 wird jeweils unten durch eine untere Abdeckung 32 und oben durch eine obere Abdeckung 35 (hier nicht dargestellt, siehe Fig. 2b) begrenzt. Die beiden seitlichen Begrenzungen des jeweiligen Auslasskanals 18 werden durch eine voreilende Einströmseite 31 und durch eine nacheilende Einströmseite 30 begrenzt. Die beiden Einströmseiten 30, 31 bilden gleichzeitig die seitliche Begrenzung eines jeweiligen Schälscheibensteges 33 aus, der den jeweiligen Auslasskanal 18 von einem anderen Auslasskanal 18 trennt. Insofern ist der jeweilige Auslasskanal 18 rechts und links jeweils durch einen Schälscheibensteg 33 begrenzt.
Ein Kurvenzug ist das Bild eines mathematisch beschreibbaren Weges. Im Sinne der vorliegenden Erfindung weist der mathematisch beschreibbare Weg bzw. der Kurvenzug eine Krümmung auf (jedenfalls bis auf den Startpunkt und den Endpunkt), deren Radius stets ungleich Null ist, vorzugsweise größer als Null und kleiner als Unendlich ist.
Die voreilende Einströmseite 31 ist senkrecht auf einem ersten Kurvenzug 36 errichtet und die nacheilende Einströmseite 30 ist senkrecht auf einem zweiten Kurvenzug 36' errichtet. Beide Einströmseiten 30, 31 sind dementsprechend gekrümmt.
Die untere Abdeckung 32 und der jeweilige Schälscheibensteg 33 sind hier einstückig mit dem Scheibenabschnitt der Schälscheibe 13, 21 ausgeführt, so dass der Auslasskanal 18 hier z.B. durch einen Fräsprozess aus der Schälscheibe 13, 21 herausgearbeitet sein kann. Die untere Abdeckung 32 ist hier plattenförmig gestaltet. Auch die obere Abdeckung 35 (hier nicht dargestellt, siehe Fig. 2b) des Auslasskanals 18 kann aber alternativ z.B. als eine oben auf der Schälscheibe 13, 21 befestigte Platte ausgelegt sein.
Der jeweilige Einlass 17 des jeweiligen Auslasskanals 18 wird jeweils durch die untere Abdeckung 32, der jeweiligen voreilenden gekrümmten Einströmseite 31, der jeweiligen nacheilenden gekrümmten Einströmseite 30 und der obere Abdeckung 35 (hier nicht dargestellt, siehe Fig. 2b) gebildet.
Die Breite B des Auslasskanals 18 wird in radialer Richtung vom Außenumfang der Schälscheibe 13, 21 nach innen abschnittsweise oder über die gesamte Erstreckung kontinuierlich größer. Dadurch sorgt der Auslasskanal 18 vorteilhaft für verbesserte Strömungsverhältnisse mit verringerter turbulenter Strömung innerhalb der Schälscheibe.
Die Breite B des Auslasskanals 18 wird durch das Anlegen einer Tangente T an den ersten Kurvenzug 36 und das Errichten einer Senkrechten S auf der Tangente im Tangentenpunkt TP ermittelt, in dem die Länge der Senkrechten S bis zu dem Punkt SP, an dem die Senkrechte S den zweiten Kurvenzug 36' schneidet, gemessen wird.
Errichtet man jeweils eine Senkrechte S, S` im jeweiligen Tangentenpunkt TP, TP' zweier zueinander beabstandet angetragener Tangenten T, T` des ersten Kurvenzuges 36, so kann durch die Ermittlung des jeweiligen Betrages der jeweiligen Länge der jeweiligen Senkrechten S, S` bis zu dem jeweiligen Punkt SP, SP`, an denen die jeweilige Senkrechte S, S` den zweiten Kurvenzug 36' schneidet, die unterschiedliche, in Bezug auf die Schälscheibe 13, 21 nach radial außen hin abnehmende Breite B ermittelt werden.
Zur Erzeugung des ersten Kurvenzuges 36 und des zweiten Kurvenzuges 36' - und damit der voreilenden Einströmseite 31 und der nacheilenden Einströmseite 30 des jeweiligen Auslasskanals 18 - ergeben sich zahlreiche Ausführungsvarianten, von denen rein beispielhaft einzelne vorteilhafte Varianten in den Figuren 4 ff dargestellt sind und im Folgenden näher erläutert werden.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die näher beschriebenen Ausführungsvarianten zur Bildung des ersten Kurvenzuges 36 und des zweiten Kurvenzuges 36' keineswegs einschränkend zu verstehen sind. Vielmehr sollen die beschriebenen Ausführungsvarianten lediglich die Bildung des ersten Kurvenzuges 36 und des zweiten Kurvenzuges 36' beispielhaft veranschaulichen.
