WO2015058741A1 - Staurohrfördereinrichtung sowie zentrifuge zum trennen von flüssigkeiten mit einem rotor und zumindest einem staurohr - Google Patents

Staurohrfördereinrichtung sowie zentrifuge zum trennen von flüssigkeiten mit einem rotor und zumindest einem staurohr Download PDF

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WO2015058741A1
WO2015058741A1 PCT/DE2014/100373 DE2014100373W WO2015058741A1 WO 2015058741 A1 WO2015058741 A1 WO 2015058741A1 DE 2014100373 W DE2014100373 W DE 2014100373W WO 2015058741 A1 WO2015058741 A1 WO 2015058741A1
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WO
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pitot tube
axis
rotation
pitot
rotor
Prior art date
Application number
PCT/DE2014/100373
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English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Bornstein
Jan Meyer
Dominique THÉVENIN
Original Assignee
Asm Dimatec Deutschland Gmbh
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Publication date
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D1/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D1/12—Pumps with scoops or like paring members protruding in the fluid circulating in a bowl

Definitions

  • the present invention relates to a pitot tube conveying device with at least one feeding line and at least one laxative line and a rotor forming a chamber, which is rotatably driven drivable with a drive about a rotation axis, and with a arranged in the rotor pitot tube or Pitotrohr, which in his the axis of rotation radially spaced, one
  • the invention relates to a centrifuge with a pitot tube conveying device for separating inhomogeneous liquids with a rotor and with at least one pitot tube.
  • Such Pitot tube conveyors are also called pitot pumps, jet pumps,
  • Turbopumps or pumps with a pitotelement known.
  • Conventional pumps according to the pitot tube principle are set in rotation by means of a bearing carrier and a drive coupled thereto.
  • On the opposite side of the hydraulic chamber are fluid connections and sealed by a dynamic seal passage of the pitot tube in the hydraulic chamber.
  • the dynamic seal is aligned with the hydraulic chamber via a housing which surrounds the hydraulic chamber and which is connected to the bearing carrier.
  • pitot tube conveyor has a rotating about a horizontal axis of rotation, serving as a container for a fluid, in particular a liquid, rotor, which is driven at up to 10,000 U / min.
  • the pitot tube or pitot tube is arranged between the axis of rotation and the container inner wall and with an inlet region enclosing the inlet opening tangentially or transversely to the inlet opening Aligned axis of rotation.
  • the liquid to be delivered passes through a feed system into the rotor interior.
  • the liquid is accelerated by the rotor driven at high speed, impinges at a correspondingly high speed into the inlet opening of the pitot tube and then passes through the conduit in the pitot tube into the outlet pipe section. In this case, part of the kinetic energy is converted into an increase in pressure.
  • the inlet opening is located with the greatest possible radial distance from the axis of rotation adjacent to the
  • Delivery rate is determined by the size of the rotational speed and the
  • the invention is therefore based on the object, a pitot tube conveyor of the type mentioned in such a way that thus the pressure losses are substantially reduced. Furthermore, the invention has for its object to provide a equipped with a rotor and a pitot tube centrifuge with improved efficiency.
  • the first object is achieved according to the invention with a pitot tube conveying device according to the features of claim 1.
  • the further embodiment of the invention can be found in the dependent claims.
  • a pitot tube conveying device in which the pitot tube is arranged between the end section having the inlet opening and the outlet tube section at least in sections, a continuously curved, for example crescent-shaped course has. This is by the pipe bends with different or
  • Accelerated fluid entering the pitot tube entering the deflection gradually with initially low deflection angle it does not occur as in the prior art to a substantially turbulent flow or flow stalls, but it is achieved in the ideal case, a laminar flow.
  • higher delivery heads can be realized as a result of the increase in efficiency thus achieved, or significantly reduced drive outputs at comparable delivery levels.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention is also achieved in that the pitot tube is arranged at least partially spaced from a certain plane defined by the axis of rotation.
  • the pitot tube thus runs in a curved course, which initially moves tangentially starting from the axis of rotation.
  • individual pipe regions of the pitot tube extend in different planes, which are spaced parallel to a rotation axis enclosing the plane.
  • the inlet opening can also have a corresponding offset, that is to say be arranged in advance in relation to the rotating flow, or else lie in the plane enclosing the axis of rotation.
  • the pitot tube follows a course free of discontinuities such that the pitot tube encloses a steadily increasing or decreasing inclination with a plane determined by the axis of rotation.
  • the pitot tube is constructed from a sequence of one-piece or integrally connected pipe bends, that is, for example, made from a straight piece of pipe by forming, in particular bending.
  • the pitot tube has a curved course, at least in sections, in the plane determined by the axis of rotation.
  • the pitot tube extends in a plane in which the axis of rotation is, so that the curved course exclusively in axial
  • the pitot tube does not run on the shortest path between the inlet opening and the axis of rotation, resulting in a greater length.
  • the inevitable disturbance of the flow does not concentrate on a single transverse plane to the axis of rotation, but extends with a smaller area over the total axial length of the chamber.
  • an axial distance between the inlet opening and the outlet pipe section may be provided.
  • Pitot tube according to the invention achieved in that the pitot tube at least partially has a slope in the direction of the axis of rotation.
  • the pitot tube thus follows a helical or helical course, so that therefore the inlet opening has an axial distance relative to the outlet pipe section.
