DE2127413A1

DE2127413A1 - Anordnung zur Bewegung von Partikeln auf gekrümmten Bahnen innerhalb eines begrenzten Volumens

Info

Publication number: DE2127413A1
Application number: DE19712127413
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: LEHNERT BO
Current assignee: LEHNERT BO
Priority date: 1970-06-04
Filing date: 1971-06-03
Publication date: 1971-12-09
Also published as: CA936975A; NL7107543A; FR2095896A5; SE338962B; GB1349995A; CH541996A; US3722677A

Description

Anordnung zur Bewegung von Partikeln auf gekrümmten Bahnen innerhalb eines begrenzten Volumens.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, um Partikel innerhalb eines begrenzten Volumens auf gekrümmten Bahnen in Bewegung zu versetzen; die Erfindung betrifft insbesondere einen Separator, mit dessen Hilfe, schwerere von leichteren Partikeln getrennt werden können.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnungen können dabei die gekrümmten Bahnen, entlang derer sich die Partikel bewegen, beeinflußt werden. Dies geschieht unter Verwendung eines magnetischen und eines elektrischen Feldes, deren Hauptkomponenten im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen. Es ist bekannt, daß Partikel, die sich an einem begrenzten Volumen befinden und dem Einfluß von zwei Feldern ausgesetzt sind, deren Lage zueinander, in der oben beschriebenen Weise definiert ist, in Bewegung versetzt werden, und zwar senkrecht sowohl zur Hauptrichtung des elektrischen, als auch des magnetischen Feldes.

Durch die Benützung passend geformter Elektroden, zwischen denen ein entsprechendes elektrisches Feld entsteht, als so z.B. durch die Benützung einer äußeren kreisförmig ausgebildeten Elektrode, die zweckmäßigerweise auch gleichzeitig die äußere Wand des begrenzten Volumens bilden kann und ferner durch den Gebrauch einer inneren, im Zentrum angeordneten Elektrode ist es möglich, die Be-

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wegung der Partikel derart zu beeinflußen, daß sich entlang ihres Umfanges geschlossene und im Wesentlichen kreisförmige Bahnen ergeben. Eine derartige Anordnung kann als Zentrifuge betrachtet werden, wobei jedoch der radiale Geschwindigkeits-Gradient der Partikel anders als bei herkömmlichen mechanischen Zentrifugen ist. Bei Anordnungen der zuletzt beschriebenen Art ist die Winkelgeschwindigkeit der Partikel an Stellen verschiedenen radialen Abstandes die selbe. Das bedeutet, daß mit Zunahme des radialen Abstandes ebenfalls die Umfangsgeschwindigkeit der Partikel zunimmt. Im Gegensatz dazu bleibt die Umfangsgeschwindigkeit bei einer Anordnung, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist und bei der die Bewegung der Partikel durch den Einfluß eines elektrischen und eines magnetischen Feldes bewirkt wird, konstant und vom radialen Abstand unabhängig. In anderen Worten ausgedrückt, bedeutet das, daß diejenigen Partikel, die sich am nächsten zum Zentrum der Anordnung befinden, eine sehr hohe Winkelgeschwindigkeit aufweisen.

Bei Zentrifugen ist es üblich, die Partikel kontinuierlich zuzuführen und, entsprechend, die separierten Partikel kontinuierlich abzuführen. Der dazu notwendige entsprechende interne Transport der Partikel durch die Zentrifuge bedeutet in Verbindung mit den hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten der Partikel, daß der Wert der Reynoldschen Zahl, bei der die laminare Strömung aufhört und ^iv.e turbulente Strömung beginnt, leicht überschritten wird. DieErz ugung einer derartigen Turbulenz stört jedoch in beachtlicher Ausmaß die angestrebte in radialer Richtung unterschiedliche Anordnung der Partikel, wie sie durch deren unterschiedliche Massen an sich gegeben wäre. Diese Störungen beeinträchtigen die gesamte Wirksamkeit derartiger Zentrifugen.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, daß die oben beschriebenen Störungen entweder verhindert oder aber