Den Ausführungsvarianten der Figuren 4 ff ist gemeinsam, dass der erste Kurvenzug 36 und der zweite Kurvenzug 36' jeweils Graphen einer gleichen mathematischen Funktion sind. Alternativ können der erste Kurvenzug 36 und der zweite Kurvenzug 36' auch jeweils aus Abschnitten verschiedener Graphen einer oder verschiedenen mathematischer Funktionen zusammengesetzt sein.
Damit weist der erste Kurvenzug 36 und der zweite Kurvenzug 36' jeweils eine mathematisch einfach beschreibbare Kurve auf, die mit CAD-Systemen einfach und vorteilhaft geometrisch erzeugbar ist. Daraus resultierend sind die voreilende gekrümmte Einströmseite 31 als auch die nacheilende gekrümmte Einströmseite 30 einfach und damit vorteilhaft mit computergesteuerten Werkzeugmaschinen herstellbar. Vorteilhaft ist insbesondere auch, dass die beiden Kurvenzüge 36, 36' in ihrer Dimension skalierbar sind, so dass angepasste Kurvenzüge 36, 36' für andere Schälscheibendurchmesser einfach durch Veränderung von Erzeugungsparametern der Kurvenzüge 36, 36' generierbar sind.
Vorteilhafterweise sind der erste Kurvenzug 36 und der zweite Kurvenzug 36' jeweils identisch und lediglich in der jeweiligen Zeichenebene gegeneinander versetzt und verdreht angeordnet. Daraus resultiert eine einfache Erzeugung der beiden Kurvenzüge 36, 36' und damit der voreilenden gekrümmten Einströmseite 31 und der nacheilenden gekrümmten Einströmseite 30.
In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsvariante zur Bildung des ersten Kurvenzuges 36 und des zweiten Kurvenzuges 36' und damit der voreilenden gekrümmten Einströmseite 31 und der nacheilenden gekrümmten Einströmseite 30 skizziert. Die Erzeugungsfunktion für beide Kurvenzüge 36, 36' bzw. Einströmseiten 30, 31 basiert hier auf der Fibonacci-Folge. Hierzu werden wie Fig. 4 dargestellt, drei Quadrate am Radius der Schälscheibe angeordnet. Der erste Radius RF1 entspricht der Kantenlänge des größten Quadrat Q1, der zweite Radius RF2 entspricht der Kantenlänge des mittleren Quadrat Q2, der dritte Radius RF3 entspricht der Kantenlänge des kleinsten Quadrat Q3. Der Vergrößerungsfaktor zum nächst größeren Quadrat ist 1,618033 und folgt damit dem goldener Schnitt. Die Summe der Kantenlängen des großen Quadrats Q1 und des mittleren Quadrats Q2 entspricht dem Außenradius R1 der Schälscheibe 13, 21. Der erste Kurvenzug 36 wird dadurch gebildet, dass die jeweils diagonal gegenüberliegenden Eckpunkte der Quadrate Q1, Q2, Q3 durch den Kurvenzug verbunden sind.
Auf diese Weise werden zwei identische Kurvenzüge 36, 36' bzw. Einströmseiten 30, 31 erzeugt, wobei der zweite Kurvenzug 36' bzw. die nacheilende gekrümmte Einströmseite 30 um einen Drehpunkt DP gegenüber dem ersten Kurvenzug 36 bzw. der voreilenden gekrümmten Einströmseite 31 um einen Winkel α verdreht ist. Bei der Wahl des Verdrehwinkels α und des Innenradius' r1 der Schälscheibe 13, 21 ist die Randbedingung erfüllt, dass die Breite B des Auslasskanals 18 am Außenradius R1 der Schälscheibe 13, 21 kleiner oder gleich 90% der Breite B am Innenradius r1 der Schälscheibe 13, 21 ist. Diese Vorgehensweise der Bildung der Kurvenzüge 36, 36' bzw. der Einströmseiten 30, 31 lässt sich auf Schälscheiben 13, 21 mit beliebigem Außendurchmesser anwenden, so dass die Erzeugung der Kurvenzüge 36, 36' und damit der Einströmseiten 30, 31 vorteilhaft reproduzierbar und skalierbar erfolgt.
