DE10163924A1

DE10163924A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Separieren einer Verunreinigung aus einem Trägerfluid

Info

Publication number: DE10163924A1
Application number: DE2001163924
Authority: DE
Inventors: Thomas Lenz; Hartmut Sauter
Original assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Current assignee: Mahle Filtersysteme GmbH
Priority date: 2001-12-22
Filing date: 2001-12-22
Publication date: 2003-07-03

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Separieren einer partikel- oder tröpfchenförmigen Verunreinigung aus einem Trägerfluid, DOLLAR A - bei dem das mit der Verunreinigung beladene Trägerfluid tangential in einen Ringraum eingeleitet wird, DOLLAR A - bei dem im Ringraum ein radial durchströmbarer Rotor rotiert, DOLLAR A - bei dem der Rotor einen zentralen Kanal enthält, DOLLAR A - bei dem das von der Verunreinigung befreite Trägerfluid aus dem Kanal abgeführt wird, DOLLAR A - bei dem die separierte Verunreinigung aus dem Ringraum abgeführt wird, DOLLAR A - bei dem eine Eintrittsgeschwindigkeit der Einlassströmung und eine Umfangsgeschwindigkeit des Rotors so aufeinander abgestimmt sind, dass die Eintrittsgeschwindigkeit zumindest am Umfang gleich groß wie oder größer als die Umfangsgeschwindigkeit ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Separieren einer partikel- oder tröpfchenförmigen Verunreinigung aus einem Trägerfluid. Die Erfindung betrifft außerdem einen von einem Fluid durchströmbaren aktiven Trägheitsseparator sowie ein Betriebsverfahren für einen solchen Trägheitsseparator.

Trägheitsseparatoren können beispielsweise dazu verwendet werden, bei einer Kurbelgehäuseentlüftung einer Brennkraftmaschine Öl bzw. Ölnebel aus den Blow-By-Gasen auszuscheiden, die aus dem Kurbelgehäuse abgeführt werden. Ebenso ist es möglich, mit einem derartigen Trägheitsseparator Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte voneinander zu trennen; des weiteren können staubartige Verunreinigungen aus einer Abluftströmung entfernt werdet. Ebenso ist es mit einem Trägheitsseparator grundsätzlich möglich, aus einer Suspension oder aus einer Emulsion den in die Trägerflüssigkeit eingebrachten festen bzw. flüssigen Fremdstoff auszuscheiden. Bei einem aktiven Trägheitsseparator wird von außen Energie zugeführt, um beispielsweise einen Rotor des Trägheitsseparators anzutreiben.

Üblicherweise besitzt ein Trägheitsseparator, z. B. ein Teller- oder Plattenseparator, einen radial von außen nach innen durchströmbaren Rotor, der in seinem Inneren einen zentralen Kanal enthält. Dieser Rotor ist in einem Gehäuse des Trägheitsseparators rotierend antreibbar gelagert. Im Gehäuse ist außerdem ein Ringraum ausgebildet, der den Rotor radial außen umhüllt. Über einen mit dem Ringraum kommunizierenden Einlass ist das mit der Verunreinigung beladene Trägerfluid zuführbar. Über einen mit dem Kanal kommunizierenden ersten Auslass ist das von der Verunreinigung befreite Trägerfluid abführbar. Über einen mit dem Ringraum kommunizierenden zweiten Auslass ist die separierte Verunreinigung abführbar.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für das Separieren einer partikel- oder tröpfchenförmigen Verunreinigung aus einem Trägerfluid mittels eines Trägheitsseparators Möglichkeiten aufzuzeigen, mit deren Hilfe die Separation besonders kleiner Verunreinigungen erreichbar ist.

