EP4368295A1 - Fliehkraftabscheider - Google Patents

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Publication number
EP4368295A1
EP4368295A1 EP23203123.7A EP23203123A EP4368295A1 EP 4368295 A1 EP4368295 A1 EP 4368295A1 EP 23203123 A EP23203123 A EP 23203123A EP 4368295 A1 EP4368295 A1 EP 4368295A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
central axis
separation chamber
centrifugal separator
section
outlet channel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23203123.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Eisenschmid
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.)
Syntegon Technology GmbH
Original Assignee
Syntegon Technology GmbH
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 Syntegon Technology GmbH filed Critical Syntegon Technology GmbH
Publication of EP4368295A1 publication Critical patent/EP4368295A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • 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
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions
    • B04C5/081—Shapes or dimensions
    • 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
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/02—Construction of inlets by which the vortex flow is generated, e.g. tangential admission, the fluid flow being forced to follow a downward path by spirally wound bulkheads, or with slightly downwardly-directed tangential admission
    • B04C5/04—Tangential inlets
    • 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
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/08—Vortex chamber constructions
    • B04C5/103—Bodies or members, e.g. bulkheads, guides, in 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
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/12—Construction of the overflow ducting, e.g. diffusing or spiral exits
    • B04C5/13—Construction of the overflow ducting, e.g. diffusing or spiral exits formed as a vortex finder and extending into the vortex chamber; Discharge from vortex finder otherwise than at the top of the cyclone; Devices for controlling the overflow
    • 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
    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/14—Construction of the underflow ducting; Apex constructions; Discharge arrangements ; discharge through sidewall provided with a few slits or perforations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B04C5/00—Apparatus in which the axial direction of the vortex is reversed
    • B04C5/14—Construction of the underflow ducting; Apex constructions; Discharge arrangements ; discharge through sidewall provided with a few slits or perforations
    • B04C5/181—Bulkheads or central bodies in the discharge opening

Definitions

  • the invention relates to a centrifugal separator with a housing extending along a central axis, which has a separation chamber wall for delimiting a separation chamber which is fed by an inlet channel for multiphase fluid, wherein a central dip tube is provided for discharging a first fluid phase (light fraction) and an outlet channel is provided for discharging a second fluid phase (heavy fraction), wherein between the separation chamber and the outlet channel an expansion chamber is provided which is expanded radially outwardly with respect to the separation chamber and is delimited radially outwardly by an expansion chamber wall.
  • centrifugal separators are generally used to separate fluid phases of different densities (so-called light fraction or heavy fraction) of a multiphase fluid by separating the heavy fraction.
  • the multiphase fluid is fed into the separation chamber via an inlet channel and guided in such a way that a rotational flow is formed within the separation chamber.
  • the centrifugal forces that occur cause a radial acceleration, in particular of the heavy fraction, and the separation of the heavy fraction on the inside of a separation chamber wall.
  • the components of the heavy fraction are transported away and slide in particular on spiral tracks along the inside of the separation chamber wall in the direction of the expansion chamber until they are absorbed in the expansion chamber. There, the rotational movement slows down and the heavy fraction is discharged from the centrifugal separator via an outlet channel connected to the expansion chamber.
  • the separation chamber of the centrifugal separator of the EN 10 2017 113 888 B3 is designed to taper conically from the inlet channel towards the expansion chamber. By tapering the separation chamber, the rotation speed of the fluid along the central axis is increased. This leads to an increase in the centrifugal forces acting on the fluid phases and to an improved separation effect.
  • the invention is based on the object of specifying a centrifugal separator with a separation chamber which - while largely retaining the separation effect of conventional centrifugal separators - enables an improved and more reliable removal of the denser fluid phase (heavy fraction) from the separation chamber.
  • the EN 10 2017 113 888 B3 The disadvantage of the known centrifugal separator is that the components of the heavy fraction separated on the inside of the separating chamber wall are subjected to a component of the centrifugal force, which acts against the desired direction of movement. (i.e. acts in the direction of the inlet channel). This can lead to undesirable operating conditions during which components of the heavy fraction do not move in the direction of the expansion chamber or the outlet channel, but remain on constant circular paths along the inside of the separating chamber wall or are even accelerated in the direction of the inlet channel. The resulting failure to remove the heavy fraction can lead to a build-up of the heavy fraction in the separating chamber and a collapse of the rotational flow.
  • an angle of inclination of the separation chamber wall measured relative to the central axis is between 2° and 20°, in particular between 2.5° and 15°. This represents the optimal angle range in which the component of the centrifugal force is large enough to accelerate the denser phase (heavy fraction) in the direction of the expansion chamber and at the same time ensure the formation of a stable rotational flow in the separation chamber and an effective separation effect.
  • the immersion pipe particularly preferably extends over a maximum of 60% of the length of the separation chamber measured along the central axis.
  • the light fraction of the multiphase fluid undergoes a flow reversal and is discharged from the separation chamber via the immersion pipe while rotating around the central axis.