  • the pitot tube has a non-rotationally symmetrical outer surface or contour, for example a wing profile with a leading edge and a trailing edge, which are connected by two curved, conformally shaped surfaces.
  • the curved surfaces may for example be symmetrical and shaped so that the liquid can flow along both surfaces largely trouble-free, without causing significant pressure losses.
  • drop-shaped cross-sectional shapes are suitable.
  • the contour can also adapt to the radial distance from the axis of rotation
  • the pitot tube a line section with a circular contour. It can be achieved by a continuous increase in cross-section pressure increase, so that the design of the line can be adapted to the particular circumstances.
  • the pitot tube can also be arranged exchangeably on the pitot tube conveying device.
  • the pitot tube conveyor is not limited to a single pitot tube. Rather, it has already proven to be particularly practical if the pitot tube conveying device has a plurality of pitot tubes arranged uniformly distributed over the circular circumference of the rotor and whose inlet openings are radially spaced from each other.
  • Rotor inner wall surface for example, different, forming within the rotor phases can be supplied separately from each other to a respective outlet. Furthermore, it may also be advantageous if multiple Pitot tubes with a
  • matching distance to the rotor inner wall surface are combined into units and connected to the same outlet pipe section, so that a plurality of inlet openings are arranged distributed within the chamber and thereby possible pressure pulsations are avoided.
  • Each incoming liquid can be supplied to the same outlet pipe section by combining the streams.
  • the rotor is divided in the direction of its axis of rotation into a plurality of successive chambers, wherein a plurality of pitot tubes are arranged in different chambers.
  • a particularly efficient acceleration of the respective sub-volumes is achieved by the separating surfaces, which are arranged in particular in a cross-sectional plane relative to the axis of rotation, and the associated entrainment effect for the liquid.
  • At least one pitot tube is movably adjustable or flexibly mouldable such that the assigned inlet opening can be fixed at different distances from the rotor inner wall surface or the rotation axis.
  • Particularly suitable for this purpose are also such Pitot tubes, which are made up of several contour-connected pipe bends, which are around their
  • common central longitudinal axis can be fixed transversely to the contact plane in different angular positions, so that the changed angular position leads to a radial displacement of the inlet opening.
  • At least one pitot tube has a plurality of radially spaced inlet openings, which each have a separate line within the pitot tube including the end portion and the
  • Outlet pipe section is assigned, wherein the different inlet openings may each have a different distance to the axis of rotation or rotor inner wall surface.
  • the flowed by the liquid contour of the pitot tube is thus significantly reduced compared to several separate Pitot tubes, so that the associated
  • Rotation axis is arranged. As a result, a comparatively simple sealing of the passage along the drive shaft of the rotor is achieved.
  • the rotor is not limited to a cylindrical geometry. Rather, according to a particularly promising variant, the rotor can be conical or conical, at least in sections, so as to achieve additional circulation of the heavy liquid phase in the direction of the axis of rotation.
  • This effect can be advantageously further optimized in conjunction with a vertical axis of rotation by the gravity acting in the direction of the axis of rotation and thereby support the flow, in particular the flow velocity, can be effected in the axial direction.
  • Liquid supply are arranged, which are substantially radially to the
  • prechambers are realized, which separate the pitot tube from the turbulent inlet.
  • the discs are rotatably connected to the rotor and may optionally be fixable in different axial positions.
  • the second object is achieved according to the invention with a centrifuge with several arranged at different radial distances to a rotation axis pitot tubes. This is the first time with the centrifuge according to the invention
  • Multi-phase liquids or multi-fluid can be used by the acting in the rotor high centrifugal forces.
  • the individual phases of different density in the rotor in a simple manner by one or more pitot tubes with a
  • Inlet opening are tapped, which have a different radial distance from the axis of rotation.
  • Fig. 1 is a sectional side view of a centrifuge according to the invention
  • FIG. 2 is an enlarged detail view of the centrifuge shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a variant of the centrifuge shown in FIG. 1 with a different liquid supply;
  • FIG. 4 is an enlarged detailed view of the centrifuge shown in FIG. 3; FIG.
  • Fig. 5 shows a further variant of the centrifuge shown in Figure 1 with axial
  • Liquid supply arranged separating discs
  • Fig. 6 is an enlarged detail view of the centrifuge shown in Fig. 5;
  • FIG. 7 shows a side view of a pitot tube shown in FIGS. 1 to 6;
  • FIG. 8 is a front view of the pitot tube shown in FIG. 7; FIG.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a subdivided into several chambers
  • Fig. 10 in a schematic representation of a rotor with a plurality of chambers, which
  • Fig. 11 shows a further variant of a rotor with two pitot tubes.
  • the centrifuge according to the invention will be explained in more detail below with reference to FIGS.
  • the centrifuge is based on the principle of the pitot tube conveyor 1, in which a
  • a multiphase liquid, a mixture, an emulsion or a solution in a rotor 2 through channels 4 is supplied.
  • the liquid 3 is entrained by the rotating at high speed rotor 2 and thereby accelerated accordingly. This results in strong centrifugal forces, which lead to the separation of the liquid 3 in individual phases I, II, III different densities or in the case of a solution to a strong concentration gradient.
  • the liquid supply takes place as shown in Figure 1 to the phase III, as shown in Figure 3 to the phase II or axially as shown in Figure 5 to the first phase I.