Dieses Problem wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, das mit der Verunreinigung beladene Trägerfluid tangential in den Ringraum einzuleiten, derart, dass bei der so ausgebildeten Einlassströmung eine Eintrittsgeschwindigkeit zumindest am Umfang des Rotors gleich groß wie oder größer als eine Umfangsgeschwindigkeit des Rotors ist. Es hat sich gezeigt, dass mit Hilfe dieser Maßnahme die Separationswirkung besonders groß ist, so dass auch bei relativ kleinen Rotationsgeschwindigkeiten des Rotors besonders gute Reinigungswirkungen erzielbar sind. Die Erfindung nutzt hierbei die Erkenntnis, dass zumindest dann, wenn die Eintrittsgeschwindigkeit der Einlassströmung am Umfang des Rotors größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors, Corioliskräfte entstehen, welche die Separierung der Verunreinigung vom Trägerfluid unterstützen. Je nach gewählter Relativgeschwindigkeit zwischen Einlassströmung und Rotorumfang kann die Separationswirkung des Trägheitsseparators beträchtlich gesteigert werden. Die Erfindung kann insbesondere auch bei bereits installierten, vorhandenen Trägheitsseparatoren realisiert werden, indem gegebenenfalls der Einlass entsprechend modifiziert wird, der Volumenstrom der Einlassströmung und/oder die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors entsprechend angepasst werden.