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ihr Einfluß wesentlich reduziert wird. Ein wesentliches Kennzeichen der vorliegenden Erfindung, durch das dies verhindert wird, liegt darin, daß Elektroden vorgesehen sind, die eine Beeinflußung des Gradienten der Hauptkomponente des elektrischen Feldes beeinflußen, welche im wesentlichen parallel zu den Ebenen verläuft, die durch die gekrümmten Bewegungsbahnen der Partikel hindurchgehen.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, den Gradienten der elektrischen Feldintensität mit Hilfe von Elektroden zu beeinflußen, die zwischen dem gemeinsamen Zentrum der Drehbewegung der Partikel und der Außenwand des begrenzten Volumens angeordnet sind. Ein besonderes Merkmal der Erfindung, das sowohl unter strukturellen, wie auch unter betriebsmäßigen Gesichtspunkten von Vorteil ist, besteht darin, daß diese Elektroden an der einen oder aber auch an beiden Endflächen des begrenzten Volumens angeordnet sein können. Das bedeutet, daß es nicht notwendig ist, daß sie sich in axialer Richtung durch das Volumen hindurch erstrecken.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Sie stellt eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung dar und erläutert sehematisc h die Hauptkomponenten derselben in einer Ausführung als Separator zur Trennung verschiedener Partikel.

Die Zeichnung zeigt einen zylindrischen Behälter Io, in dessen Innenraum die Separation der Partikel stattfindet. Der Behälter Io hat einen unteren kreiförmigen Endteil 11 und einen oberen Endteil 12. In der Mitte des unteren Endteiles 11 b'efindet sich die öffnung 13, die das Ende einer Leitung IU darstellt, durch welche die zu trennenden Partikel in den Behälter eingeführt werden. Der Trennvorgang selbst wird weiter unter beschrieben *

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werden. Am oberen Ende des Behälters Io sind 2 Leitungen vorgesehen. Die erste wird durch ein Rohr 15 gebildet, das an dem Behälter an der Stelle angeordnet ist, an der die Mittelachse desselben verläuft. Diese Öffnung dient als Abführung für die leichten Partikel nach der Trennung. Die andere Leitung 16 ist entlang des Umfanges des Behälters Io vorgesehen und dient zur Abführung der schwereren Partikel.

Die Bezugszeichen 17 und 18 bezeichnen eine unter und obere Polplatte eines elektrischen Magneten, der durch Spulen 19, bzw. erregt wird. Von einer äußeren Stromquelle Sg her wird den Spulen Gleichstrom zugefügt. Dementsprechend wird zwischen den Polplatten 17 und 18 ein axialorientiertes Magnetisches Feld B erzeugt.

Auf dem unteren Endteil 11 des Behälters Io sind mehrere Elektroden 21. konzentrisch zur Längsachse des Behälters angeordnet. Sie sind vorzugsweise entlang ihres Umfanges geschlossen. Jede der Elektroden 21 ist mit einem Draht 22 verbunden, der über einen Schleifkontakt an den Windungen eines Spannungsteilers 2 3 anliegt, der durch eine Gleichspannung aus einer Gleichspannungs-Quelle Sg gespeist wird. Wie aus dieser Anordnung leicht zu erkennen, ist es auf diese Weise möglich, die verschiedenen Elektroden 21 mit unterschiedlichen elektrischen Potentialen zu beaufschlagen.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise der Anordnung beschrieben.