  • the mounted on a hollow shaft rotor 2 is by an electric drive, not shown set in rotation.
  • the centrifuge has two stationary Pitot tubes 5, which are designed so that the respective inlet openings 6 at different intervals are arranged opposite a rotor inner wall surface 7 and a rotation axis 8. This makes it possible, the individual phases I, II, III different density,
  • an oil phase for example, from the inside to the outside an oil phase, an emulsion phase and a
  • the pitot tube 5 does not extend radially between the rotation axis 8 and the inlet opening 6, but at least in sections follows a continuously curved, for example crescent-shaped course, between the end section having the inlet opening 6 and the outlet tube section 9.
  • the pitot tube 5 in the cross-sectional plane to the rotation axis 8 has a curved course.
  • Auslassrohrabites 9 meets the present in the rotor 2 liquid 3 is not frontal, ie orthogonal to the respective Staurohrabites, but at an acute angle. As a result, an undesirable stall or the generation of turbulent
  • the pitot tube 5 is composed of pipe sections of different radii and extends in a cross-sectional plane to the axis of rotation 8, but optionally also in sections in the direction of the axis of rotation 8. Important is the avoidance of points of discontinuity.
  • the pitot tube 5 consists only of a bent pipe section, preferably made of metal.
  • the cross-sectional shape of the pitot tube 5 deviates from the circular shape A for further flow optimization and forms a wing profile with a leading edge 10, which is first flowed in operation by a flow profile of the liquid 3, and a trailing edge 11, which is subsequently impinged during operation. Due to the profiled design of the elliptical cross-section B, C in its basic form, a gradual deflection of the flow with the consequence of reduced flow losses or greater delivery heights is achieved at the same time.
  • the rotor 2 as shown in each case by means of a schematic diagram in FIGS. 9 and 10, can be subdivided in the direction of its axis of rotation 8 into a plurality of chambers 12.
  • the chambers 12 are each connected through openings 13 in parallel, the chambers 12 bounding separating surfaces 14, so that a separate phase of the liquid 3 can flow between the chambers 12.
  • a single pitot tube 15 can be arranged in each chamber 12. Are the openings 13 of the chamber 12 arranged at a small distance from the axis of rotation 8 and the inlet opening 6 of the pitot tube 15 is at a small distance from the
  • Rotor inner wall surface 7 is arranged, in each case the phase of lower density will flow into the next chamber 12 and penetrate this phase through the inlet opening 6 into the pitot tube 15.
  • the liquid 3 is separated again, whereby higher purity levels can be achieved.
  • the remaining remainder of the liquid 3 is also tapped by an additional pitot tube 15 and discharged from the rotor 2 to the outside.
  • a plurality of Pitot tubes 5 can also be arranged in a common housing 16, which extends radially from the channel 4 and has a constant width transversely to the radial main extension, thus the turbulences occurring during the rotation to be kept as low as possible.
  • the inlet openings 6 are spaced from each other on a common straight line which runs parallel to a leading edge 10 of the housing 16.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Staurohrfördereinrichtung (1), bei der eine einströmende Flüssigkeit (3) in einem Rotor (2) durch Kanäle (4) geführt wird. Die Flüssigkeit (3) wird durch den mit hoher Drehzahl rotierenden Rotor (2) mitgenommen und dadurch entsprechend beschleunigt. Dadurch entstehen starke Fliehkräfte, die zur Trennung der Flüssigkeit (3) in einzelne Phasen (I, II, III) mit jeweils unterschiedlicher Dichte führen. Hierzu hat die Staurohrfördereinrichtung (1) zwei stationäre Staurohre (5), die so ausgeführt sind, dass die jeweiligen Eintrittsöffnungen (6) in unterschiedlichen Abständen gegenüber einer Rotorinnenwandfläche (7) bzw. einer Rotationsachse (8) angeordnet sind.

Description

Staurohrfördereinrichtung sowie Zentrifuge zum Trennen von Flüssigkeiten mit einem Rotor und zumindest einem Staurohr
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Staurohrfördereinrichtung mit wenigstens einer zuführenden Leitung und wenigstens einer abführenden Leitung sowie einem eine Kammer bildenden Rotor, welcher mit einem Antrieb um eine Rotationsachse rotationsbeweglich antreibbar verbunden ist, und mit einem in dem Rotor angeordneten Staurohr oder Pitotrohr, welches in seinem zu der Rotationsachse radial beabstandeten, einer
rotationssymmetrischen Rotorinnenwandfläche benachbarten Endabschnitt eine im
Wesentlichen tangential ausgerichtete, zu der Rotorinnenwandfläche beabstandete
Eintrittsöffnung sowie einen der Rotationsachse benachbarten, zu dieser innerhalb des Rotors parallel verlaufenden Auslassrohrabschnitt aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Zentrifuge mit einer Staurohrfördereinrichtung zum Trennen inhomogener Flüssigkeiten mit einem Rotor und mit zumindest einem Staurohr.
Derartige Staurohrfördereinrichtungen sind auch als Pitotpumpen, Jet-Pumpen,
Turbopumpen oder Pumpen mit einem Pitotelement bekannt. Herkömmliche Pumpen nach dem Staurohrprinzip werden mittels eines Lagerträgers und eines hieran gekuppelten Antriebes in Rotation versetzt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Hydraulikkammer befinden sich Fluidanschlüsse sowie die durch eine dynamische Dichtung abgedichtete Durchführung des Staurohres in die Hydraulikkammer. Die dynamische Dichtung wird dabei über ein die Hydraulikkammer umschließendes Gehäuse, welches mit dem Lagerträger verbunden ist, zur Hydraulikkammer hin ausgerichtet.