Von besonderem Interesse ist die Erfindung für die Separation von Öl oder Ölnebel aus Blow-By-Gasen, die bei einer Brennkraftmaschine aus deren Kurbelgehäuse abgesaugt werden. Des weiteren ist die Anwendung der Erfindung bei der Reinigung von Abgasen, beispielsweise für Rauchgasreinigungsanlagen, von besonderem Vorteil, da der Trägheitsseparator dort mit einer konstanten Rotordrehzahl und mit einem konstanten Einlassvolumenstrom betrieben werden kann. Dementsprechend können Einlassvolumenstrom und Rotordrehzahl hinsichtlich Eintrittsgeschwindigkeit am Rotorumfang und Rotorumfangsgeschwindigkeit optimal aufeinander abgestimmt werden.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder funktional gleiche oder ähnliche Bauteile beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch,
Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Trägheitsseparator nach der Erfindung und
Fig. 2 einen stark vereinfachten Querschnitt durch den Trägheitsseparator entsprechend den Schnittlinien II in Fig. 1.
Entsprechend Fig. 1 ist ein aktiver Trägheitsseparator 1 beispielsweise als sogenannter Teller- oder Plattenseparator ausgebildet; dieser Plattenseparator wird im Folgenden ebenfalls mit 1 bezeichnet. Der Plattenseparator 1 besitzt ein feststehendes, also nicht rotierendes Gehäuse 2, in dem ein Rotor 3 drehbar gelagert ist. Der Rotor 3 umfasst eine Rotorwelle 4, die beispielsweise bei 5 mit einem Treibriemen oder dergleichen antreibbar ist. Hierdurch ist der Rotor 3 um eine Rotationsachse 6 rotierend antreibbar. Da es sich um einen Platten- oder Tellerseparator 1 handelt, trägt der Rotor 3 mehrere tellerförmige Platten 7, die hier zur Vergrößerung ihrer Oberfläche konisch geformt sind. Grundsätzlich können aber auch ebene Platten 7 verwendet werden. Die Platten 7 sind in Achsrichtung des Rotors 3 geschichtet angeordnet, wobei zwischen benachbarten Platten 7 Abstände oder Strömungswege ausgebildet sind, so dass der Rotor 3 radial, insbesondere von außen nach innen, durchströmbar ist. Der Rotor 3 enthält in seinem Inneren einen Kanal 8, der hier ringförmig oder hülsenförmig ausgebildet ist. Der Kanal 8 führt zu einem Radialgebläse 9, das ebenfalls von der Welle 4 angetrieben ist bzw. fest daran angebracht ist. Das Radialgebläse 9 fördert in einen Auslassraum 10, der mit einem ersten Auslass 11 des Tellerseparators 1 verbunden ist. Dementsprechend kommuniziert dieser erste Auslass 11 über den Auslassraum 10 und das Radialgebläse 9 mit dem Kanal 8 des Rotors 3.
Im Gehäuse 2 ist außerdem ein Ringraum 12 ausgebildet, der den Rotor 3 radial außen umhüllt. An diesen Ringraum 12 ist ein Einlass 13 des Tellerseparators 1 angeschlossen. Des weiteren weist der Tellerseparator 1 einen zweiten Auslass 14 auf, der mit dem Ringraum 12 verbunden ist und zweckmäßig axial in den Ringraum 12 einmündet.
Der Tellerseparator 1 funktioniert wie folgt:
Über den Einlass 13 ist ein mit einer Verunreinigung beladenes Trägerfluid in den Ringraum 12 einleitbar. Bei diesem Trägerfluid handelt es sich beispielsweise um ein Blow-By- Gas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, das aus einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine abgeführt wird. Bei der Verunreinigung handelt es sich dann vorzugsweise um Öl oder Ölnebel, den das Blow-By-Gas mit sich führt. Ebenso ist es möglich, dass das Trägerfluid durch eine Flüssigkeit gebildet wird, in der flüssige oder feste Verunreinigungen enthalten sind. Beispielsweise kann ein zur Kühlung und/oder Schmierung dienendes Öl mit Wasser und/oder mechanischem Abrieb verunreinigt sein. Des weiteren kann Abluft als Trägerfluid für Rauch oder Staub dienen.
Die zugeführte Einlassströmung strömt vom Ringraum 12 radial durch den Rotor 3 bis zum Kanal 8. Da der Rotor 3 im Betrieb des Plattenseparators 3 rotiert, greifen bei der Durchströmung des Rotors 3 Zentrifugalkräfte am Trägerfluid und an den mitgeführten Verunreinigungen an. Sofern die Verunreinigungen eine größere Massenträgheit, also insbesondere eine größere Dichte, aufweisen als das Trägerfluid, werden die Verunreinigungen durch die Rotation des Rotors 3 radial nach außen transportiert, wodurch sie wieder in den Ringraum 12 zurückgefördert werden bzw. darin verbleiben. Im Unterschied dazu kann das Trägerfluid den Rotor 3 durchströmen und gelangt vom Kanal 8 über das Gebläse 9 in den Auslassraum 10. Über den ersten Auslass 11 kann das von den Verunreinigungen befreite Trägerfluid aus dem Tellerseparator 1 abgeführt werden.
