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Die
Erfindung betrifft einen Zyklonabscheider mit einem Ein- und einem
Auslass für ein Fluid, einem zwischen dem Ein- und dem
Auslass angeordneten Wirbelraum mit rundem Querschnitt sowie Leitmitteln
zur Erzeugung einer Wirbelsenkströmung in dem Wirbelraum.
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Zyklonabscheider,
die auch als Fliehkraftabscheider oder Zyklonfilter bezeichnet werden,
dienen der Absonderung von in Gasen enthaltenen festen oder flüssigen
Partikeln bzw. der Absonderung von in Flüssigkeiten enthaltenen
festen Partikeln. Ein Zyklonabscheider besteht im Wesentlichen aus
fünf Teilen. Im eingebauten Zustand an oberster Stelle
befindet sich das Gehäuseoberteil (teilweise auch als Einlaufzylinder
bezeichnet), das u. a. den Einlass für das verschmutzte
Fluid und den Auslass für das gereinigte Fluid umfasst.
Unmittelbar unterhalb des Gehäuseoberteils befindet sich
ein häufig kegelförmiger, von einem Gehäuseunterteil
begrenzter Wirbelraum, in dem zentral ein Tauchrohr angeordnet ist,
das an seiner Oberseite mit dem Auslass für das gereinigte Fluid
verbunden ist. Unterhalb des kegelförmigen Wirbelraums
ist ein Partikelauffangbehälter vorgesehen, der häufig
auch als Bunker bezeichnet wird. Der Wirbelraum wird von einem sogenannten
APEX-Kegel zum Bunker hin begrenzt.
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Das
durch den Einlass in das Gehäuseoberteil und danach in
den Wirbelraum eintretende Fluid wird in eine spiralförmige,
abwärts gerichtete Strömungsbewegung versetzt,
die auch als Wirbelsenkströmung bezeichnet wird. Hierbei
wirken auf das Fluid und die darin enthaltenen Partikel Zentrifugalkräfte,
die diese radial nach außen beschleunigen, wobei sich die
Partikel teilweise an der Wand abscheiden und an dieser nach unten
in den Partikelauffangbehälter abgleiten bzw. abfließen.
Durch eine kegelförmige Ausgestaltung des Wirbelraums kann
erreicht werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit und
folglich auch die Drehgeschwindigkeit des Fluids kontinuierlich
zunimmt, je weiter sich die Fluidströmung in Richtung des
unteren, engeren Endes des Wirbelraums bewegt. Durch den APEX-Kegel
wird die Fluidströmung umgelenkt und über das Tauchrohr
und den Auslass des Zyklonabscheiders abgeführt. Aufgrund
ihrer höheren Masse folgen die noch in dem Fluid enthaltenden
Partikel dieser Strömungsumlenkung nicht, so dass diese
nicht durch das Tauchrohr und den Auslass abgeführt werden, sondern
vielmehr in dem unterhalb des Wirbelraums angeordneten Bunker aufgefangen
werden.
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Um
eine möglichst homogene Wirbelsenkströmung zu
erreichen, weisen alle bekannten Zyklonabscheider einen Wirbelraum
mit rundem und in der Regel kreisförmigem Querschnitt auf.
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Zur
Erzeugung der Wirbelsenkströmung ist es aus dem Stand der
Technik bekannt, zwischen dem Gehäuseoberteil und dem Wirbelraum
ein Flügelrad vorzusehen, das eine Vielzahl von radial
ausgerichteten und zudem schräg gestellten Flügeln
aufweist, durch die das in dem Gehäuseoberteil befindliche
Fluid beim Übertritt in den Wirbelraum schräg nach
unten abgelenkt wird.
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Weiterhin
sind Zyklonabscheider mit Drallscheibe bekannt (vgl.
EP 1 313 566 B1 ), deren
Funktion hinsichtlich der Erzeugung der Wirbelsenkströmung
den Zyklonabscheidern mit Flügelrad entsprechen. Die Besonderheit
bei einem Zyklonabscheider mit Drallscheibe ist, dass die Flügel
der Drallscheibe hinsichtlich des Abstands zueinander verschiebbar sind.
Hierzu sind die Flügel der Drallscheibe in Richtung eines
geringen Abstands zueinander federbelastet vorgespannt, wobei das
durch den Freiraum zwischen den Flügeln strömende
Fluid den Abstand zwischen den Flügeln in Abhängigkeit
von dem Differenzdruck, der wiederum von dem Volumenstrom des Fluids
abhängig ist, und entgegen der Federvorspannung vergrößert.