In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsvariante zur Bildung des ersten Kurvenzuges 36 und des zweiten Kurvenzuges 36' bzw. der voreilende gekrümmten Einströmseite 31 und der nacheilenden gekrümmten Einströmseite 30 dargestellt. Die Erzeugungsfunktion für beide Kurvenzüge 36, 36' bzw. Einströmseiten 30, 31 basiert hier auf einer logarithmischen Spirale. Der Kurvenverlauf lässt sich z.B. darstellen mit der Gleichung: r(φ) = ae^kφ
Hierbei ist k die Steigung der Spirale und a ein Proportionalitätsfaktor zur geeigneten Skalierung des Radius.
Es werden zwei identische Kurvenzüge 36, 36' erzeugt, wobei der zweite Kurvenzug 36' um einen Drehpunkt DP gegenüber dem ersten Kurvenzug 36 um einen Winkel α verdreht ist. Beide Kurvenzüge 36, 36' bzw. die beiden Einströmseiten 30, 31 werden so angeordnet, dass sie sich auf dem Außenradius R1 der Schälscheibe 13, 21 treffen, bzw. tangential in den Außenradius R1 anschließen. Bei der Auswahl der Werte für diese Parameter und des Innenradius r1 der Schälscheibe 13, 21 muss die Randbedingung erfüllt sein, dass die Breite B des Auslasskanals 18 am Außenradius R1 der Schälscheibe 13, 21 kleiner oder gleich 90% der Breite B am Innenradius r1 der Schälscheibe 13, 21 ist. Diese Vorgehensweise der Bildung der Kurvenzüge 36, 36' bzw. der beiden Einströmseiten 30, 31 lässt sich auf Schälscheiben 13, 21 mit beliebigem Außendurchmesser anwenden, so dass die Erzeugung der Kurvenzüge 36, 36' und damit der beiden Einströmseiten 30, 31 vorteilhaft reproduzierbar und skalierbar erfolgt.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsvariante zur Bildung des ersten Kurvenzuges 36 und des zweiten Kurvenzuges 36' bzw. der gekrümmten voreilenden Einströmseite 30 und der nacheilenden gekrümmten Einströmseite 31 dargestellt. Die Erzeugungsfunktion für beide Kurvenzüge 36, 36' bzw. Einströmseiten 30, 31 basiert hier auf einem inkrementellen Verfahren, bzw. auf ein Schrittweitenverfahren. Die Vorgabe für die Erzeugung der Kurvenzüge 36, 36' bzw. der Einströmseiten 30, 31 sind ein Eintritts- und ein Austrittswinkel der Einströmseiten 30, 31, bzw. des Kurvenzuges 36, 36', auf den die jeweilige Einströmseite 30, 31 des Auslasskanals 18 errichtet ist, sowie der Außen- und der Innendurchmesser der Schälscheibe 13, 21. Es muss auch eine Anzahl von Schritten definiert werden, d.h. eine Anzahl von Kreisen vom dem Außendurchmesser bis Innendurchmesser der Schälscheibe 13, 21.
Bei der Erzeugung der Kurvenzüge 36, 36' bzw. der Einströmseiten 30, 31 wird der Eingangs- und der Ausgangswinkel des Kanals für Innen- und Außendurchmesser des Greifers vorgegeben. Zur Erzeugung des Kurvenzugs 36, 36' wird durch viele Geraden der Kurvenzug 36, 36' angenähert. Der Kurvenzug 36, 36' bzw. die Einströmseite 30, 31 kann aus verschiedenen Kurvenabschnitten aufgebaut sein, die tangential aneinandergereiht sind. Die Kurvenabschnitte können im Verlauf unterschiedlich sein. Der jeweilige Tangentenwinkel, unten den die jeweiligen Kurvenabschnitte aneinandergereiht sind, ist variabel. Dadurch ergibt sich eine vorteilhaft einfache Skalierbarkeit und eine einfache Erzeugung der Kurvenzüge 36, 36' bzw. der Einströmseiten 30, 31 in einem CAD-System.
Für die Erzeugung der Kurvenzüge 36, 36' bzw. der Einströmseiten 30, 31 werden nach dieser Methode werden die folgenden Gleichungen verwendet: $Δr = \frac{R 1 - r 1}{m}$
$Δα = \frac{β_{exit} - β_{enty}}{m}$
$b_{1} = \frac{Δ_{r}}{\tan (β_{1})}$
$γ_{1} = \arcsin (\frac{b_{1}}{r_{2}})$
$P_{m} = (r_{m} | γ)$
wobei