  • a particularly stable flow reversal can form due to the distance to the bottom-side boundary of the expansion chamber, which ensures a particularly effective discharge of the first fluid phase (light fraction).
  • the ratio between a length of the Separation chamber and a largest diameter of the separation chamber is between 6:1 and 1:1. This represents the ratio range in which the most homogeneous and stable rotational flow of the fluid is achieved.
  • the expansion space has a bottom-side fluid discharge section which is spaced from the central axis and which has a screw thread-like gradient relative to an orientation perpendicular to the central axis, which assists the discharge of the second fluid phase.
  • centrifugal separator in a configuration in which the flow of the fluid extends along the direction of gravity (the central axis is aligned parallel to the direction of gravity).
  • a component of gravity acts as a downhill force in the direction of the outlet channel on components of the heavy fraction that have reached the bottom boundary of the expansion space.
  • the outlet channel has a bottom section which, in relation to an orientation perpendicular to the central axis, has an outlet channel gradient which supports the discharge of the second fluid phase, in particular in the direction of gravity.
  • the outlet channel gradient has a Component of gravity as a downhill force on the components of the heavy fraction arranged on the soil section, thereby supporting the removal of the heavy fraction.
  • the expansion chamber has a bottom-side fluid guide section that extends around the central axis in the shape of a truncated cone or a pagoda. Operating states are possible in the expansion chamber in which a portion of the heavy fraction performs a stable rotation close to the central axis and thus does not reach the outlet channel.
  • the truncated cone or pagoda-shaped fluid guide section forms an inclined surface around the central axis that guides the portion of the heavy fraction radially outward, in particular in the direction of the outlet channel.
  • the inclined surface serves to guide the portion of the light fraction radially inward, thus in the direction of the central axis along which the dip tube extends.
  • the inlet channel has an outer boundary wall with respect to the central axis that tangentially adjoins a portion of the separation chamber wall and/or that the outlet channel has an outer boundary wall with respect to the central axis that tangentially adjoins a portion of the expansion chamber wall. Due to the tangentially arranged outer boundary wall of the inlet channel, the multiphase fluid is already fed into the separation chamber for rotation along the Separation chamber wall and brought around the central axis.
  • the tangentially arranged boundary wall of the outlet channel enables particularly efficient removal of the heavy fraction from the expansion chamber.
  • the inlet channel has a rectangular cross-section and/or that the outlet channel has a rectangular cross-section.
  • the inlet channel has a rectangular cross-section, which allows the rotational flow of the fluid to develop ideally when it is fed into the separation chamber.
  • the outlet channel has a rectangular cross-section, which is particularly tailored to the design of the expansion chamber.
  • annular transition region between one end of the separation chamber wall and a boundary section covering the expansion chamber is sharp-edged or rounded. After the transition from the separation chamber to the expansion chamber, the heavy fraction remains in the expansion chamber across the transition region and in particular cannot get back into the separation chamber.
  • the design of the annular transition region enables control of the behavior of the heavy fraction during the transition from the separation chamber to the expansion chamber and in particular control of the slowing down of the rotational movement.
  • a centrifugal separator is designated in the drawing as a whole by the reference numeral 10.
  • the centrifugal separator 10 has a housing 12 which is essentially rotationally symmetrical with respect to a central axis 14, see Fig. 1 and Fig. 2 .
  • the central axis 14 extends between a first end 16 of the centrifugal separator 10, on which an upper side 18 extending perpendicular to the central axis 14 is formed, and a second end 20, on which a bottom side 22 extending perpendicular to the central axis 14 is formed.
  • the housing 12 has a separation chamber wall 24 which, starting from the top side 18, delimits a separation chamber 26 along the central axis 14, the separation chamber 26 having a length 28 measured parallel to the central axis 14.
  • the housing 12 has an expansion chamber 30 offset from the separation chamber 26 and arranged immediately adjacent to it along the central axis 14.
  • the expansion chamber 30 is delimited by an expansion chamber wall 32 of the housing 12 and by the bottom side 22 of the second end 20.
  • the separation chamber 26 is designed to widen conically from the first end 18 in the direction of the expansion chamber 30, ie a diameter of the separation chamber 26 measured perpendicular to the central axis 14 increases in the direction of the expansion chamber 30 until a largest diameter 34 of the separation chamber 26 is reached.
  • the conical expansion of the separation chamber 26 is accompanied by a (negative) inclination angle 36 of the separation chamber wall 24 relative to the central axis 14.
  • the separation chamber 26 opens at an annular transition region 38 to an annular disk-shaped boundary section 40 covering the expansion chamber 26.
  • the transition region 38 can be sharp-edged or rounded.
  • the expansion space 30 has a diameter 42 measured perpendicular to the central axis 14.
  • the diameter 42 of the expansion space 30 is larger than the largest diameter 34 of the separation space 26.
  • the separation chamber 26 is connected near the top 18 to an inlet channel 44 (see Fig. 3 and 4 ).
  • the inlet channel 44 preferably has a rectangular cross-section.
