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Die Erfindung bezieht sich auf eine Gaszentrifuge mit monolithischen Rotor. Zentrifugen zur Separierung einer schweren Gaskomponente aus einem Gasgemisch sind seit langem bekannt.
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So zeigt die
DE 88 07 684 U1 (vgl. deren Figuren und den zugehörigen Text) eine Zentrifuge zur Separierung von Sauerstoff vom Stickstoff aus einem Luftgemisch, wobei die Zentrifuge eine um eine vertikale Achse drehende Tommel aufweist, die durch radiale Rippen in Sektoren aufgeteilt ist. Das zu trennende Gemisch wird über eine zentrale Zuleitung in die Trommel zugeführt, aus der die separierten Anteile durch Durchbrüche an der Unterseite der Außenwand der Trommel in der Weise abfließen, daß im wesentlichen sich die schwerere Gaskomponente in einer außen angeordneten Ringkammer und die leichteren Gaskomponenten sich in einer innen liegenden Ringkammer ansammeln. Die getrennten Gaskomponenten können dann über unten angeordnete Auslaßöffnungen aus den jeweiligen mitdrehenden Ringkammern abgezogen werden.
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Die
US 4 292 051 A (vgl. insbesondere deren
6 bis
8 und den zugehörigen Text) beschreibt ebenfalls eine vom Aufbau her sehr ähnliche Zentrifuge mit horizontaler Trommelachse für einen vergleichbaren Verwendungszweck. Die Zufuhr erfolgt von einer Seite in eine beiderseits gleitgelagerte, mit radialen Rippen in Segmente aufgeteilte Trommel und die Abfuhr auf der gegenüberliegenden Seite der Trommel über äußere Durchbrüche für die schwere Komponente und innenliegende Öffnungen für die leichteren Gaskomponenten in die jeweiligen feststehenden Ringkammern; zur Unterstützung des Durchflusses können hierbei auch Pumpen vorgesehen werden.
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Die Patentschrift
DE 10 2009 022 701 B3 „Verbessertes Verfahren und Gaszentrifuge zur effizienten Separierung der schweren Komponente aus Gasgemischen” vermeidet die Vermischung der teils separierten Gaskomponenten, indem an den Zylinderenden, wo die Umlenkung des Gases passiert, je ein ringförmiger Stopper angeordnet, der den Weg der schweren Gaskomponente blockiert, während die leichtere Gaskomponente durchgelassen wird; damit die aufgestaute schwere Gaskomponente auch fließen kann, werden geeignete Durchbrüche und Leitungskanäle in der jeweiligen Zylinderwand praktiziert. Der nächste Zylinderraum, wohin die Gaskomponenten geführt werden, ist durch einen kurzen Zylinder aufgeteilt, sodaß die vorhin separierte schwere Gaskomponente durch die Leitungskanäle zu dem Teil mit dem größeren Durchmesser geführt wird, während die leichte Gaskomponente nach dem Umlenken um das Zylinderende innerhalb des kurzen Zylinders fließt. Dadurch erfolgt die Übergabe der Gaskomponenten über die Zylindergrenzen hinweg ohne, daß diese sich auch nur zum Teil vermischen können. Nachteilig dabei ist die Anwendung von relativ großen Durchbrüchen, was strömungstechnisch nur schwer zu vereinbaren ist mit einer gleichmäßigen Gaskonzentration. Diese Erfindung verwendet auch eine mehrfache Lagerung, wobei zur Aufhängung der Trommel an beiden Seiten mehrere aufeinander geschaltete Kugellager mit großem Durchmesser und in abgedichteter Ausführung vorgesehen sind, was allerdings den Nachteil der größeren Reibungsverluste in Lagern hervorruft. Zudem wird, bedingt durch die Antriebsplazierung außerhalb der Zentrifuge, eine relativ dünne Antriebsachse verwendet, was zum Bruch derselben bei unverhofften Bremsvorgängen, die z. B. durch kaputte Lager verursacht werden können. Eine Teillösung dieses Problems erfolgte durch die Zentrifuge mit den Merkmalen des Anspruchs 1 der Patentschrift