Eine derartige aus dem Stand der Technik bekannte Staurohrfördereinrichtung hat einen um eine horizontale Rotationsachse rotierenden, als Behälter für ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, dienenden Rotor, der mit bis zu 10.000 U/min angetrieben wird. Das Staurohr oder Pitotrohr ist zwischen der Rotationsachse und der Behälterinnenwandung angeordnet und mit einem die Einlassöffnung einschließenden Einlassbereich tangential bzw. quer zur Rotationsachse ausgerichtet. Dadurch können im Betrieb hohe Drücke erreicht werden. Innerhalb des Rotorinnenraumes sind stationär ein- oder mehrflügelige Staurohre
angeordnet.
Die zu fördernde Flüssigkeit gelangt über ein Zuführsystem in den Rotorinnenraum. Die Flüssigkeit wird durch den mit hoher Drehzahl angetriebenen Rotor beschleunigt, trifft mit entsprechend hoher Geschwindigkeit in die Eintrittsöffnung des Staurohres und gelangt dann durch die Leitung in dem Staurohr in den Auslassrohrabschnitt. Dabei wird ein Teil der kinetischen Energie in eine Druckerhöhung umgewandelt.
Bei den üblichen Staurohrfördereinrichtungen liegt dementsprechend die Eintrittsöffnung mit möglichst großem radialen Abstand von der Rotationsachse benachbart zu der
Rohrinnenwandfläche, um einen möglichst hohen Pumpendruck zu erreichen. Die
Förderleistung wird dabei durch die Größe der Rotationsgeschwindigkeit und den
Durchmesserverlauf der Leitung in dem Staurohr maßgeblich beeinflusst.
Zum Stand der Technik zählen auch bereits solche Staurohrfördereinrichtungen, die mit mehreren Staurohren ausgestattet sind. Die US 3,977,810 A beschreibt eine parallele Anordnung von Staurohren innerhalb des Rotors.
Die US 3,817,446 A beschreibt eine serielle Anordnung von Staurohren in getrennten Rotorräumen.
Als nachteilig bei den bekannten Staurohrfördereinrichtungen erweisen sich die im Betrieb entstehenden Verluste, die sich als Druckverluste bemerkbar machen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Staurohrfördereinrichtung der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass damit die Druckverluste wesentlich reduziert werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine mit einem Rotor und einem Staurohr ausgestattete Zentrifuge mit verbessertem Wirkungsgrad zu schaffen.
Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Staurohrfördereinrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist den Unteransprüchen zu entnehmen.
Erfindungsgemäß ist also eine Staurohrfördereinrichtung vorgesehen, bei der das Staurohr zwischen dem die Eintrittsöffnung aufweisenden Endabschnitt und dem Auslassrohrabschnitt zumindest abschnittsweise einen stetig gekrümmten, beispielsweise sichelförmigen Verlauf aufweist. Hierdurch wird durch das aus Rohrbögen mit unterschiedlichen oder
übereinstimmenden Radien aufgebaute Staurohr eine optimale Anpassung an die im Inneren des Rotors im Betrieb vorherrschenden Strömungsbedingungen erreicht, mit der Folge wesentlich verminderter Druckverluste. Indem nämlich die beim Auftreffen der
beschleunigten Flüssigkeit auf das Staurohr eintretende Umlenkung der Strömung graduell mit zunächst geringem Ablenkwinkel erfolgt, kommt es nicht wie beim Stand der Technik zu einem im Wesentlichen turbulenten Strömungsverlauf oder zu Strömungsabrissen, sondern es wird im Idealfall eine laminare Strömung erreicht. In der Folge sind durch die so erzielte Wirkungsgradsteigerung neben den verminderten Strömungsverlusten höhere Förderhöhen realisierbar bzw. bei vergleichbaren Förderhöhen deutlich verminderte Antriebsleistungen ausreichend.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird dabei auch dadurch erreicht, dass das Staurohr zumindest abschnittsweise beabstandet von einer durch die Rotationsachse bestimmten Ebene verlaufend angeordnet ist. Das Staurohr verläuft somit in einem gebogenen Verlauf, der sich ausgehend von der Rotationsachse zunächst tangential verlagert. Somit verlaufen also einzelne Rohrbereiche des Staurohres in verschiedenen Ebenen, die zu einer die Rotationsachse einschließenden Ebene parallel beabstandet sind. Dadurch kann auch die Eintrittsöffnung einen entsprechenden Versatz aufweisen, also insbesondere voreilend in Bezug auf die rotierende Strömung angeordnet sein, oder aber in der die Rotationsachse einschließenden Ebene liegen.