Dadurch erzeugt die Drallscheibe eine Drosselwirkung, deren Höhe
direkt von dem Volumenstrom des Fluids abhängig ist.
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Der
Wirkungsgrad eines Zyklonabscheiders wird durch eine Vielzahl von
Faktoren beeinflusst. Einen wesentlichen Einfluss hat zum einen
die Strömungsgeschwindigkeit, die einen definierten Grenzwert
in der Regel nicht unterschreiten sollte. Die Strömungsgeschwindigkeit
wiederum hängt direkt von dem Volumenstrom des zu reinigenden
Fluids ab, das dem Zyklonabscheider zugeführt wird. Der
Volumenstrom ist in der Praxis jedoch häufig extremen Schwankungen
ausgesetzt, was einen negativen Einfluss auf den durchschnittlichen
Wirkungsgrad des Zyklonabscheiders hat. Konstruktiv wird ein Zyklonabscheider
regelmäßig so ausgelegt, dass er bei einer definierten
Eintrittsgeschwindigkeit (als vorteilhaft hat sich ein Wert von
ca. 15 m/s gezeigt) bzw. einem hierzu korrespondierenden Volumenstrom
eine optimale Abscheiderate erzielt; Schwankungen dieser Werte führen
daher unweigerlich zu einem nicht unerheblichen Wirkungsgradverlust.
Zudem werden in der Praxis aus Kostengründen häufig
identische Zyklonabscheider für unterschiedliche Volumenströme
eingesetzt, so dass die Zyklonabscheider auch aus diesem Grund häufig
nicht ihre Filterwirkung mit dem bestmöglichen Wirkungsgrad
erfüllen. Einen weiteren wesentlichen Einfluss auf den
Wirkungsgrad des Zyklonabscheiders hat die Art und Weise, wie die
Wand des Wirbelraums von dem Fluid angeströmt wird, da
hierdurch wesentlich die Ausbildung der Wirbelsenkströmung
beeinflusst wird.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
einen insbesondere hinsichtlich des Wirkungsgrads verbesserten Zyklonabscheider
anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Zyklonabscheider gemäß Patentanspruch
1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Zyklonabscheiders sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche
und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Ein
erfindungsgemäßer Zyklonabscheider, der ein Gehäuse
mit einem Ein- und einem Auslass für ein Fluid (und insbesondere
ein Druckgas, wie Druckluft), einen zwischen dem Ein- und dem Auslass
angeordneten Wirbelraum mit vorzugsweise rundem Querschnitt sowie
Leitmittel zur Erzeugung einer Wirbelsenkströmung in dem
Wirbelraum aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitmittel als
(vorzugsweise schräg angeordneter) Kanal ausgebildet sind.
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Durch
die erfindungsgemäße Kanalisation des in den Wirbelraums
einströmenden Fluids mittels des Kanals kann eine im Vergleich
zu der bekannten Erzeugung einer Wirbelsenkströmung mittels
einer Flügelrad oder Drallscheibe eine teilweise erhebliche Verbesserung
des Wirkungsgrads des Zyklonabscheiders verwirklicht werden. Zudem
kann die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Zyklonabscheiders
gegenüber den bekannten Bauarten fertigungstechnische Vorteile
aufweisen, die sich insbesondere in geringeren Produktionskosten
niederschlagen. Hieraus ergibt sich, dass es möglich ist,
die erfindungsgemäßen Vorteile gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Zyklonabscheidern zumindest
teilweise auch dann zu erreichen, wenn anstelle von einem Kanal,
zwei oder auch mehrere Kanäle vorgesehen werden, durch
die die Fluidströmung in den Wirbelraum geleitet wird.
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Unter
rundem Querschnitt wird erfindungsgemäß ein winkelfreier
Querschnitt verstanden; insbesondere fallen hierunter kreisförmige
Querschnitte, wobei hiervon jedoch auch beliebig andere runde Querschnitte,
wie beispielsweise elliptische Querschnitte, erfasst werden sollen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
ist vorgesehen, den Kanal durch ein Rohr auszubilden, das in den
Wirbelraum hineinragt. Dies kann Vorteile hinsichtlich der Ausnutzung
des zur Verfügung stehenden Raums bringen. Weiterhin können
hiermit fertigungstechnische Vorteile verbunden sein.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein,
den Verlauf des Kanals bzw. des Rohrs so auszubilden, dass die Fluidströmung
nach dem Verlassen des Kanals bzw. Rohrs sowohl nach unten als auch
tangential bezüglich der Wand des Wirbelraums ausgerichtet
ist. Unerwarteterweise hat sich gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße
Kombination einer nach unten gerichteten Umlenkung der Fluidströmung,
wie sie grundsätzlich aus dem Stand der Technik von Zyklonabscheidern
mit Drallelement bzw. Drallscheibe bekannt ist, mit einer zusätzlichen Umlenkung
und Ka nalisation der Fluidströmung in tangentialer Richtung
bezüglich der Wand des Wirbelraums eine erhebliche Verbesserung
des Wirkungsgrads eines Zyklonabscheiders erreicht werden kann.