DE 10 2009 053 660 B3 . Eine Antriebsachse wird völlig vermieden und die Zentrifugenachse ist relativ kurz und mit größerem Durchmessen, was zur allgemeinen Versteifung der Konstruktion führt. Allerdings wird dabei eine Förderpumpe für die Einführung unter Druck des zu separierenden Gasgemisches benötigt und dies ist insbesondere bei großen Durchsätzen – wie etwa 400.000 m
3/h benötigt für thermische Kraftwerke – mit einem erheblichen Energieaufwand verbunden. Die Erfindung
DE 10 2010 009 638 A1 vermeidet die Anwendung einer externen Förderpumpe für das Gasgemisch, wobei der zentrifugal erzeugte Druck benutzt wird, um das Gas durch die Vorrichtung zu befördern. Dies verbessert die Leistungsbilanz der Gaszentrifuge erheblich und vereinfacht gleichzeitig die Konstruktion der Vorrichtung.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Verbesserung der Gasführung innerhalb der Zentrifuge zu erreichen, indem eine Verminderung des Querschnitts an den Umlenkenden der einzelnen Stufen vermieden wird und führt konstruktive Maßnahmen eine, welche die teilsseparierten Gasströme innerhalb des Rotors quasi getrennt nebeneinander verlaufen ohne jedoch den laufenden Austausch von Gaspartikeln mit unterschiedlichen Dichte zu behindern. Die Lösung beinhaltet in
DE 10 2009 053 660 B3 und
DE 10 2010 009 638 A1 haben immer noch den Nachteil, daß der Gasfluß innerhalb des Rotors Einengungen an den Stellen aufweist, wo die selektive Umleitung der leichteren und schwereren Gaskomponenten von einem zum nächsten Zylinder stattfindet. Die Einengung ergibt sich durch die Gasführung durch Löcher mit erheblicher Länge. Diese Einengungen verursachen zusätzlichen Leistungsverbrauch und Turbulenzen – gefährlich wegen der Vermischungseffekte der bereits separierten Gaskomponenten – welche letztendlich zur Verschlechterung der Leistungsbilanz und der Effektivität führen.
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Gelöst wird die Aufgabe durch eine Gaszentrifuge nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Eine weitere Verbesserung besteht darin, daß eine spezielle Herstellungstechnologie für den Bau des Gerätes verwendet wird. Dabei wird der ganze Rotor der Zentrifuge aus aufeinander geschichteten dünnen Blechen aus einem geeignetem Material gebildet, wobei ein ganzflächiges Diffusions-Schweißverfahren für die Herstellung der Verbindungen zwischen den Blechen zum Einsatz kommt. Die Bleche wurden vorher mit Oberflächenaussparungen von geringen Abmessungen und mit Durchbrüchen, entsprechend der inneren Struktur des Rotors, gebildet durch Ätzen, versehen.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 Längsschnitt durch die Zentrifuge – Schnitt A-A
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2 Schnitt B-B durch die Zentrifuge
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3 Schnitt C-C durch die Zentrifuge
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4 Schematische Darstellung eines Bleches
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Aufgrund der Figuren wird die Funktion näher erläutert.
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Die erfindungsgemäße Zentrifuge weist einen Rotor 1 mit vertikaler Drehachse auf, der in einer speziellen Technologie hergestellt ist und daher keine Verbindungselemente, wie etwa Schrauben, in seinen Innerem aufweist.
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Der Rotor 1 steckt mit seinem verdünnten Ende „a” im oberen Kugellager 31 und befestigt mittels Mutter 5 und Scheibe 7 den Innenzylinder 10 des Synchronmotors auf dem Rotorkern 100.