  • An outer boundary wall 46 of the inlet channel 44 relative to the central axis 14 is formed in particular tangentially adjacent to a section 48 of the separating chamber wall 24, compare Fig.3 .
  • a dip tube 50 is arranged on the top side 18 of the housing 12.
  • the dip tube 50 extends along the central axis 14 into the separation chamber 26, see Fig.4
  • a length 52 of the dip tube 50 taken up by the separation chamber 26 is measured parallel to the central axis 14.
  • the expansion chamber 30 is connected to an outlet channel 54, wherein the outlet channel 54 preferably has a rectangular cross-section.
  • An outer boundary wall 56 of the outlet channel 54 relative to the central axis 14 is formed in particular tangentially adjacent to a section 58 of the expansion chamber wall 32, see Fig.3 .
  • a multiphase fluid is fed into the separation chamber 26 via the inlet channel 44, wherein the multiphase fluid is composed in particular of fluid phases of different densities (light fraction and heavy fraction).
  • the multiphase fluid is guided along an inner side 60 of the separation chamber wall 24, whereby a flow is formed which extends spirally around the central axis 14 and has a flow component which points in the direction of the expansion chamber 30.
  • the flow-related centrifugal forces cause a radially outward acceleration, in particular of the heavy fraction, and the separation of the heavy fraction on the inner side 60 of the separation chamber wall 24.
  • the light fraction undergoes a flow reversal near the bottom side 22 and moves along the central axis 14 in the direction of the dip tube 50. 50 the light fraction is discharged from the separation chamber 26.
  • a radially outward-directed centrifugal force 64 continues to act on the components 62 of the heavy fraction arranged on the inner side 60 of the separation chamber wall 24 after separation, compare Fig.5 .
  • the centrifugal force 64 has a first component 66 and a second component 68.
  • the first component 66 acts as a normal force on the components 62 of the heavy fraction and is aligned perpendicular to the inner side 60 of the separation chamber wall 24.
  • the second component 68 of the centrifugal force 64 is aligned parallel to the inner side 60 of the separation chamber wall 24. Due to the conical expansion of the separation chamber 26 along the central axis 14, the second component 68 of the centrifugal force 64 is directed in the direction of the expansion chamber 30. This causes an acceleration of the components 62 of the heavy fraction in the direction of the expansion chamber 30 and an increased removal rate from the separation chamber 26 into the expansion chamber 30.
  • the magnitude of the second component 68 of the centrifugal force 64 depends on the magnitude of the angle of inclination 36.
  • a larger angle of inclination 36 measured relative to the central axis 14 is accompanied by a larger magnitude of the second component 68 of the centrifugal force 64.
  • the rotation speed of the heavy fraction is slowed down by the enlarged diameter 42 of the expansion chamber 30, and the heavy fraction is discharged from the expansion chamber 30 via the outlet channel 54, compare e.g. Fig.1 .
  • a bottom-side first fluid removal section 70 is provided which is spaced from the central axis 14 and has a screw thread-like gradient 72 relative to an orientation perpendicular to the central axis 14, see Fig.6 .
  • An improvement in the removal of the heavy fraction can also be achieved with a bottom section 74 of the outlet channel 54, wherein the bottom section 74 has an outlet channel gradient 76 with respect to an orientation perpendicular to the central axis 14.
  • a truncated cone-shaped fluid guide section 78 is provided, see Fig.7 , or a pagoda-shaped fluid guide section 80, compare Fig.8
  • the fluid guide sections 78, 80 extend in a ring shape around the respective central axis 14.
  • the upper sides of the fluid guide sections 78, 80 facing the separation chamber 26 or the expansion chamber 30 form inclined guide surfaces for guiding the components 62 of the heavy fraction radially outward, in particular in the direction of the outlet channel 54.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Centrifugal Separators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Fliehkraftabscheider (10), mit einem sich entlang einer zentralen Achse (14) erstreckenden Gehäuse (12), das eine Abscheideraumwandung (24) zur Begrenzung eines Abscheideraums (26) aufweist, der durch einen Einlasskanal (44) für mehrphasiges Fluid gespeist ist, wobei zur Abführung einer ersten Fluidphase ein zentrales Tauchrohr (50) und zur Abführung einer zweiten Fluidphase ein Auslasskanal (54) vorgesehen sind, wobei zwischen dem Abscheideraum und dem Auslasskanal ein bezogen auf den Abscheideraum nach radial außen erweiterter Expansionsraum (30) vorgesehen ist, der nach radial außen durch eine Expansionsraumwandung (30) begrenzt ist, wobei sich der Abscheideraum von dem Einlasskanal ausgehend entlang der zentralen Achse gesehen in Richtung des Expansionsraums konisch erweitert.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Fliehkraftabscheider, mit einem sich entlang einer zentralen Achse erstreckenden Gehäuse, das eine Abscheideraumwandung zur Begrenzung eines Abscheideraums aufweist, der durch einen Einlasskanal für mehrphasiges Fluid gespeist ist, wobei zur Abführung einer ersten Fluidphase (Leichtfraktion) ein zentrales Tauchrohr und zur Abführung einer zweiten Fluidphase (Schwerfraktion) ein Auslasskanal vorgesehen sind, wobei zwischen dem Abscheideraum und dem Auslasskanal ein bezogen auf den Abscheideraum nach radial außen erweiterter Expansionsraum vorgesehen ist, der nach radial außen durch eine Expansionsraumwandung begrenzt ist.