Vorzugsweise folgt das Staurohr einem Verlauf frei von Sprungstellen derart, dass das Staurohr mit einer durch die Rotationsachse bestimmten Ebene eine stetig zunehmende oder abnehmende Neigung einschließt. Hierzu ist das Staurohr aus einer Folge einteilig bzw. einstückig verbundener Rohrbögen aufgebaut, also beispielsweise aus einem geraden Rohrstück durch Umformung, insbesondere Biegen, hergestellt.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Staurohr zumindest abschnittsweise in der durch die Rotationsachse bestimmten Ebene einen gekrümmten Verlauf auf. Somit verläuft das Staurohr in einer Ebene, in welcher auch die Rotationsachse liegt, sodass sich der gebogene Verlauf ausschließlich in axialer
Richtung erstreckt. Hierdurch verläuft das Staurohr nicht auf dem kürzesten Weg zwischen der Eintrittsöffnung und der Rotationsachse, sodass sich eine größere Länge ergibt. Dadurch konzentriert sich die unvermeidliche Störung der Strömung nicht auf eine einzige Querebene zu der Rotationsachse, sondern erstreckt sich mit jeweils geringerer Fläche über die gesamte axiale Länge der Kammer. Dabei kann bedarfsweise auch ein axialer Abstand zwischen der Eintrittsöffnung und dem Auslassrohrabschnitt vorgesehen sein.
Demgegenüber wird eine besonders Erfolg versprechende Abwandlung der
erfindungsgemäßen Staurohrfördereinrichtung dadurch erreicht, dass das Staurohr zumindest abschnittsweise eine Steigung in Richtung der Rotationsachse aufweist.
Das Staurohr folgt somit einem helixförmigen bzw. schneckenförmigen Verlauf, sodass also die Eintrittsöffnung einen axialen Abstand gegenüber dem Auslassrohrabschnitt aufweist.
Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, wenn das Staurohr eine nicht rotationssymmetrische Außenfläche oder Kontur, beispielsweise ein Flügelprofil mit einer Anströmkante und einer Abströmkante aufweist, die durch zwei gewölbte, übereinstimmend geformte Flächen verbunden sind. Dabei können die gewölbten Flächen beispielsweise symmetrisch ausgeführt und derart geformt sein, dass die Flüssigkeit weitgehend störungsfrei an beiden Flächen entlangfließen kann, ohne dass es zu wesentlichen Druckverlusten kommt. Hierzu eignen sich beispielsweise auch tropfenförmige Querschnittsformen. Die Kontur kann auch in Abhängigkeit des radialen Abstandes von der Rotationsachse zur Anpassung an
unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten unterschiedlich beschaffen sein.
Unabhängig von der jeweiligen Außenkontur schließt gemäß einer bevorzugten Variante das Staurohr einen Leitungsabschnitt mit kreisförmiger Kontur ein. Dabei kann durch eine stetige Querschnittserhöhung eine Druckerhöhung erreicht werden, sodass die Gestaltung der Leitung an die jeweiligen Umstände angepasst werden kann.
Darüber hinaus kann das Staurohr auch austauschbar an der Staurohrfördereinrichtung angeordnet sein.
Die Staurohrfördereinrichtung ist nicht auf ein einziges Staurohr beschränkt. Vielmehr hat es sich bereits als besonders praxisgerecht erwiesen, wenn die Staurohrfördereinrichtung mehrere über den kreisförmigen Umfang des Rotors gleichverteilt angeordnete Staurohre aufweist, deren Eintrittsöffnungen zueinander radial beabstandet sind. Indem die
Eintrittsöffnungen der verschiedenen Staurohre unterschiedliche Abstände zu der
Rotorinnenwandfläche aufweisen, können beispielsweise unterschiedliche, sich innerhalb des Rotors ausbildende Phasen getrennt voneinander einem jeweiligen Auslass zugeführt werden. Weiterhin kann es auch von Vorteil sein, wenn mehrere Staurohre mit einem
übereinstimmenden Abstand zu der Rotorinnenwandfläche zu Einheiten zusammengefasst und mit demselben Auslassrohrabschnitt verbunden sind, sodass mehrere Eintrittsöffnungen verteilt innerhalb der Kammer angeordnet sind und dadurch mögliche Druckpulsationen vermieden werden. Die jeweils eintretende Flüssigkeit kann demselben Auslassrohrabschnitt zugeführt werden, indem die Ströme vereint werden.
Bei einer anderen, ebenfalls besonders praxisgerechten Ausgestaltung der Erfindung ist der Rotor in Richtung seiner Rotationsachse in mehrere aufeinanderfolgende Kammern unterteilt, wobei mehrere Staurohre in verschiedenen Kammern angeordnet sind. Hierdurch wird eine besonders effiziente Beschleunigung der jeweiligen Teilvolumina durch die insbesondere in einer Querschnittsebene zu der Rotationsachse angeordneten Trennflächen und den damit verbundenen Mitnahmeeffekt für die Flüssigkeit erreicht.