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Auf der oberen Teil 3 des Rotors 1 ist der Innenzylinder des elektrischen Synchronmotors 10 mit den Schrauben 11, bestehend aus weichmagnetischem Stahl, befestigt, wobei die Permanentmagneten 12 mittels der Schrauben 13 darauf plaziert sind. Die elektrische Antriebskraft entstanden durch das Interreagieren der Permanentmagnete 12 mit dem drehenden Magnetfeld erzeugt vom Stator 14, bestehend aus verlustarmen Eisenblechen und versehen mit der elektrischen Wicklung 15 wirkt so unmittelbar auf den Rotor 1 der Zentrifuge. Der Stator 14 ist luftdicht getrennt vom Inneren der Zentrifuge durch einen isolierenden Zylinder 16, welcher vergossen ist mit den Nutten des Stator 14, dergestalt, daß ein Teil des Luftspalts zwischen dem Stator 14 und den Permanentmagneten 12 von diesem Zylinder eingenommen wird, welcher mit den Schrauben 17 an dem Motorgehäuse 18 befestigt ist. Der Synchron-Motor besitzt auch einen Käfig – nicht dargestellt in der Zeichnung – in seinem Rotor, welcher das Anlaufverhalten verbessern sollte –. Zwischen dem isolierendem Zylinder 16, dem Stator mit der Wicklung 15 und dem Motorgehäuse 18 existierten zwei toroidale Räume, welche von Kühlluft 19 getrieben von einem externem Ventilator ohne Darstellung auf der Zeichnung umspült werden und so die Motorkühlung bewerkstelligen. Der obere Schild 20 des Motorgehäuses ist abnehmbar und mit Schrauben 21 auf dem Motorgehäuse 14 befestigt. Es gibt eine interne Abdichtung zwischen dem Sammelbehälter 22 und der Einlaßkammer 33, wobei in der toroidalen Kammer 71 entstanden zwischen der horizontalen Verlängerung 72 des Rotors 1 und der Außenschale 73, bestehend aus zwei Hälften zwecks Montagemöglichkeit, befestigt mit Schrauben 74 an dem kleinen Zylinder 75 solidarisch mit dem oberen Teil „g” des Rotors 1 sich eine Flüssigkeit 77 befindet. Darin ist auch die untere Schale 76 plaziert. Während der Drehung des Rotors 1 diese Flüssigkeit 77 wird auf die Seitenwände der Außenschale 73 gedruckt und umschließt vollkommen auch die untere Schale 76 sowie die horizontale Verlängerung 72, dergestalt, daß das Gas nicht zwischen der Einlaßkammer 33 und dem Sammelbehälter 22 fließen kann, wobei wenn der Druck im Sammelbehälter 22 größer als der Druck in der Einlaßkammer 33 ist – was durchaus normal ist – lediglich die Flüssigkeit etwas nach oben auf der schrägen Wand der Außenschale 73 gedruckt wird und zwar nur soweit, bis die Vergrößerung der Fliehkraft dieses Anteils der Flüssigkeit 77 den Überdruck kompensiert. Dadurch, daß die Dichte der verwendeten Flüssigkeit 77 viel höher ist als die Gasdichte, entstehen bedeutende Fliehkräfte in der Flüssigkeit 77, welche für die Kompensation von Druckunterschieden von mehreren bar taugt. Weil die Abstände zwischen den aneinander rotierenden Teilen 72, 73 und 76 etliche Millimeter beträgt, ist die Reibung in der Flüssigkeit 77 relativ klein und die Reibungsverluste sind relativ gering.