  • Aus der DE 10 2017 113 888 B3 sind sich entlang einer zentralen Achse erstreckende Fliehkraftabscheider mit einem Abscheideraum und einem Expansionsraum bekannt.
  • Derartige Fliehkraftabscheider dienen im Allgemeinen der Trennung unterschiedlich dichter Fluidphasen (sogenannte Leichtfraktion bzw. Schwerfraktion) eines mehrphasigen Fluids durch Abscheidung der Schwerfraktion.
  • Zur Erzielung der Abscheidewirkung wird das mehrphasige Fluid über einen Einlasskanal in den Abscheideraum eingespeist und derart geführt, dass sich innerhalb des Abscheideraums eine Rotationsströmung ausbildet. Die auftretenden Zentrifugalkräfte bewirken eine radiale Beschleunigung insbesondere der Schwerfraktion und die Abscheidung der Schwerfraktion an einer Innenseite einer Abscheideraumwandung.
  • Nach dem Abscheiden werden die Bestandteile der Schwerfraktion abtransportiert und gleiten insbesondere auf Spiralbahnen entlang der Innenseite der Abscheideraumwandung in Richtung des Expansionsraums bis sie in dem Expansionsraum aufgenommen sind. Dort verlangsamt sich die Rotationsbewegung und die Schwerfraktion wird über einen mit dem Expansionsraum verbundenen Auslasskanal aus dem Fliehkraftabscheider abgeführt.
  • Der Abscheideraum des Fliehkraftabscheiders der DE 10 2017 113 888 B3 ist ausgehend von dem Einlasskanal in Richtung der Expansionskammer sich konisch verjüngend ausgebildet. Durch die Verjüngung des Abscheideraums wird eine Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit des Fluids entlang der zentralen Achse erreicht. Dies führt zu einer Erhöhung der auf die Fluidphasen wirkenden Zentrifugalkräfte und zu einer verbesserten Abscheidewirkung.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fliehkraftabscheider mit einem Abscheideraum anzugeben, welcher - unter weitestgehender Beibehaltung der Abscheidewirkung herkömmlicher Fliehkraftabscheider - einen verbesserten und zuverlässigeren Abtransport der dichteren Fluidphase (Schwerfraktion) aus dem Abscheideraum ermöglicht.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Fliehkraftabscheider der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass sich der Abscheideraum von dem Einlasskanal ausgehend entlang der zentralen Achse gesehen in Richtung des Expansionsraums konisch erweitert.
  • Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass es bei dem aus der DE 10 2017 113 888 B3 bekannten Fliehkraftabscheider nachteilig ist, dass auf die an der Innenseite der Abscheideraumwandung abgeschiedenen Bestandteile der Schwerfraktion eine Komponente der Zentrifugalkraft wirkt, welche entgegen der gewünschten Bewegungsrichtung wirksam ist (also in Richtung des Einlasskanals wirkt). Dadurch sind unerwünschte Betriebszustände möglich, während denen sich Bestandteile der Schwerfraktion nicht in Richtung des Expansionsraums bzw. des Auslasskanals bewegen, sondern auf konstanten Kreisbahnen entlang der Innenseite der Abscheideraumwandung verbleiben oder sogar in Richtung des Einlasskanals beschleunigt werden. Durch den dadurch ausbleibenden Abtransport der Schwerfraktion kann es zu einer Stauung der Schwerfraktion in dem Abscheideraum und einem Zusammenbruch der Rotationsströmung kommen.
  • Durch die erfindungsgemäße konische Erweiterung des Abscheideraums wirkt auf die an der Innenseite der Abscheideraumwandung abgeschiedenen Bestandteile der Schwerfraktion eine Komponente der Zentrifugalkraft immer in Richtung des Expansionsraums bzw. des Auslasskanals. Dadurch werden die abgeschiedenen Bestandteile der Schwerfraktion während des Betriebs des Fliehkraftabscheiders in Richtung des Expansionsraums beschleunigt und die Abtransportrate aus dem Abscheideraum in den Expansionsraum signifikant erhöht. Insbesondere werden auf diese Weise die vorstehend genannten, unerwünschten Betriebszustände verhindert.
  • Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass die Abscheidewirkung des Fliehkraftabscheiders trotz der mit der konischen Erweiterung einhergehenden Verlangsamung des Fluids entlang der zentralen Achse erhalten bleibt. Die auftretenden und auf die Schwerfraktion wirkenden Zentrifugalkräfte sind weiterhin ausreichend groß, um eine radiale Beschleunigung der Schwerkraftfraktion zu erreichen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform beträgt ein relativ zu der zentralen Achse gemessener Neigungswinkel der Abscheideraumwandung zwischen 2° und 20°, insbesondere zwischen 2,5° und 15°. Dies stellt den optimalen Winkelbereich dar, bei welchem die Komponente der Zentrifugalkraft groß genug ist, um die dichtere Phase (Schwerfraktion) in Richtung des Expansionsraums zu beschleunigen und gleichzeitig die Ausbildung einer stabilen Rotationsströmung in dem Abscheideraum sowie einer effektiven Abscheidewirkung zu gewährleisten.
  • Besonders bevorzugt erstreckt sich das Tauchrohr über maximal 60% einer entlang der zentralen Achse gemessenen Länge des Abscheideraums. Insbesondere durch eine bodenseitige Begrenzung des Expansionsraums erfährt die Leichtfraktion des mehrphasigen Fluids eine Strömungsumkehr und wird um die zentrale Achse rotierend über das Tauchrohr aus dem Abscheideraum abgeführt. Wenn sich das Tauchrohr über maximal 60% der entlang der zentralen Achse gemessenen Länge des Abscheideraums erstreckt, kann sich durch den Abstand zu der bodenseitigen Begrenzung des Expansionsraums eine besonders stabile Strömungsumkehr ausbilden, wodurch eine besonders effektive Abführung der ersten Fluidphase (Leichtfraktion) gewährleistet ist.
  • Ferner ist es bevorzugt, dass das Verhältnis zwischen einer entlang der zentralen Achse gemessenen Länge des Abscheideraums und eines größten Durchmessers des Abscheideraums zwischen 6:1 und 1:1 beträgt. Dies stellt den Verhältnisbereich dar, in welchem eine möglichst homogene und stabile Rotationsströmung des Fluids erreicht wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Expansionsraum einen zu der zentralen Achse beabstandeten, bodenseitigen Fluidabführungsabschnitt aufweist, der gegenüber einer zu der zentralen Achse senkrechten Orientierung ein schraubengewindeartiges Gefälle aufweist, das die Abführung der zweiten Fluidphase unterstützt.
  • Es ist insbesondere möglich, den Fliehkraftabscheider in einer Konfiguration zu betreiben, in welcher sich die Strömung des Fluids entlang der Schwerkraftrichtung erstreckt (die zentrale Achse ist dabei parallel zu der Schwerkraftrichtung ausgerichtet). Durch ein schraubengewindeartiges Gefälle wirkt auf Bestandteile der Schwerfraktion, welche die bodenseitige Begrenzung des Expansionsraums erreicht haben, eine Komponente der Schwerkraft als Hangabtriebskraft in Richtung des Auslasskanals.
  • Weiter ist es bevorzugt, dass der Auslasskanal einen Bodenabschnitt aufweist, der gegenüber einer zu der zentralen Achse senkrechten Orientierung ein Auslasskanal-Gefälle aufweist, das die Abführung der zweiten Fluidphase unterstützt, insbesondere in Schwerkraftrichtung unterstützt. Durch das Auslasskanal-Gefälle wirkt eine Komponente der Schwerkraft als Hangabtriebskraft auf die an dem Bodenabschnitt angeordneten Bestandteile der Schwerfraktion, wodurch das Abführen der Schwerfraktion unterstützt wird.
  • Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Expansionsraum einen sich kegelstumpfförmig oder pagodenförmig um die zentrale Achse herum erstreckenden, bodenseitigen Fluidführungsabschnitt aufweist. In dem Expansionsraum sind Betriebszustände möglich, bei denen ein Anteil der Schwerfraktion eine stabile Rotation nahe der zentralen Achse ausführt und dadurch den Auslasskanal nicht erreicht. Durch den kegelstumpfförmigen oder pagenförmigen Fluidführungsabschnitt ist um die zentrale Achse eine schräge Fläche ausgebildet, welche den Anteil der Schwerfraktion nach radial außen führt, insbesondere in Richtung des Auslasskanals. Außerdem dient die schräge Fläche dazu, den Anteil der Leichtfraktion nach radial innen zu führen, somit in Richtung der zentralen Achse, entlang welcher sich das Tauchrohr erstreckt. Ferner ist es bevorzugt, dass der Einlasskanal eine bezogen auf die zentrale Achse äußere Begrenzungswand aufweist, welche tangential an einen Abschnitt der Abscheideraumwandung anschließt und/oder dass der Auslasskanal eine bezogen auf die zentrale Achse äußere Begrenzungswand aufweist, welche tangential an einen Abschnitt der Expansionsraumwandung anschließt. Durch die tangential angeordnete äußere Begrenzungswand des Einlasskanals wird das mehrphasige Fluid bereits mit dem Einspeisen in den Abscheideraum zur Rotation entlang der Abscheideraumwandung und um die zentrale Achse gebracht. Die tangential angeordnete Begrenzungswand des Auslasskanals ermöglicht eine besonders effiziente Abführung der Schwerfraktion aus dem Expansionsraum.
  • Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Einlasskanal im Querschnitt rechteckförmig ist und/oder dass der Auslasskanal im Querschnitt rechteckförmig ist. Durch den im Querschnitt rechteckförmigen Einlasskanal kann sich die Rotationsströmung des Fluids bei dem Einspeisen in den Abscheideraum ideal ausbilden. Der im Querschnitt rechteckförmige Auslasskanal ist insbesondere auf die Ausgestaltung des Expansionsraums abgestimmt.
  • Besonders bevorzugt ist ein ringförmiger Übergangsbereich zwischen einem Ende der Abscheideraumwandung und einem den Expansionsraum überdeckenden Begrenzungsabschnitt scharfkantig oder verrundet. Die Schwerfraktion verbleibt nach dem Übergang aus dem Abscheideraum in den Expansionsraum über den Übergangsbereich hinweg in dem Expansionsraum und kann insbesondere nicht zurück in den Abscheideraum gelangen. Die Ausgestaltung des ringförmigen Übergangsbereichs ermöglicht eine Steuerung des Verhaltens der Schwerfraktion bei dem Übergang aus dem Abscheideraum in den Expansionsraum und insbesondere die Steuerung der Verlangsamung der Rotationsbewegung.
  • Weitere Merkmale und Vorteile sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsformen.
  • In der Zeichnung zeigt
    • Fig. 1 eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders;
    • Fig. 2 eine Seitenansicht des Fliehkraftabscheiders gemäß Fig. 1;
    • Fig. 3 eine Draufsicht des Fliehkraftabscheiders gemäß Fig. 1;
    • Fig. 4 eine Seitenansicht des Fliehkraftabscheiders längs einer in Fig. 1 mit IV - IV bezeichneten Schnittebene (zentrale Achse liegt in Schnittebene);
    • Fig. 5 einen in Fig. 4 mit V bezeichneten Ausschnitt einer Abscheideraumwandung in vergrößerter Darstellung;
    • Fig. 6 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines Fliehkraftabscheiders;
    • Fig. 7 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders; und
    • Fig. 8 eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders.
  • Ein Fliehkraftabscheider ist in der Zeichnung insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
  • Der Fliehkraftabscheider 10 weist ein Gehäuse 12 auf, das bezogen auf eine zentrale Achse 14 im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet ist, vergleiche Fig. 1 und Fig. 2. Die zentrale Achse 14 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 16 des Fliehkraftabscheiders 10, an dem eine sich senkrecht zu der zentralen Achse 14 erstreckende Oberseite 18 ausgebildet ist und einem zweiten Ende 20, an dem eine sich senkrecht zu der zentralen Achse 14 erstreckende Bodenseite 22 ausgebildet ist.
  • Das Gehäuse 12 weist eine Abscheideraumwandung 24 auf, welche ausgehend von der Oberseite 18 entlang der zentralen Achse 14 einen Abscheideraum 26 begrenzt, wobei der Abscheideraum 26 eine parallel zu der zentralen Achse 14 gemessene Länge 28 aufweist. Zu dem Abscheideraum 26 versetzt und unmittelbar benachbart entlang der zentralen Achse 14 angeordnet weist das Gehäuse 12 einen Expansionsraum 30 auf. Der Expansionsraum 30 ist durch eine Expansionsraumwandung 32 des Gehäuses 12 sowie durch die Bodenseite 22 des zweiten Endes 20 begrenzt.
  • Der Abscheideraum 26 ist ausgehend von dem ersten Ende 18 sich in Richtung des Expansionsraum 30 konisch erweiternd ausgebildet, d.h. ein senkrecht zu der zentralen Achse 14 gemessener Durchmesser des Abscheideraums 26 nimmt in Richtung des Expansionsraums 30 zu, bis ein größter Durchmesser 34 des Abscheideraums 26 erreicht ist. Die konische Erweiterung des Abscheideraums 26 geht mit einem (negativen) Neigungswinkel 36 der Abscheideraumwandung 24 relativ zu der zentralen Achse 14 einher.
  • Der Abscheideraum 26 mündet an einem ringförmigen Übergangsbereich 38 zu einem den Expansionsraum 26 überdeckenden, ringscheibenförmigen Begrenzungsabschnitt 40. Der Übergangsbereich 38 kann scharfkantig oder verrundet ausgebildet sein.
  • Der Expansionsraum 30 weist einen senkrecht zu der zentralen Achse 14 gemessenen Durchmesser 42 auf. Der Durchmesser 42 des Expansionsraums 30 ist größer als der größte Durchmesser 34 des Abscheideraums 26.
  • Der Abscheideraum 26 ist nahe der Oberseite 18 mit einem Einlasskanal 44 verbunden (vergleiche Fig. 3 und 4). Der Einlasskanal 44 weist vorzugweise einen rechteckigen Querschnitt auf. Eine bezogen auf die zentrale Achse 14 äußere Begrenzungswand 46 des Einlasskanals 44 ist insbesondere tangential an einen Abschnitt 48 der Abscheideraumwandung 24 anschließend ausgebildet, vergleiche Fig. 3.