Bei einer anderen besonders zweckmäßigen Abwandlung der Erfindung ist zumindest ein Staurohr derart beweglich einstellbar oder flexibel formbar ausgeführt, dass die zugeordnete Eintrittsöffnung mit unterschiedlichen Abständen gegenüber der Rotorinnenwandfläche bzw. der Rotationsachse festlegbar ist. Hierzu eignen sich vor allem auch solche Staurohre, die aus mehreren konturbündig verbundenen Rohrbögen aufgebaut sind, die um ihre
gemeinsame Mittellängachse quer zur Kontaktebene in unterschiedlichen Winkelstellungen festlegbar sind, sodass die geänderte Winkelstellung zu einer radialen Verlagerung der Eintrittsöffnung führt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Gestaltung hat zumindest ein Staurohr mehrere zueinander radial beabstandete Eintrittsöffnungen, denen jeweils eine separate Leitung innerhalb des Staurohres einschließlich des Endabschnittes sowie des
Auslassrohrabschnittes zugeordnet ist, wobei die verschiedenen Eintrittsöffnungen jeweils zu der Rotationsachse oder Rotorinnenwandfläche einen unterschiedlichen Abstand aufweisen können. Die von der Flüssigkeit angeströmte Kontur des Staurohres ist somit im Vergleich zu mehreren separaten Staurohren deutlich reduziert, sodass die damit verbundenen
Strömungsverluste vermindert sind.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Auslassrohrabschnitt konzentrisch zu der
Rotationsachse angeordnet ist. Hierdurch wird eine vergleichsweise einfache Abdichtung der Durchführung entlang der Antriebswelle des Rotors erreicht. Dabei ist der Rotor nicht auf eine zylindrische Geometrie beschränkt. Vielmehr kann der Rotor gemäß einer besonders vielversprechenden Variante zumindest abschnittsweise kegelförmig bzw. konisch ausgeführt sein, um so eine zusätzliche Zirkulation der schweren Flüssigkeitsphase in Richtung der Rotationsachse zu erreichen.
Dieser Effekt kann vorteilhaft auch in Verbindung mit einer vertikalen Rotationsachse weiter optimiert werden, indem die Schwerkraft in Richtung der Rotationsachse wirkt und dadurch eine Unterstützung der Strömung, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, in axialer Richtung bewirkt werden kann.
Wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung in Richtung der Rotationsachse eine oder mehrere aufeinanderfolgende Scheiben zwischen dem Staurohr und einer
Flüssigkeitszuführung angeordnet sind, die sich im Wesentlichen radial zu der
Rotationsachse erstrecken, werden Vorkammern realisiert, welche das Staurohr von dem turbulenten Einlass trennen. Die Scheiben sind mit dem Rotor drehfest verbunden und können gegebenenfalls in unterschiedlichen axialen Positionen festlegbar sein.
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß noch mit einer Zentrifuge mit mehreren in unterschiedlichen radialen Abständen zu einer Rotationsachse angeordneten Staurohren gelöst. Hierdurch wird mit der erfindungsgemäßen Zentrifuge erstmals eine
Pumpenzentrifuge nach dem Prinzip einer Staurohrfördereinrichtung realisiert, die in besonders effizienter Weise zum Trennen von inhomogenen Flüssigkeiten,
Mehrphasenflüssigkeiten oder Mehrstoffflüssigkeiten durch die im Rotor wirkenden hohen Zentrifugalkräfte genutzt werden kann. Dabei können die einzelnen Phasen unterschiedlicher Dichte in dem Rotor in einfacher Weise durch ein oder mehrere Staurohre mit einer
Eintrittsöffnung abgegriffen werden, die einen unterschiedlichen radialen Abstand von der Rotationsachse aufweisen.
Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Zentrifuge
mit zwei Staurohren;
Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung der in Figur 1 gezeigten Zentrifuge; Fig. 3 eine Variante der in Figur 1 gezeigten Zentrifuge mit abweichender Flüssigkeitszuführung;
Fig. 4 eine vergrößerte Detaildarstellung der in Figur 3 gezeigten Zentrifuge;
Fig. 5 eine weitere Variante der in Figur 1 gezeigten Zentrifuge mit axialer
Flüssigkeitszuführung und zwei zwischen den Staurohren und der
Flüssigkeitszuführung angeordneten Trennscheiben;
Fig. 6 eine vergrößerte Detaildarstellung der in Figur 5 gezeigten Zentrifuge;
Fig. 7 eine Seitenansicht eines in den Figuren 1 bis 6 gezeigten Staurohres;
Fig. 8 eine Vorderansicht des in Figur 7 gezeigten Staurohres;
Fig. 9 in einer Prinzipdarstellung einen in mehrere Kammern unterteilten
Rotor mit zwei Staurohren;
Fig. 10 in einer Prinzipdarstellung einen Rotor mit mehreren Kammern, denen
jeweils ein Staurohr zugeordnet ist;
Fig. 11 eine weitere Variante eines Rotors mit zwei Staurohren.
Die erfindungsgemäße Zentrifuge wird nachstehend anhand der Figuren näher erläutert. Die Zentrifuge basiert auf dem Prinzip der Staurohrfördereinrichtung 1 , bei der eine
einströmende Flüssigkeit 3, eine Mehrphasenflüssigkeit, ein Gemisch, eine Emulsion oder eine Lösung in einem Rotor 2 durch Kanäle 4 zugeführt wird. Die Flüssigkeit 3 wird durch den mit hoher Drehzahl rotierenden Rotor 2 mitgenommen und dadurch entsprechend beschleunigt. Dadurch entstehen starke Fliehkräfte, die zur Trennung der Flüssigkeit 3 in einzelne Phasen I, II, III unterschiedlicher Dichten oder im Falle einer Lösung zu einem starken Konzentrationsgefälle führen. Die Flüssigkeitszuführung erfolgt dabei wie in Figur 1 gezeigt zu der Phase III, wie in Figur 3 gezeigt zu der Phase II oder axial wie in Figur 5 gezeigt zu der ersten Phase I. Der auf einer Hohlwelle gelagerte Rotor 2 wird durch einen nicht gezeigten elektrischen Antrieb in Rotation versetzt.