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Das Gehäuse der Zentrifuge besteht aus dem zylindrischen Sammelbehälter 22 für das separierte Gas 23, dem oberen Deckel 24 und dem unteren Deckel 25, welche mit den Schrauben 26 aneinander befestigt sind. Am unteren Teil des Sammelbehälters 22 ist das Abführungsrohr 27 für das separierte Gas 23 angebracht, welches mittels eines regelbares Ventil 28 der Anwendung zugeführt wird. Zwischen dem Ventil 28 und der Anwendung ist ein Sensor 29 für die Messung der Konzentration und ein Sensor 30 für die Durchflußmessung des separierten Gases 23 plaziert. Die vertikale Rotorwelle, Bestandteil des monolithischen Rotors 1, endet in zwei Zonen „a” oben und „b” unten mit vermindertem Durchmesser, welche in den Hochgeschwindigkeitslager 31, 32 stecken, welche die axiale und seitliche Position des Rotors 1 bestimmen. Dadurch, daß sie eine Bohrung mit verhältnismäßig kleinem Durchmesser haben können, können sie für die Aufnahme der auftretenden Axial- und Radialkräfte korrekt dimensioniert werden und taugen für ausreichend hoher Drehzahl von z. B. bis zu 70.000 Umdrehungen pro Minute. Der Außenring der Hochgeschwindigkeitslager 31, 32 stecken in den Aussparungen „c” oben und „d” unten der oberen Einlaßkammer 33 und unteren Ablaßkammer 34 der Zentrifuge, welche respektive an dem oberen Schild 20 des Motorgehäuses 18 und an dem unterem Deckel 25 des Gehäuses der Zentrifuge mittels Schrauben 35, 36 angeflanscht sind. Das Gasgemisch 37 gelangt durch das Ventil 39, Durchflußmesser 40 und Einlaßstutzen 41 in die Einlaßkammer 33 wovon es durch den Innenzylinder des elektrischen Synchronmotors 10 der hohl ist, seinen Durchbrüchen 101 und den Durchbrüchen 102 im oberen Teil 3 der Zentrifuge im zentralen Bereich des Rotors 1. Durch die Zentrifugalkraft entstanden bei der Rotation des Rotors 1 wird das Gasgemisch aus dem zentralen Bereich des Rotors 1 an die Wände des inneren Zylinders 42, 43 gedruckt und fließt relativ langsam dank des erheblich vergrößertem Durchmessers axial nach unten. Dabei sammelt sich zunehmend mit der Bewegung nach unten die schwere Gaskomponente 4.1 in den Abschnitten begrenzt durch die zylindrische Wand 43 mit größerem Durchmesser bis es durch die Aussparungen 46 in den nächsten zylindrischen Raum zwischen Wand 43 und Wand 50 fließt. Gleichzeitig sammelt sich zunehmend mit der Bewegung nach unten die leichte Gaskomponente 6.1 in den Abschnitten begrenzt durch die zylindrische Wand 46 mit kleinerem Durchmesser bis es durch die Aussparungen 44 in den nächsten zylindrischen Raum zwischen Wand 42 und Wand 45 fließt. Die Trennwände 8 zwischen dem Rotorkern 100 und den zylindrischen Wänden 42, 43 haben ein Mitnahmeeffekt auf die einlaufenden Massen an angesaugtem Gas und zwingen es zur synchronen Rotation mit dem Rotor 1. Nachdem das Gas angereichert mit der schweren Gaskomponente 4.1 die Aussparungen 46 passiert, bewegt sich das Gas jetzt axial nach oben und bildet die Strömung 4.2. Nachdem das Gas verarmt an der schweren Gaskomponente 6.1 die Aussparungen 44 passiert, bewegt sich das Gas jetzt axial nach oben und bildet die Strömung 6.2. Im unteren Bereich des Rotors existieren Trennwände 8.2, 8.3, 8.4 zwischen den Abschnitten begrenzt durch die zylindrischen Wände 42 und 45, sowie 43 und 50, um eine getrennte Umleitung über den Zylinderenden, wo die Strömungsumkehr stattfindet, zu gewährleisten. Wenn die Gaskomponenten Strömungen 6.2 und 4.2 weiter nach oben sich bewegen, kommen sie in Bereichen „x”, wo jegliche radiale Trennungswände fehlen; in diesen Bereichen findet unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft ein kontinuierlicher seitlicher Austausch von leichten und schweren Gaspartikeln zwischen den axial und parallel verlaufenden Strömungen statt, wobei die schwere Gaskomponente 4.2 unmittelbar an den zylindrischen Wanden 50 (Innenseite) und die leichte Gaskomponente an den zylindrischen Wänden 43 (Außenseite) fließt, wodurch eine weitere Verstärkung der Gasabtrennung gefördert