  • An der Oberseite 18 des Gehäuses 12 ist ein Tauchrohr 50 angeordnet. Das Tauchrohr 50 erstreckt sich entlang der zentralen Achse 14 bis in den Abscheideraum 26 hinein, vergleiche Fig. 4. Eine von dem Abscheideraum 26 aufgenommene Länge 52 des Tauchrohrs 50 ist parallel zu der zentralen Achse 14 gemessen.
  • Der Expansionsraum 30 ist mit einem Auslasskanal 54 verbunden, wobei der Auslasskanal 54 vorzugweise einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Eine bezogen auf die zentrale Achse 14 äußere Begrenzungswand 56 des Auslasskanals 54 ist insbesondere tangential an einen Abschnitt 58 der Expansionsraumwandung 32 anschließend ausgebildet, vergleiche Fig. 3.
  • Während des Betriebs des Fliehkraftabscheiders 10 wird über den Einlasskanal 44 ein mehrphasiges Fluid in den Abscheideraum 26 eingespeist, wobei sich das mehrphasige Fluid insbesondere aus Fluidphasen unterschiedlicher Dichte zusammensetzt (Leichtfraktion und Schwerfraktion).
  • In dem Abscheideraum 26 wird das mehrphasige Fluid entlang einer Innenseite 60 der Abscheideraumwandung 24 geführt, wodurch sich eine Strömung ausbildet, welche sich spiralförmig um die zentrale Achse 14 herum erstreckt und eine Strömungskomponente aufweist, welche in Richtung auf den Expansionsraum 30 weist.
  • Die strömungsbedingten Zentrifugalkräfte bewirken eine nach radial außen gerichtete Beschleunigung insbesondere der Schwerfraktion und die Abscheidung der Schwerfraktion an der Innenseite 60 der Abscheideraumwandung 24.
  • Die Leichtfraktion erfährt in der Nähe der Bodenseite 22 eine Strömungsumkehr und bewegt sich entlang der zentralen Achse 14 in Richtung des Tauchrohrs 50. Über das Tauchrohr 50 wird die Leichtfraktion aus dem Abscheideraum 26 abgeführt.
  • Auf die nach der Abscheidung an der Innenseite 60 der Abscheideraumwandung 24 angeordneten Bestandteile 62 der Schwerfraktion wirkt weiterhin eine radial nach außen gerichtete Zentrifugalkraft 64, vergleiche Fig. 5. Die Zentrifugalkraft 64 weist eine erste Komponente 66 und eine zweite Komponente 68 auf. Die erste Komponente 66 wirkt als Normalkraft auf die Bestandteile 62 der Schwerfraktion und ist senkrecht zu der Innenseite 60 der Abscheideraumwandung 24 ausgerichtet.
  • Die zweite Komponente 68 der Zentrifugalkraft 64 ist parallel zu der Innenseite 60 der Abscheideraumwandung 24 ausgerichtet. Durch die konische Erweiterung des Abscheideraums 26 entlang der zentralen Achse 14 ist die zweite Komponente 68 der Zentrifugalkraft 64 in Richtung des Expansionsraums 30 gerichtet. Dies bewirkt eine Beschleunigung der Bestandteile 62 der Schwerfraktion in Richtung des Expansionsraums 30 und eine erhöhte Abtransportrate aus dem Abscheideraum 26 in den Expansionsraum 30.
  • Der Betrag der zweiten Komponente 68 der Zentrifugalkraft 64 ist von dem Betrag des Neigungswinkels 36 abhängig. Ein gegenüber der zentraler Achse 14 gemessener größerer Neigungswinkel 36 geht dabei mit einer betragsmäßig größeren zweiten Komponente 68 der Zentrifugalkraft 64 einher.
  • Sind die Bestandteile 62 der Schwerfraktion in dem Expansionsraum 30 aufgenommen, verlangsamt sich durch den vergrößerten Durchmesser 42 des Expansionsraums 30 die Rotationsgeschwindigkeit der Schwerfraktion, und die Schwerfraktion wird über den Auslasskanal 54 aus dem Expansionsraum 30 abgeführt, vergleiche bspw. Fig. 1.
  • Es sind Betriebszustände des Fliehkraftabscheiders 10 denkbar, während denen Bestandteile 62 der Schwerfraktion an der Bodenseite 18 angesammelt sind. Dadurch kann die Abführung der Bestandteile 62 der Schwerfraktion aus dem Expansionsraum 30 heraus beeinträchtigt sein.
  • Um die Abführung der Schwerfraktion aus dem Expansionsraum 30 zu verbessern, ist bei einer weiteren Ausführungsform des Fliehkraftabscheiders 10 ein zu der zentralen Achse 14 beabstandeter, bodenseitiger erster Fluidabführungsabschnitt 70 vorgesehen, der gegenüber einer zu der zentralen Achse 14 senkrechten Orientierung ein schraubengewindeartiges Gefälle 72 aufweist, vergleiche Fig. 6.