Wie in den Figuren 1 bis 6 dargestellt, hat die Zentrifuge zwei stationäre Staurohre 5, die so ausgeführt sind, dass die jeweiligen Eintrittsöffnungen 6 in unterschiedlichen Abständen gegenüber einer Rotorinnenwandfläche 7 bzw. einer Rotationsachse 8 angeordnet sind. Dadurch wird es möglich, die einzelnen Phasen I, II, III unterschiedlicher Dichte,
beispielsweise von innen nach außen eine Ölphase, eine Emulsionsphase und eine
Wasserphase, zu trennen und durch das jeweilige, sich mit seiner Eintrittsöffnung 6 in diese Phase I, II, III erstreckende Staurohr 5 aufzufangen sowie separat einem jeweiligen
Auslassrohrabschnitt 9 zur Ableitung zuzuführen. Im Falle einer Lösung werden mit den verschiedenen Staurohren 5 Lösungen unterschiedlicher Konzentration abgegriffen. Zum besseren Verständnis wurde in den Figuren 1 bis 6 auf die Darstellung weiterer Staurohre verzichtet, die selbstverständlich beliebig ergänzt werden können.
Wie in den Figuren 7 und 8 zu erkennen, erstreckt sich das Staurohr 5 zwischen der Rotationsachse 8 und der Eintrittsöffnung 6 nicht radial, sondern folgt zwischen dem die Eintrittsöffnung 6 aufweisenden Endabschnitt und dem Auslassrohrabschnitt 9 zumindest abschnittsweise einem stetig gekrümmten, beispielsweise sichelförmigen Verlauf.
Insbesondere hat das Staurohr 5 in der Querschnittsebene zu der Rotationsachse 8 einen gekrümmten Verlauf. Durch diese optimierte Formgebung des Staurohres 5 und den stetig gebogenen Verlauf des Staurohres 5 zwischen der Eintrittsöffnung 6 und dem
Auslassrohrabschnitt 9 trifft die in dem Rotor 2 vorhandene Flüssigkeit 3 nicht frontal, also orthogonal auf den jeweiligen Staurohrabschnitt, sondern in einem spitzen Winkel. Dadurch werden ein unerwünschter Strömungsabriss bzw. die Erzeugung von turbulenten
Strömungen vermieden und der Wirkungsgrad wesentlich verbessert.
Zu diesem Zweck ist das Staurohr 5 aus Rohrabschnitten unterschiedlicher Radien zusammengesetzt und erstreckt sich in einer Querschnittsebene zu der Rotationsachse 8, gegebenenfalls aber auch abschnittsweise in Richtung der Rotationsachse 8. Wichtig ist dabei die Vermeidung von Unstetigkeitsstellen. Bei der dargestellten einfachen Variante besteht das Staurohr 5 lediglich aus einem gebogenen Rohrabschnitt, vorzugsweise aus Metall.
Die Querschnittsform des Staurohres 5 weicht zur weiteren Strömungsoptimierung von der Kreisform A ab und bildet ein Flügelprofil mit einer Anströmkante 10, die im Betrieb von einem Strömungsprofil der Flüssigkeit 3 zuerst angeströmt wird, und einer Abströmkante 11 , die im Betrieb nachfolgend angeströmt wird. Durch die profilierte Gestaltung des in seiner Grundform elliptischen Querschnittes B, C wird zugleich auch eine graduelle Umlenkung der Strömung mit der Folge verminderter Strömungsverluste bzw. größerer Förderhöhen erreicht. Zusätzlich kann der Rotor 2, wie dies jeweils anhand einer Prinzipdarstellung in den Figuren 9 und 10 dargestellt ist, in Richtung seiner Rotationsachse 8 in mehrere Kammern 12 unterteilt sein. Die Kammern 12 werden jeweils durch Öffnungen 13 in parallelen, die Kammern 12 begrenzenden Trennflächen 14 verbunden, sodass eine getrennte Phase der Flüssigkeit 3 zwischen den Kammern 12 überströmen kann. Wie in der Figur 10 dargestellt kann in jeder Kammer 12 jeweils ein einziges Staurohr 15 angeordnet sein. Sind die Öffnungen 13 der Kammer 12 mit geringem Abstand zu der Rotationsachse 8 angeordnet und ist die Eintrittsöffnung 6 des Staurohres 15 mit geringem Abstand zu der
Rotorinnenwandfläche 7 angeordnet, wird jeweils die Phase geringerer Dichte in die nächste Kammer 12 überströmen und diese Phase durch die Eintrittsöffnung 6 in das Staurohr 15 eindringen. In jeder Kammer 12 wird die Flüssigkeit 3 erneut getrennt, wodurch höhere Reinheitsgrade erreicht werden können. In der letzten Kammer 12 wird ebenfalls durch ein zusätzliches Staurohr 15 der verbleibende Rest der Flüssigkeit 3 abgegriffen und aus dem Rotor 2 nach außen abgeleitet.
Entsprechend einer weiteren, in Figur 1 1 gezeigten Variante, können mehrere Staurohre 5 auch in einem gemeinsamen Gehäuse 16 angeordnet sein, welches sich von dem Kanal 4 radial erstreckt und eine konstante Breite quer zur radialen Haupterstreckung aufweist, um so die bei der Rotation auftretenden Verwirbelungen so gering wie möglich zu halten. Die Eintrittsöffnungen 6 liegen dabei beabstandet zueinander auf einer gemeinsamen Geraden, die parallel zu einer Anströmkante 10 des Gehäuses 16 verläuft.