wird. Am oberen Ende der zylindrischen Räume zwischen den Wänden 43 und 50, sowie zwischen den Wänden 42 und 45 geraten die parallelen Strömungen unterschiedlicher Dichte 4.2 (schwer) und 6.1 (leicht) in den Bereichen mit seitlicher Begrenzung durch die radialen Trennwände 8.2 und fließen durch die Durchbrüche 52 und 55 in den nächsten zylindrischen Raum gebildet zwischen den zylindrischen Wänden 50 und 51 für die schwere Gaskomponente 4.3, sowie zwischen den zylindrischen Wänden 45 und 68 für die leichte Gaskomponente 6.3. Dadurch, daß die seitlichen Trennwände 8.2 vorhanden sind wechseln die parallelen Gasströmungen die axiale Fliessrichtung (jetzt nach unten) ohne, daß die sich miteinander vermischen. Wenn die Gaskomponenten Strömungen 6.3 und 4.3 weiter nach unten sich bewegen, kommen sie in Bereichen „x”, wo jegliche radiale Trennungswände fehlen; in diesen Bereichen findet unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft ein kontinuierlicher seitlicher Austausch von leichten und schweren Gaspartikeln zwischen den axial und parallel verlaufenden Strömungen statt, wobei die schwere Gaskomponente 4.3 unmittelbar an den zylindrischen Wanden 51 (Innenseite) und die leichte Gaskomponente an den zylindrischen Wänden 45 (Außenseite) fließt, wodurch eine weitere Verstärkung der Gasabtrennung gefördert wird. Diese Art der parallelen Führung von Gasströmungen wird beibehalten auch weiterhin zwischen den nachfolgenden zylindrischen Wände 51, 58 sowie Trennwänden 8.3, 8.4 bis die Gasströmungen in den letzten zylindrischen Bereichen im Inneren der Zylinderhülle des Rotors 1. Die Anzahl der durchlaufenen Stufen für die axiale Gasführung ist prinzipiell nicht begrenzt und kann auch hohe Werte erreichen; so wären 50...60 Stufen durchaus verwendbar. Dies verlängert enorm den Gasweg innerhalb des Rotors 1, was zu einer wirksamen Separation der schweren Gaskomponente führt, während der Durchfluß des verarbeiteten Gases im selben Maße steigt; Geschwindigkeiten der axialen Strömungen von 100 m/s oder gar mehr, wären durchaus anwendbar. Nun, wenn die schwere Gaskomponentenströmungen 4.5 sich axial nach unten im zylindrischen Raum zwischen den Wänden 53 und Rotorhülle sich bewegen, kommen sie später im Bereich „f” der Durchbrüche 57 im Rotor 1 und werden in die Sammelkammer 22 als schwere Gaskomponente 23 entlassen. Die Regelung des Durchflusses durch das Ventil 29 basiert auf die Angaben des Durchflußsensors 30 und ermöglichen daß nur so viel Gas entnommen wird, bis die komplette Menge an separierten Gas 23 aus dem Rotor 1 kommt, aber nicht mehr. Das im Rotor 1 verbliebene Restgas 9 gerät in den Bereich „e” mit verkleinertem Durchmesser und wird in die Ablaßkammer 34 für das Restgas 9 durch die Durchbrüche 88 entlassen.
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Das Gehäuse dessen oberen Teil der Sammelbehälter 22 ist, ist durch einen Ring 85 vom unteren Teil, welcher die Ablaßkammer 34 bildet, getrennt, wobei der Abstand zwischen der Innenfläche des Rings 85 und der Außenfläche des Rotors 1 sehr klein ist, so daß dieser Spalt eine vereinfachte Labyrinthdichtung bildet, dergestalt, daß das Gas nur sehr schwer dadurch fließen kann, wobei die separierte Gaskomponente 23 aus dem Rotor 1 durch die Kanäle 57 in den Sammelbehälter 22 strömt, unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft aber auch durch einen Sogeffekt verursacht von einem dynamischen Unterdruck entstanden auf der Außenfläche des Rotors 1 durch die schnelle Drehung, so daß unterhalb des Pegels „e” keine schwere Gaskomponente sich im äußeren unteren Bereich des Rotors 1 mehr befindet, wobei die darin verbliebene leichte Gaskomponente durch große seitliche Durchbrüche (88) aus dem Rotor 1 herausströmt und zwar nicht nur unter dem Einfluß des zentrifugal erzeugten Drucks, sondern auch durch den Sog verursacht von einem dynamischen Unterdruck entstanden auf der Außenfläche des Rotors 1 durch die schnelle Rotation im Bereich der nahe gelegenen Wand der Ablaßkammer 34.