m =: Anzahl der Kreise
R1 =: Außenradius (hergeleitet vom Außendurchmesser der Schälscheibe)
r1 =: Innenradius (hergeleitet vom Innendurchmesser der Schälscheibe)
βentry =: Eintrittswinkel (Winkel zwischen senkrechter Tangente an den Außendurchmesser der Schälscheibe und erster Schrittgerade)
βexit =: Austrittswinkel (Winkel zwischen Tangente an den Innendurchmesser der Schälscheibe und der letzten Schrittgeraden) ist.

Bei der Erzeugung der Kurvenzüge 36, 36' bzw. der Einströmseiten 30, 31 wird wie folgt vorgegangen:
Zunächst wird die Schrittweite Δ_r mit Gleichung I bestimmt. Die Schrittweite Δ_r bestimmt den Abstand der Kreise m zueinander und gibt in einer Wertetabelle an, auf welchem Kreis bzw. Radius man sich in der Rechnung befindet.
Danach erfolgt die Berechnung des Steigungswinkels Δ_β mit Gleichung II. Der Steigungswinkel Δ_β gibt die fortlaufende Krümmung der Kurvenzüge 36, 36' bzw. der Einströmseiten 30, 31 an. Δ_β wird auf den vorhergehenden Winkel βi addiert und bildet somit immer ein neues β.
Aus der Schrittweite Δ_r und dem Steigungswinkel Δ_α lässt sich eine Wertetabelle erstellen. Aus den Daten jeder Zeile der Wertetabelle lässt sich ein Dreieck auftragen, so wie Fig. 6 dargestellt. Man benötigt dieses Dreieck zur Bestimmung eines Ergänzungswinkels γ, welcher später dem Erstellen der Polarkoordinaten der Konturpunkte dient.
Da es sich um ein nicht-rechtwinkliges Dreieck handelt und stets eine Länge bzw. ein Winkel zur exakten Berechnung des jeweiligen Ergänzungswinkels γ_i fehlt, muss ein rechtwinkliges Dreieck angenommen werden. Somit handelt es sich bei der Pumpenrad-Methode um einen Konvergenzfall. Es wird das eigentliche Segment der Kontur durch die Gerade b_i (Gleichung III) angenähert, damit für die Bestimmung von γ_i ein rechtwinkliges Dreieck entsteht. Dazu dient Gleichung IV.
Aus nun gegebenen Längen lässt sich γ_i bestimmen. Aus γ_i und der Schrittweite Δ_r bzw. dem Radiensegment auf dem man sich befindet, kann nun ein Punkt P_m in polarer Schreibweise nach Gleichung V hergeleitet werden. Der Ergänzungswinkel γ muss aufsummiert werden, damit der Winkel stets vom gleichen Bezug im Koordinatensystem ausgeht.
Werden die berechneten Punkte nun mit Geraden verbunden, so erhält man den einseitigen Kurvenzug 36 bzw. die voreilende gekrümmte Einströmseite 31 des Auslasskanals 18. Mit vier Eingabeparametern (bzw. fünf, wenn man m mitzählt) lässt sich der Kurvenzug 36 für einen Auslasskanal 18 erzeugen.
Durch die Möglichkeit der Definition von Winkeln lässt sich schnell die Strömung im Auslasskanal 18 beeinflussen. Der Auslasskanal 18 bzw. der zweite Kurvenzug 36` - und damit die nacheilende gekrümmte Einströmseite 30 - entsteht durch die Verrechnung von Daten um einen Rotationspunkt, d.h. durch die Verschiebung des Bezugs im Koordinatensystem. Beide Kurvenzüge 36, 36', auf denen die Einströmseiten 30, 31 des Auslasskanals 18 errichtet sind, können unabhängig voneinander konstruiert und verändert werden.
Bei genügend großem m (z.B. m = 1000) ist der Fehler, also die Konvergenz in der Rechnung so klein, dass er sich nur um wenige Grad auf den eigentlichen Austrittswinkel auswirkt und diesen verändert.
In Fig. 7a und Fig. 7b ist jeweils eine Schälscheibe 13, 21 dargestellt, bei der die Einströmseiten 30, 31 der Auslasskanäle 18 mit einer Erzeugungsfunktion erstellt sind, die auf der Fibonacci-Folge basiert.
In Fig. 8a und Fig. 8b ist jeweils eine Schälscheibe 13, 21 dargestellt, bei der die Einströmseiten 30, 31 der Auslasskanäle 18 mit einer Erzeugungsfunktion erstellt sind, die auf der logarithmischen Spirale basiert.
In Fig. 9a und Fig. 9b ist jeweils eine Schälscheibe 13, 21 dargestellt, bei der die Einströmseiten 30, 31 der Auslasskanäle 18 mit einer Erzeugungsfunktion erstellt sind, auf einem inkrementellen Verfahren, bzw. auf ein Schrittweitenverfahren basiert.