Die im Ringraum 12 zurückbleibenden Verunreinigungen sammeln sich im Ringraum 12. Durch eine entsprechende räumliche Anordnung des Tellerseparators 1 können die Verunreinigungen, z. B. ausgeschiedenes Öl, über den zweiten Auslass 14 aus dem Ringraum 12 abgeführt werden.
Entsprechend Fig. 2 ist der Einlass 13 so am Gehäuse 2 angeordnet und außerdem so ausgestaltet, dass die durch einen Pfeil 15 symbolisierte Einlassströmung bezüglich des Rotors 3 tangential in den Ringraum 12 eintritt. Von besonderer Bedeutung ist hierbei, dass die Einleitung der Einlassströmung 15 gleichsinnig zur Rotation des Rotors 3 erfolgt, die in Fig. 2 durch einen Pfeil 16 symbolisiert ist. Da es sich beim Gehäuse 2 um eine feststehende Wand handelt, bildet sich, insbesondere durch die Strömungsumlenkung, ein Geschwindigkeitsprofil aus, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit radial von außen nach innen zunimmt. Dieses Geschwindigkeitsprofil ist in Fig. 2 durch mehrere Pfeile 17 bis 20 symbolisiert. Durch die Rotation 16 des Rotors 3 besitzt ein Umfang 21 des Rotors 3 eine durch einen Pfeil symbolisierte Umfangsgeschwindigkeit 22.
Erfindungsgemäß sind die Eintrittsgeschwindigkeit (Geschwindigkeitsprofil 17 bis 20) der Einlassströmung 15 und die Umfangsgeschwindigkeit 22 des Rotorumfangs 21 so aufeinander abgestimmt, dass die Eintrittsgeschwindigkeit 20 am Rotorumfang 21 zumindest gleich groß wie, jedoch vorzugsweise - wie hier - größer als die Umfangsgeschwindigkeit 22 des Rotorumfangs 21 ist. Durch die überhöhte Geschwindigkeit der Einlassströmung 15 relativ zum Rotorumfang 21 werden bei der Durchströmung des Rotors 3 zusätzlich Corioliskräfte wirksam, welche die Zentrifugalkräfte unterstützen und somit die schwereren bzw. trägeren Verunreinigungen radial nach außen treiben bzw. im Ringraum 12 zurückbehalten. Diese zusätzlichen Corioliskräfte wirken sich gerade am Eintrittsbereich des Rotors 3 besonders vorteilhaft aus, da dort kleine Sedimentationswege für die Verunreinigungen vorliegen. Dabei ist die Unterstützungswirkung dieser gezielten Abstimmung zwischen Rotationsgeschwindigkeit 16 und Eintrittsgeschwindigkeit (17 bis 20) vor allem bei kleineren Rotationsgeschwindigkeiten 16 besonders ausgeprägt. Die Erfindung ermöglicht es somit, bei einer entsprechend modellierten Einlassströmung 15 den Rotor 3 mit relativ kleinen Drehzahlen rotieren zu lassen, wodurch die zum Antrieb des Rotors 3 erforderliche Antriebsleistung kleiner ausfällt. Dementsprechend kann auch eine zum Antrieb des Rotors 3 vorgesehene Antriebseinrichtung entsprechend kleiner und preiswerter dimensioniert werden.
Es ist klar, dass die Vorgehensweise zur Abstimmung der Eintrittsgeschwindigkeit (17 bis 20) und der Rotationsgeschwiwdigkeit 16 aufeinander auch die Sonderfälle umfasst, bei denen die Rotationsgeschwindigkeit 16 an ein vorgegebenes Eintrittsgeschwindigkeitsprofil 17 bis 20 angepaßt werden muss oder bei denen die Eintrittsgeschwindigkeit (17 bis 20) mit einer vorgegebenen Rotationsgeschwindigkeit 16 abgestimmt werden muss.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Abstimmung zwischen Eintrittsgeschwindigkeit (17 bis 20) der Einlassströmung 15 und der Rotationsgeschwindigkeit 16 kann beispielsweise durch eine entsprechende Dimensionierung des Rotors 3 und/oder des Querschnitts des Einlasses 13 erfolgen. Des weiteren kann durch die Gestaltung und Positionierung des Einlasses 13 das Geschwindigkeitsprofil 17 bis 20 beeinflußt werden. Außerdem kann die Drehzahl des Rotors 3 entsprechend angepaßt werden; ebenso ist es möglich, den Volumenstrom der Einlassströmung 15 anzupassen. Beispielsweise kann ein dazu vorgesehenes Gebläse, insbesondere das Radialgebläse 9, entsprechend ausgelegt werden.
Sofern es sich um einen Separator 1 handelt, dessen Rotor 3 in einem Drehzahlbereich betrieben wird und wenn - wie hier - die Förderleistung des Gebläses 9 von der Drehzahl des Rotors 3 abhängt, ist es zweckmäßig, Gebläse 9 und Rotor 3 so abzustimmen, dass im gesamten Drehzahlbereich des Rotors 3 stets gewährleistet ist, dass die Eintrittsgeschwindigkeit 20 am Umfang 21 größer ist als die Umfangsgeschwindigkeit 22.