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Der Ring 85 weist zwei zylinderförmige Aussparungen 86, 87 auf, welche mit dem engen Spalt zwischen dem Ring 85 und Rotor 1 kommunizieren und wobei der ringförmige Kanal 86 mittels Leitung 92, verbunden an den Stutzen 91, durch die Pumpe 97 und Ventil 98 an den Stutzen 99 angeschlossen ist, welcher die Verbindung zum Sammelbehälter 22 herstellt, so daß die Pumpe 97 – mit geringfügigem Durchsatz – gesteuert von zwei Drucksensoren 103, 104 – ohne Darstellung – plaziert im Sammelbehälter 22 und in der zylinderförmigen Aussparung 86 einen Druckausgleich im oberen Teil des engen Spaltes um den Ring 85 schafft, welcher das Gasfließen wirksam verhindert und so die Abdichtung des Sammelbehälters 22 nach unten gewährleistet. Der ringförmige Kanal 87 welcher mittels Leitung 93, verbunden an den Stutzen 91, durch die Pumpe 94 und Ventil 95 an den Stutzen 96 angeschlossen ist, welcher die Verbindung zur Ablaßkammer 34 herstellt, so daß die Pumpe 94 – mit geringfügigem Durchsatz – gesteuert von zwei Drucksensoren 103, 104 – ohne Darstellung – plaziert in der Ablaßkammer 34 und in der zylinderförmigen Aussparung 87 einen Druckausgleich im unteren Teil des engen Spaltes um den Ring 85 schafft, welcher das Gasfließen wirksam verhindert und so die Abdichtung des Ablaßkammer 34 nach oben gewährleistet.
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Eine zusätzliche Versteifung des Rotors 1 im Bereich der Zonen „x”, wo die radialen Trennwände 8.x fehlen, ist durch die Anwendung der Abstandshalter 69 – ohne Darstellung in den Zeichnungen – erreicht. Diese radial verlaufenden Streben mit geringem Querschnitt verstärken die mechanische Festigkeit des Rotors indem sie die benachbarten konzentrischen zylindrischen Wände 43, 50, 51, 53, 42, 45, 68, 58 sowie dien Rotorhülle miteinander verbinden ohne daß dadurch die Gasströmung in größerem Maße behindert wird.
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An der Wand der Ablaßkammer 34 im Bereich nahe den Durchbrüchen 88 im Rotor 1, wodurch die leichte Gaskomponente – oder Restgas 9 – herausströmt, ist ein Ableiter 89 versehen mit radialen Plättchen – ohne Darstellung – in der Art der Schaufeln einer Turbine jedoch fest verbunden mit der Wand der Ablaßkammer 34 plaziert, welcher sowohl eine Umlenkung des Gasstromes radial – spitzer Winken zum Rotor 1 der sich dann abrundet bis zum etwa 90° Winkel zur Wand – als auch eine Ablenkung nach unten zur Ablaßkammer 34 bewirkt, jedoch mit geringen Verlusten durch stets vorhandene Laminarströmung, wodurch der dynamisch erzeugte Unterdruck an der Außenfläche des Rotors 1 im Bereich der Durchbrüche 88 wesentlich verstärkt wird und zur Erhöhung des Staudruckes in der Ablaßkammer 34 führt, wovon die leichte Gaskomponente oder Restgas 9 durch den Stutzen 65, Ventil 66 und Konzentrationssensor 67 der Anwendung zugeführt wird. Diese Maßnahmen und das Fehlen eines Mantels um den Rotor 1, wie bei der Hauptpatentanmeldung der Fall ist, führt dazu, daß ausreichende Differenzdrucke zwischen dem angesaugten Gasgemisch 37 und dem Sammelbehälter 22 sowie zwischen dem angesaugten Gasgemisch 37 und der Ablaßkammer 34 herrscht, so daß keine externe Förderpumpe für das Gasgemisch benötigt wird. Dies spart bis zu 30% der notwendigen elektrischen Leistung, die für die Zentrifugation insgesamt benötigt wird und verbessert somit die Leistungsbilanz erheblich.