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In
einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Zyklonabscheiders kann vorgesehen sein, an dem wirbelraumseitigen Ende
des Kanals (bzw. des Rohrs) ein verstellbares Drosselelement anzuordnen,
das zur Erzielung einer möglichst konstanten Strömungsgeschwindigkeit den
freien Öffnungsquerschnitt des Kanals in Abhängigkeit
von der Durchflussmenge des Druckgases regelt. Durch diese Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders kann erreicht
werden, dass ein möglichst hoher und konstanter Wirkungsgrad
auch bei stark schwankenden Volumenströmen des Fluids erhalten
wird (Dynamikanpassung).
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Bevorzugt
kann als Drosselelement eine federbelastete Drosselklappe verwendet
werden, die in oder hinter dem Kanal (bzw. Rohr) angeordnet ist
und den freien Querschnitt des Kanals in Abhängigkeit von
der Durchflussmenge des Fluids regelt. Die Drosselklappe kann asymmetrisch
bezüglich des Querschnitts des Kanals angeordnet sein,
wodurch ermöglicht wird, eine tangentiale Anströmung
der Wand des Wirbelraums nicht (nur) durch eine entsprechende Ausgestaltung
des Kanals selbst, sondern (auch) durch ein nachträgliches
Ablenken mittels der Drosselklappe zu bewirken. Hierzu kann die Drosselklappe
vorzugsweise schräg zur Wand des Wirbelraums ausgerichtet
sein. Eine solche Drosselklappe kann in Abhängigkeit von
dem Volumenstrom und dem daraus resultierenden Anstellwinkel (bzgl. der
Wand des Wirbelraums) bewirken, dass die Strömungsgeschwindigkeit
möglichst konstant gehalten und durch die Schrägstellung
der Drosselklappe zudem ein sauberes Anströmen der Wand
des Wirbelraums erzielt wird, womit eine bessere Abscheidung und
ein geringerer Differenzdruck verbunden sein kann.
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In
einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung weist die Drosselklappe ein zusätzliches Leitblech
auf, welches Leckströme im hinteren Bereich der Drosselklappe
in die Hauptströmung umlenkt.
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Eine
weitere Verbesserung des Wirkungsgrads des erfindungsgemäßen
Zyklonabscheiders kann dadurch erreicht werden, dass der Kanal einen ovalen
bzw. elliptischen Querschnitt aufweist. Die Anordnung des elliptischen
Querschnitts ist vorzugsweise so gewählt, dass die Hauptachse
des elliptischen Querschnitts nach unten, d. h. in Richtung der Längsachse
des Wirbelraums ausgerichtet ist, während die Nebenachse
senkrecht hierzu ausgerichtet ist.
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Bevorzugt
kann weiterhin vorgesehen sein, dass zwischen dem Einlass und dem
Kanal des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders
ein Erweiterungsraum vorgesehen ist, in den das Fluid nach dem Einlass
in den Zyklonabscheider und vor dem Eintritt in den Wirbelraum einströmen
kann. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Anordnung eines Erweiterungsraumes
eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads sowie des Druckverlusts
des erfindungsgemäßen Zyklonabscheiders erreicht
werden kann.
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Sofern
der Kanal durch ein Rohr ausgebildet wird, das in den Wirbelraum
hineinragt, kann vorgesehen sein, das Rohr oberhalb des Wirbelraums
offen auszubilden, so dass gegebenenfalls ein sich oberhalb des
Wirbelraums befindliches Innenvolumen des Gehäuseoberteils
als Erweiterungsraum genutzt werden kann.