Die Leitung 14 sei über irgendeine Speisevorrichtung, beispielsweise durch eine Pumpe oder ähnliches mit einem Behälter verbunden, in den sich die zu trennenden Partikel befinden. In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, daß die Mehrzahl-der Partikel, die durch die erfindungsgemäße Anordnung voneinander getrenntwerden sollen, elektrisch neutral sein können, aber daß in der Ge-

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samtheit der Partikel doch jeweils eine bestimmte Anzahl geladener Partikel anwesend sein muß. Es ist jedoch möglich, die geladenen Partikel dadurch zu erhalten, daß in ungeladdenem Zustand im Behälter Io zugeführte Partikel durch die in demselben stattfindende Entladung zwischen den Elektroden 21 aufgeladen werden. Wie aus der weiteren Beschreibung noch hervorgehen -'ird, kann die relative Anzahl der geladenen Partikel gering sein. Darin ist ein besonderer Vorteil der Erfindung zu sehen. Außerdem können die Partikel in ihrer Gesamtheit aus einzelnen Partikeln unterschiedlicher Masse bestehen. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß sowohl die geladenen als auch die neutralen Partikel einzeln relativ leicht oder relativ schwer sein können.

Ein positiv geladener Partikel innerhalb des Behälters Io ist dem Einfluß eines elektrischen Feldes E und eines magnetischen Feldes B ausgesetzt. Wie aus dem Vorangegangenen ersichtlich, entsteht das elektrische Feld zwischen den ringförmigen Elektroden; die Feldstärkelinien gehen durch diese Elektroden hindurch. Das bedeutet, daß das elektrische Feld in der Schicht direkt überhalb des Endteiles Io eine vorherrschende (Haupt-), Komponente aufweist, die horizontal und radial verläuft. Unter der Voraussetzung, daß die Potentialverteilung zwischen den Elektroden im wesentlichen so ist, wie das aus der zeichnerischen Darstellung hervorgeht, d.h. daß jede Elektrode ein höheres Potential als die in Richtung auf die zentrale Achse des Behälters ihr nächst gelegene aufweist, ist ein Partikel, der durch die Leitung 14 in den Behälter eintritt, unter dem Einfluß des beschriebenen elektrischen Feld-Vektors einer Kraft ausgesetzt, die im wesentlichen in radialer Richtung einwärts gerichtet ist.

Sobald ein Partikel demzufolge seine Bewegung nach innen begonnen hat und im ''erlauf derselben in. das magnetische Feld B eintritt, dann wi£i in per se bekannterenise unter dem Einfluß der beiden Felder eine resultierende Durchscnittsgeschwindigkeit annehmen,

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die durch die Lage des Vectors V repräsentiert wird. Infolge der kreisförmigen Ausbildung der Elektroden wird sich ein Partikel daher auf einer kreisförmigen Bahn bewegen, der kleine radiale Querabweichungen überlagert sind, die durch Bewegungen aufgrund von Wärmeenergie hervorgerufen werden.

Kollisionen zwischen geladenen und nicht geladenen Partikel werden die kreisförmige Bewegung auch auf nicht geladene Partikel (das neutrale Gas) übertragen. Das bedeutet, daß durch die sich überkreuzenden magnetischen und elektrischen Felder und Ströme das gesamte Gas in Drehung um die zentral^ _h in Längsrichtung verlaufende Achse des Behälters Io versetzfwird Es ergibt sich daraus, daß sowohl geladene als auch neutrale Partikel unterschiedlicher Masse in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Zentrifugalkräften, die auf sie einwirken, schließlich definierte Stellungen in unterschiedlichem Abstand von der Drehachse in der oberhalb des unteren Endteiles 11 liegenden Schicht einnehmen.

Die beschriebene Drehbewegung der geladenen und der neutralen Partikel in der unteren Schicht pELanzt sich durch das gesamte begrenzte Volumen fort. Die physikalische Erklärung dieses Phänomens ist folgende: Die Partikel-Mischung stellt ein elektrisch leitfähiges Gas dari das in Anwesenheit eines magnetischen Feldes sehr deutlich richtungsabhängige Eigenschaften aufweist. In Richtung der magnetischen Feldlinien verhält sich das Gas wie ein elektrischer Leiter sehr hoher spezifischer Leitfähigkeit. In jeder Richtung, die senkrecht zu diesen Feldlinien verläuft, ist die Leitfähigkeit gleichermaßen groß; das gilt jedoch nur, so lange das Gas ruht. Sobald ein radialer elektrischer Strom durch das magnetische Feld hindurchverläuft, wird das Gas in eine Drehbewegung versetzt. Dabei entsteht eine entgegengesetzt orientierte elektromotorische Kraft in genau derselben Weise wie in einem, normalen elektrischen Motor. Das Er-