Den Schälscheiben in Fig. 7 bis 9 ist gemeinsam, dass die Einströmseiten 30, 31 der jeweiligen Auslasskanäle 18 jeweils beidseitig Kurvenzüge 36, 36' bzw. eine Randkontur aufweisen, die optimierte Strömungseigenschaften zur Vermeidung einer turbulenten Strömung bietet.

Bezugszeichen

Separatortrommel	1
Unterteil	2
Oberteil	3
Kolbenschieber	4
Trommelinnenraum	5
Tellerstapel	6
Trennteller	7
Verteilerschaft	8
Verteiler	9
Zulaufrohr	10
Verteilerkanäle	11
Schälscheibenkammer	12
Schälscheibe	13
Scheibenabschnitt	15
Schälscheibenschaft	16, 16'
Einlass	17
Auslasskanal	18

Austrittsöffnungen	20
Schälscheibe	21
Schälscheibenkammer	22
Haube	24
Feststofffänger	25
Antriebsspindel	26
Ableitung	27, 27'

nacheilende Einströmseite	30
voreilende Einströmseite	31
untere Abdeckung	32
Schälscheibensteg	33
Obere Abdeckung	35
Kurvenzug	36, 36'

Außenradius	R1
Innenradius	r1
Drehachse	A
Strömungsrichtung	D
Flüssigkeitsphase	L1, L2
Breite	B
Tangente	T, T'
Tangentenpunkt	TP, TP'
Senkrechte	S, S'
Punkt	SP, SP'
Radius	RF1, RF2, RF3
Quadrat	Q1, Q2, Q3
Drehpunkt	DP
Verdrehwinkel	α
Schrittweite	Δ_r
Anzahl Kreise	m
Steigungswinkel	Δ_β
Ergänzungswinkel	γ
Gerade	b
Punkt	P_m