Claims

1. Verfahren zum Separieren einer partikel- oder tröpfchenförmigen Verunreinigung aus einem Trägerfluid,
1 bei dem das mit der Verunreinigung beladene Trägerfluid tangential in einen Ringraum (12) eingeleitet wird,
bei dem im Ringraum (12) ein radial durchströmbarer Rotor (3) rotiert,
bei dem der Rotor (3) einen zentralen Kanal (8) enthält,
bei dem das von der Verunreinigung befreite Trägerfluid aus dem Kanal (8) abgeführt wird,
bei dem die separierte Verunreinigung aus dem Ringraum (12) abgeführt wird,
bei dem eine Eintrittsgeschwindigkeit (17 bis 20) der Einlassströmung (15) und eine Umfangsgeschwindigkeit (22) des Rotors (3) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Einlassgeschwindigkeit (20) zumindest am Umfang (21) des Rotors (3) gleich groß wie oder größer als die Umfangsgeschwindigkeit (22) ist.

2. Verfahren zum Betrieb eines von einem Fluid durchströmbaren aktiven Trägheitsseparators (1) zum Separieren einer partikel- oder tröpfchenförmigen Verunreinigung aus einem Trägerfluid, umfassend
einen Rotor (3), der radial durchströmbar ist und einen zentralen Kanal (8) enthält,
ein Gehäuse (2), in dem der Rotor (3) rotierend antreibbar angeordnet ist und in dem ein den Rotor (3) radial außen umhüllender Ringraum (12) ausgebildet ist,
einen Einlass (13), der mit dem Ringraum (12) kommuniziert und über den das mit der Verunreinigung beladene Trägerfluid zuführbar ist,
mit einem ersten Auslass (11), der mit dem Kanal (8) kommuniziert und über den das von der Verunreinigung befreite Trägerfluid abführbar ist,
mit einem zweiten Auslass (14), der mit dem Ringraum (12) kommuniziert und über den die separierte Verunreinigung abführbar ist,
wobei der Einlass (13) so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass im Betrieb des Trägheitsseparators (1) eine aus dem zugeführten, mit der Verunreinigung beladenen Trägerfluid gebildete Einlassströmung (15) bezüglich des Rotors (3) tangential in den Ringraum (12) einströmt,
bei dem eine Eintrittsgeschwindigkeit (17 bis 20) der Einlassströmung (15) und eine Umfangsgeschwindigkeit (22) des Rotors (3) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Einlassgeschwindigkeit (20) zumindest am Umfang (21) des Rotors (3) gleich groß wie oder größer als die Umfangsgeschwindigkeit (22) ist.

3. Von einem Fluid durchströmbarer aktiver Trägheitsseparator zum Separieren einer partikel- oder tröpfchenförmigen Verunreinigung aus einem Trägerfluid,
mit einem Rotor (3), der radial durchströmbar ist und einen zentralen Kanal (8) enthält,
mit einem Gehäuse (2), in dem der Rotor (3) rotierend antreibbar angeordnet ist und in dem ein den Rotor (3) radial außen umhüllender Ringraum (12) ausgebildet ist,
mit einem Einlass (13), der mit dem Ringraum (12) kommuniziert und über den das mit der Verunreinigung beladene Trägerfluid zuführbar ist,
mit einem ersten Auslass (11), der mit dem Kanal (8) kommuniziert und über den das von der Verunreinigung befreite Trägerfluid abführbar ist,
mit einem zweiten Auslass (14), der mit dem Ringraum (12) kommuniziert und über den die separierte Verunreinigung abführbar ist,
wobei der Einlass (13) so ausgebildet und/oder angeordnet ist, dass im Betrieb des Trägheitsseparators (1) eine aus dem zugeführten, mit der Verunreinigung beladenen Trägerfluid gebildete Einlassströmung (15) bezüglich des Rotors (3) tangential in den Ringraum (12) einströmt.

4. Trägheitsseparator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (13) so angeordnet und/oder ausgebildet ist, dass die Einlassströmung (15) im Drehsinn des Rotors (3) in den Ringraum (12) einströmt.

5. Trägheitsseparator nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eintrittsgeschwindigkeit (17 bis 20) der Einlassströmung (15) und eine Umfangsgeschwindigkeit (22) des Rotors (3) so aufeinander abgestimmt sind, dass die Einlassgeschwindigkeit (20) zumindest am Umfang (21) des Rotors (3) gleich groß wie oder größer als die Umfangsgeschwindigkeit (22) ist.

6. Trägheitsseparator nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägheitsseparator als Platten- oder Tellerseparator (1) ausgebildet ist.

7. Trägheitsseparator nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägheitsseparator (1) zum Separieren von Öl aus einer Gasströmung verwendet wird, die bei einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, aus einem Kurbelgehäuse abgesaugt wird.