  • Eine Verbesserung der Abführung der Schwerfraktion kann auch mit einem Bodenabschnitt 74 des Auslasskanals 54 erreicht werden, wobei der Bodenabschnitt 74 gegenüber einer zu der zentralen Achse 14 senkrechten Orientierung ein Auslasskanal-Gefälle 76 aufweist.
  • Es sind auch Betriebszustände denkbar, während denen ein Anteil der Schwerfraktion in dem Expansionsraum 30 und/oder dem Abscheideraum 26 eine stabile Rotation nahe der zentralen Achse 14 ausführt und dadurch den Auslasskanal 54 nicht erreicht. Zur Vermeidung solcher Betriebszustände sind bei weiteren Ausführungsformen des Fliehkraftabscheiders 10 bodenseitige Fluidführungsabschnitte vorgesehen.
  • Beispielsweise ist ein kegelstumpfförmiger Fluidführungsabschnitt 78 vorgesehen, vergleiche Fig. 7, oder ein pagodenförmiger Fluidführungsabschnitt 80, vergleiche Fig. 8. Die Fluidführungsabschnitte 78, 80 erstrecken sich ringförmig um die jeweilige zentrale Achse 14 herum. Die dem Abscheideraum 26 bzw. dem Expansionsraum 30 zugewandten Oberseiten der Fluidführungsabschnitte 78, 80 bilden geneigte Führungsflächen zur Führung der Bestandteile 62 der Schwerfraktion nach radial außen, insbesondere in Richtung des Auslasskanals 54.

Claims (10)

  1. Fliehkraftabscheider (10), mit einem sich entlang einer zentralen Achse (14) erstreckenden Gehäuse (12), das eine Abscheideraumwandung (24) zur Begrenzung eines Abscheideraums (26) aufweist, der durch einen Einlasskanal (44) für mehrphasiges Fluid gespeist ist, wobei zur Abführung einer ersten Fluidphase ein zentrales Tauchrohr (50) und zur Abführung einer zweiten Fluidphase ein Auslasskanal (54) vorgesehen sind, wobei zwischen dem Abscheideraum (26) und dem Auslasskanal (54) ein bezogen auf den Abscheideraum (26) nach radial außen erweiterter Expansionsraum (30) vorgesehen ist, der nach radial außen durch eine Expansionsraumwandung (32) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abscheideraum (26) von dem Einlasskanal (44) ausgehend entlang der zentralen Achse (14) gesehen in Richtung des Expansionsraums (30) konisch erweitert.
  2. Fliehkraftabscheider (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein relativ zu der zentralen Achse (14) gemessener Neigungswinkel (36) der Abscheideraumwandung (24) zwischen 2° und 20°, insbesondere zwischen 2,5° und 15°, beträgt.
  3. Fliehkraftabscheider (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Tauchrohr (50) über maximal 60% einer entlang der zentralen Achse (14) gemessenen Länge (28) des Abscheideraums (26) erstreckt.
  4. Fliehkraftabscheider (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der entlang der zentralen Achse (14) gemessenen Länge (28) des Abscheideraums (26) und eines größten Durchmessers (34) des Abscheideraums (26) zwischen 6:1 und 1:1 beträgt.
  5. Fliehkraftabscheider (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum (30) einen zu der zentralen Achse (14) beabstandeten, bodenseitigen Fluidabführungsabschnitt (70) aufweist, der gegenüber einer zu der zentralen Achse (14) senkrechten Orientierung ein schraubengewindeartiges Gefälle (72) aufweist, das die Abführung der zweiten Fluidphase unterstützt.
  6. Fliehkraftabscheider (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (54) einen Bodenabschnitt (74) aufweist, der gegenüber einer zu der zentralen Achse (14) senkrechten Orientierung ein Auslasskanal-Gefälle (76) aufweist, das die Abführung der zweiten Fluidphase unterstützt.
  7. Fliehkraftabscheider (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Expansionsraum (30) einen sich kegelstumpfförmig oder pagodenförmig um die zentrale Achse (14) herum erstreckenden, bodenseitigen Fluidführungsabschnitt (78) aufweist.
  8. Fliehkraftabscheider (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (44) eine bezogen auf die zentrale Achse (14) äußere Begrenzungswand (46) aufweist, welche tangential an einen Abschnitt (48) der Abscheideraumwandung (24) anschließt und/oder dass der Auslasskanal (54) eine bezogen auf die zentrale Achse (14) äußere Begrenzungswand (56) aufweist, welche tangential an einen Abschnitt (58) der Expansionsraumwandung (32) anschließt.
  9. Fliehkraftabscheider (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasskanal (44) im Querschnitt rechteckförmig ist und/oder dass der Auslasskanal (54) im Querschnitt rechteckförmig ist.
  10. Fliehkraftabscheider (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Übergangsbereich (38) zwischen einem Ende (40) der Abscheideraumwandung (26) und einem den Expansionsraum (30) überdeckenden Begrenzungsabschnitt (42) scharfkantig oder verrundet ist.
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