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Vorzugsweise
kann der Kanal in ein Trennelement integriert sein, das den Erweiterungsraum von
dem Wirbelraum abtrennt. In dieses Trennelement kann zusätzlich
auch ein Tauchrohr und/oder ein Auslasskanal, der den Wirbelraum
mit dem Auslass verbindet, um das gereinigte Fluid wieder aus dem
Zyklonabscheider abzuführen, integriert sein. Mit einem
solchen, vorzugsweise lediglich von dem Kanal und dem Auslasskanal
durchbrochenen Trennelement kann eine gegebenenfalls vorteilhafte
Trennung der beiden Fluidströmungen in dem Erweiterungs-
und dem Wirbelraum erreicht werden.
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Besonders
bevorzugt kann vorgesehen sein, den Erweiterungsraum in ein Oberteil
des Gehäuses (Gehäuseoberteil) und den Wirbelraum
in ein Unterteil des Gehäuses (Gehäuseunterteil)
zu integrieren und das Trennelement lösbar in dem Gehäuseoberteil
und/oder dem Gehäuseunterteil anzuordnen. Diese Ausgestaltung
des den Kanal und den Auslasskanal umfassenden Trennelements als
vorzugsweise austauschbaren Einsatz kann sowohl fertigungs- als auch
wartungstechnische Vorteile mit sich bringen. Beispielsweise kann
das Trennelement, das durch die erfindungsgemäße
Ausgestaltung des Zyklonabscheiders einen geometrisch einfachen
Aufbau aufweisen kann, kostengünstig als Kunststoffbauteil ausgebildet
sein, das beispielsweise spritzgegossen werden kann. Dieses kann
einfach in die zwei Gehäuseteile eingesetzt werden, die
häufig aufgrund des Druckunterschieds zwischen den Atmosphären im
Gehäuseinneren und -äußeren aus Metall
und insbesondere Aluminium oder Stahl ausgebildet sein kann.
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Ein
erfindungsgemäßer Zyklonabscheider zeichnet sich
durch einen einfachen Aufbau und daraus resultierend durch eine
einfache Herstellung aus. Zudem kann durch eine Verringerung der
Anzahl unterschiedlicher, auf verschiedene Volumenströme
optimierter Modelle eine Kostenreduzierung erreicht werden. Weiterhin
kann bei stark variierenden Volumenströmen eine hohe Abscheiderate
für den gesamten Einsatzbereich erzielt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Alle konstruktiven Merkmale der nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind
nicht lediglich in dieser Kombination sinnvoll umzusetzen, sondern
jedes dieser Merkmale kann isoliert oder in beliebiger Kombination
mit anderen Merkmalen bei jedem erfindungsgemäßen
Zyklonfilter, wie er durch die Merkmale der Patentansprüche definiert
ist, verwirklicht werden.
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In
den Zeichnungen zeigt
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1:
einen erfindungsgemäßen Zyklonabscheider in einer
Schnittdarstellung;
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2:
einen alternativen Funktionseinsatz in einer isometrischen Ansicht.
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Die 1 zeigt
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Zyklonabscheiders. Dieser umfasst ein Gehäuse mit einem
Gehäuseoberteil 1 und einem Gehäuseunterteil 2,
die mittels eines Bajonettverschlusses 3 miteinander verbunden
sind. Mit dem Gehäuseoberteil 1 sind jeweils Anschlussstücke 4 für einen
Einlass 5 für ein zu reinigendes Fluid, im vorliegenden
Fall Druckluft, sowie für einen Auslass 6 für die
gereinigte Druckluft verbunden. Der Einlass 5 und der Auslass 6 sind
einander gegenüberliegend in waagerechter Ausrichtung in
das Gehäuseoberteil 1 integriert. Das von dem
Gehäuseoberteil 1 ausgebildete Volumen, das als
Erweiterungsraum 7 dient, wird von einem Trennelement 8 von
dem als Wirbelraum 9 dienenden Volumen des Gehäuseunterteils 2 separiert.
Der Wirbelraum ist nahezu zylindrisch ausgeführt, wobei
eine Formschräge von ca. 3° einer einfacheren
Entformung des als Gussbauteils hergestellten Gehäuseunterteils
dient. In dem unteren Bereich des Gehäuseunterteils 2 ist
ein Partikelauffangbehälter 10 vorgesehen, der
mit einem Ventil 11 versehen ist, das zum Ablassen der
in dem Partikelauffangbehälter 10 gesammelten
Flüssigkeit bzw. Partikel dient.
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Das
Trennelement 8 umfasst einen (Einlass-)Kanal 12,
der den Einlass 5 für die Druckluft mit dem Wirbelraum 9 verbindet.