Claims

PATE N TAN SP RÜ C H E
1. Staurohrfördereinrichtung (1) mit wenigstens einer zuführenden Leitung und wenigstens einer abführenden Leitung sowie einem zumindest eine Kammer einschließenden Rotor (2), welcher mit einem Antrieb um eine Rotationsachse (8) rotationsbeweglich antreibbar verbunden ist, und mit zumindest einem in dem Rotor (2) stationär angeordneten Staurohr (5), welches in seinem zu der Rotationsachse (8) radial beabstandeten, einer
rotationssymmetrischen Rotorinnenwandfläche (7) benachbarten Endabschnitt eine im Wesentlichen tangential ausgerichtete Eintrittsöffnung (6) sowie einen der Rotationsachse (8) benachbarten Auslassrohrabschnitt (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) zwischen dem die Eintrittsöffnung (6) aufweisenden Endabschnitt und dem Auslassrohrabschnitt (9) zumindest abschnittsweise einen stetig gekrümmten Verlauf aufweist.
2. Staurohrfördereinrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) zumindest abschnittsweise beabstandet von einer durch die Rotationsachse (8) bestimmten Ebene verlaufend angeordnet ist.
3. Staurohrfördereinrichtung (1) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) mit einer durch die Rotationsachse (8) bestimmten Ebene eine stetig zunehmende oder abnehmende Neigung einschließt.
4. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) zumindest abschnittsweise in der durch die Rotationsachse (8) bestimmten Ebene einen gekrümmten Verlauf aufweist.
5. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) zumindest abschnittsweise eine Steigung in Richtung der Rotationsachse (8) aufweist.
6. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) eine nicht rotationssymmetrische
Außenfläche und/oder Kontur aufweist.
7. Staurohrfördereinrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) ein Flügelprofil mit einer Anströmkante (10) und einer Abströmkante (11) aufweist, die durch zwei gewölbte Flächen verbunden sind.
8. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) einen Leitungsabschnitt mit kreisförmiger Kontur, insbesondere mit konstantem Querschnitt einschließt.
9. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) einen Leitungsabschnitt mit einer kreisförmigen und/oder elliptischen Querschnittsform hat, wobei die elliptischen Querschnitte insbesondere unterschiedliche Querschnittsflächen aufweisen.
10. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Staurohr (5) eine zumindest abschnittsweise elliptische Querschnittsform aufweist, wobei die Hauptachsen der elliptischen Querschnitte entlang der Haupterstreckung zwischen einem Auslassrohrabschnitt (9) und der Eintrittsöffnung (6) bezogen auf die Längsachse unterschiedliche Winkelpositionen einnehmen.
11. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Staurohrfördereinrichtung (1) mehrere stationär angeordnete Staurohre (5) aufweist, deren Eintrittsöffnungen (6) zueinander radial beabstandet sind.
12. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Staurohre (5) mit übereinstimmendem Abstand zu der Rotorinnenwandfläche (7) zu Einheiten zusammengefasst und mit demselben
Auslassrohrabschnitt (9) verbunden sind.
13. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) in Richtung seiner Rotationsachse (8) in mehrere aufeinanderfolgende Kammern (12) unterteilt ist und dass mehrere Staurohre (5) in verschiedenen Kammern (12) angeordnet sind.
14. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Rotationsachse (8) eine oder mehrere aufeinanderfolgende Scheiben zwischen dem Staurohr (5) und einer Flüssigkeitszuführung angeordnet sind, die sich im Wesentlichen radial zu der Rotationsachse (8) erstrecken.
15. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass entlang einer zu der Rotationsachse (8) parallelen Einlassachse in den Rotor (2) erfolgt.
16. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) durch zumindest eine zu der Rotationsachse (8) helixförmige bzw. schraubenförmige Trennwand in mehrere in Richtung der
Rotationsachse (8) aufeinanderfolgende Kammern (12) unterteilt ist.
17. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Staurohr (5) derart beweglich einstellbar oder flexibel formbar ausgeführt ist, dass die zugeordnete Eintrittsöffnung (6) mit unterschiedlichen Abständen gegenüber der Rotorinnenwandfläche (7) bzw. der
Rotationsachse (8) festlegbar ist.
18. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Staurohr (5) mehrere zueinander radial beabstandete Eintrittsöffnungen (6) aufweist, denen jeweils eine separate Leitung innerhalb des Staurohres (5) einschließlich des Endabschnittes sowie des Auslassrohrabschnittes (9) zugeordnet ist.
19. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassrohrabschnitt (9) konzentrisch zu der
Rotationsachse (8) angeordnet ist.
20. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (2) zumindest abschnittsweise kegelförmig ausgeführt ist.
21. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung der Flüssigkeit (3) in eine sich im Betrieb der Staurohrfördereinrichtung (1) ausbildende Mischphase (II) erfolgt.
22. Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationsachse (8) vertikal angeordnet ist.
23. Eine mit mehreren einen unterschiedlichen radialen Abstand zu einer Rotationsachse (8) aufweisenden Staurohren (5) ausgestattete Zentrifuge mit einer Staurohrfördereinrichtung (1) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche.
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