Claims

Zentrifuge, mit einer um eine Drehachse (A) drehbaren Trommel (1), die wenigstens eine Schälscheibe (13, 21) aufweist, wobei die Schälscheibe (13, 21) wenigstens einen Scheibenabschnitt (15) mit wenigstens zwei Auslasskanälen (18) mit jeweils einer Einlassöffnung (17) an einem Außenradius R1 aufweist, wobei sich der jeweilige Auslasskanal (18) von der Einlassöffnung bis zu einem Innenradius (r1) erstreckt, und wobei der jeweilige Auslasskanal (18) jeweils nach unten durch eine untere Abdeckung (32) und nach oben durch eine obere Abdeckung (35) begrenzt ist und wobei eine seitliche Begrenzung des jeweiligen Auslasskanals (18) jeweils in Bezug auf eine Strömungsrichtung (D) in einem sich drehenden Zustand der Trommel (1) im Betrieb durch eine voreilende gekrümmte Einströmseite (31) und eine nacheilende gekrümmte Einströmseite (30) gebildet ist, wobei eine Breite (B) des jeweiligen Auslasskanals (18) in radialer Richtung vom Außenumfang der Schälscheibe (13, 21) nach innen bis zu dem Innenradius (r1) über die gesamte Erstreckung größer wird, und dass die Krümmungen der voreilenden Einströmseite (31) und die der nacheilende Einströmseite (30) identisch ausgebildet sind, wobei die nacheilende gekrümmte Einströmseite (30) relativ zur voreilenden gekrümmte Einströmseite (31) verschoben ist und/oder um einen Verdrehwinkel α in Umfangsrichtung verdreht ist, dadurch gekennzeichnet, dass
a. die Krümmung der voreilenden Einströmseite (31) und die der nacheilenden Einströmseite (30) jeweils eine Erzeugungsfunktion aufweisen, die auf der Fibonacci-Folge basiert, oder

b. dass die Krümmung der voreilenden Einströmseite (31) und die der nacheilenden Einströmseite (30) jeweils eine Erzeugungsfunktion aufweisen, die auf einer logarithmischen Spirale basiert, wobei die voreilende Einströmseite (31) und die nacheilende Einströmseite (30) mit der Gleichung: r(φ) = ae^kφ darstellbar sind, oder

c. die Krümmung der voreilenden Einströmseite (31) und die der nacheilenden Einströmseite (30) jeweils eine Erzeugungsfunktion aufweist, die auf einem inkrementellen Verfahren, bzw. auf ein Schrittweitenverfahren basiert.
Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite (B) des jeweiligen Auslasskanals (18) in radialer Richtung vom Außenumfang der Schälscheibe (13, 21) nach innen bis zu dem Innenradius (r1) kontinuierlich oder inkremental größer wird.
Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (B) des Auslasskanals (18) am Außenradius (R1) der Schälscheibe (13, 21) kleiner oder gleich 90% der Breite (B) am Innenradius (r1) der Schälscheibe (13, 21) ist.
Zentrifuge nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die voreilende Einströmseite (31) als auch die nacheilende Einströmseite (30) parallel zur Drehachse verlaufen.
Zentrifuge nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erzeugung der Einströmseiten (30, 31) ein Eintritts- und ein Austrittswinkel des jeweiligen Auslasskanals (18), bzw. der Einströmseite(n) (30, 31), der/die den Auslasskanal (18) formt/formen und der Außen- und ein Innendurchmesser der Schälscheibe (13, 21) sowie eine Anzahl von Schritten m vorgegeben sind.
Zentrifuge nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Einströmseiten (30, 31) eine Krümmung der Einströmseiten (30, 31) durch viele Geraden angenähert ist.
Zentrifuge nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einströmseiten (30, 31) aus verschiedenen Kurvenabschnitten aufgebaut sind, die tangential aneinandergereiht sind.
Zentrifuge nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenabschnitte im Verlauf bzw. hinsichtlich ihrer Krümmung unterschiedlich sind.
Zentrifuge nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein jeweiliger Tangentenwinkel, unten den die jeweiligen Kurvenabschnitte aneinandergereiht sind, variabel ist.
Zentrifuge nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Abdeckung (35) und die untere Abdeckung (32) jeweils einen gleichen Durchmesser aufweisen.
Zentrifuge nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Abdeckung (32) und die obere Abdeckung (35) plattenförmig ausgebildet sind und/oder einstückig mit den Schälscheibenstegen (33) ausgebildet sind.
Zentrifuge nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Auslasskanal (18) in einen Schälscheibenschaft (16, 16`) übergehen.
Zentrifuge nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Schälscheibe (13, 21) im Betrieb nicht mit der Trommel (1) dreht und/oder mit einer Referenzdrehzahl zur Trommel dreht.