Der Kanal 12 wird von einem schräg in den Wirbelraum
hineinragenden Rohr 13 ausgebildet, das zudem teilweise
bezüglich des Erweiterungsraums 7 offen ausgebildet
ist. Über das teilweise offene Rohr 13 ergibt
sich demnach eine direkte Verbindung zwischen dem Erweiterungsraum 7 und
dem Wirbelraum 9. Die durch den Einlass 5 in den
Zyklonabscheider eintretende Druckluft strömt teilweise
in den Erweiterungsraum 7 und wird über das Rohr 13 in
definierter Richtung in den Wirbelraum 9 geleitet. Die
Ausrichtung des Rohrs 13 ist derart, dass die Strömung
zum einen teilweise nach unten in Richtung des Partikelauffangbehälters 10 geneigt
ist und gleichzeitig eine tangentiale Anströmung der Innenwand
des Gehäuseunterteils 2 im Austrittsbereich des
Rohrs 13 erfolgt. Die durch den Kanal 12 erfolgende
Kanalisation der in den Wirbelraum 9 einströmenden
Druckluft in Verbindung mit der Umlenkung der Strömung
sowohl nach unten als auch tangential in Richtung der Wand des Wirbelraums 9 sorgt
für eine Wirbelsenkströmung, die sich durch eine besonders
gute Abscheiderate auszeichnet. Die Wirbelsenkströmung
bewirkt, dass die in der Druckluft enthaltenen Partikel (Flüssigkeitströpfchen, Schmutzpartikel,
etc.) aufgrund Ihrer durch die höhere Dichte bedingten
Trägheit im Vergleich zur Druckluft entweder an der Wand
des Wirbelraums 9 abgeschieden und in Richtung des Partikelauffangbehälters 10 abgeführt
werden, oder im unteren Teil des Wirbelraums 9 der durch
die Druckdifferenz bedingten und durch einen APEX-Kegel 16 unterstützten Umlenkung
der Druckluftströmung nicht folgen und wiederum in dem
Partikelauffangbehälter 10 aufgefangen werden.
Nach der Umlenkung der Druckluftströmung wird diese zentral
wieder nach oben geführt und über ein Tauchrohr 14 und
ein nahtlos in dieses übergehendes Auslassrohr 15 aus
dem Zyklonabscheider abgeführt. Der oben genannte APEX-Kegel 16 verhindert
auch, dass die Partikel von der Druckluftströmung wieder
mitgerissen werden.
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Die 2 zeigt
eine Alternative eines Trennelements 8b, das beispielsweise
bei dem Zyklonabscheider gemäß der 1 anstelle
des dort verwendeten Trennelements 8 zum Einsatz kommen
kann. Die weitere Beschreibung erfolgt daher in Verbindung mit den übrigen
Komponenten des Zyklonabscheiders der 1. Die wesentlichen
Unterscheide des Trennelements 8b der 2 im
Vergleich zu dem Trennelement der 1 betreffen
die Ausbildung des Rohrs 13b, mit dem die Druckluft in
den Wirbelraum 9 geleitet wird und die zusätzliche
Anordnung einer Drosselklappe 18 am austrittsseitigen Ende
des Rohrs 13b.
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Das
Rohr 13b weist einen elliptischen Querschnitt auf, wobei
die Hauptachse des elliptischen Querschnitts in Richtung der Längsachse
des Gehäuses ausgerichtet ist. Durch die elliptische Ausbildung
des Querschnitts des Rohrs 13b kann gegebenenfalls eine
weitere Verbesserung der Abscheiderate des Zyklonabscheiders erzielt
werden.
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Die
Drosselklappe 18 sorgt für eine Drosselung der
Druckluftströmung in Abhängigkeit von der Durchflussmenge
der Druckluft, um eine möglichst konstante Strömungsgeschwindigkeit
zu erzielen. Hierzu ist die geringfügig dezentral, drehbar
in der Rohrwand gelagerte Drosselklappe 18 von einer Feder 19 in
Richtung ihrer geschlossenen Stellung belastet. Die Öffnungsrichtung
der Drosselklappe 18 ist zudem so gewählt, dass
zumindest ein Teil der Druckluft von der Drosselklappe 18 zusätzlich
in tangentialer Richtung bezüglich der Wand des Wirbelraums 9 umgelenkt
wird. Durch die Drosselklappe 18 soll primär eine
möglichst hohe und gleichmäßige Abscheiderate
auch bei stark schwankenden Durchflussmengen erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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