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gebnis ist, daß die magnetischen Feldstärkelinien in dem Gas als vertikale Verlängerungen der Elektrodenringe 21 entlang deren gesamten Verlauf von dem unteren Endteil 11 bis zum oberen Endteil 12 angesehen werden können. Die Dichte des elektrischen Stromes entlang der Feldlinie, ist so groß, daß die Drehbewegung, die am unteren Ende des Behälters in Gang kommt, sich nach oben über das gesamte begrenzte Volumen hin fort pflanzt, bis die Drehgeschwindigkeit einen wesentlichen konstanten Wert entlang jeder der einzelnen Feldlinien angenommen hat. Wie bereits angedeutet, liegt ein besonderer Vorteil der Erfindung darin, daß die derart herbeigeführte Separation auch die elektrisch neutralen Partikel erfaßt. Sie | erfaßt sie sogar dann, wenn der Anteil der ungeladenen Partikel groß ist.

Der Grund dafür ist, daß die Drehung der ungeladenen Partikel durch die Kollisionen zwischen ihnen und den geladenen Partikeln erzeugt wird. Demgemäß stellt sich das Ergebnis ein, daß sowohl die geladenen als auch die ungeladenen Partikel entlang der gesamten axialen Erstreekung des Behälters unter dem Einfluß von Kräften rotieren, die in ihrer anfänglichen Phase allein die geladenen Partikel in der Nähe der unteren Endfläche des Behälters beeinflußen. Während-der Drehung werden die neutralen Partikel natürlich weder von dem magnetische noch von dem elektrischen Feld beeinflußt. Auf der anderen Seite unterliegen sie jedoch ™ dem Einfluß einer zentrifugalen Kraft C. Dieser Kraft wirkt eine in radialer Richtung nach innen wirkende Kraft entgegen. Sie ergibt sich durch den Druck-Gradienten VP, dessen Erzeugung dadurch herbeigeführt wird, daß die Massendichte mit zunehmendem radialen Abstand von der Achse des Behälters zunimmt. Aus diesem Zunehmen der Massendichte ergeben sich zwei Folgerungen:

Erstens wird die absolute Partikel-Konzentration in den Bereichen entlang des Umfanges des Behälters unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft größer als im zentralen Bereich sein.

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Zweitens ist die Zentrifugalkraft direkt proportional zur Masse der Partikel. Daraus ergibt sich, daß eine relative Dissimilarität entsteht, das heißt, daß die Konzentration schwererer Partikel ein größeren radialen Abständen noch größer ist.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die bis jetzt erörterten Effekte, die Trennung schwerer und leichter Partikel, sowie die Fortpflanzung der Drehbewegung in axialer Richtung noch nicht per se die Anordnung einer Mehrzahl von ringförmigen Elektroden 21 verlangen. Im Prinzip sind diese Effekte auch schon mit Hilfe einer einzigen zentralen und einer einzigen äußeren Elektrode erreichbar, die beide am Boden 11 des Behälters Io angeordnet sind..Das Vorhandensein weiterer Elektroden bringt jedoch einen weiteren bedeutenden technischen Vorteil. Er liegt darin, daß mit Hilfe des Potentiometers 22, 23 die gesamte Anordnung den jeweiligen Betriebsbedingungen angepaßt werden kann. Dabei können die Potentiale der einzelnen Elektroden so bestimmt werden, daß sich in radialer Richtung eine gewünschte Potentialverteilung ergibt, die es erlaubt, die Drefigeschwindigkeiten der Partikel in unterschiedlichen radialen Schichten zu bestimmten.

Am Anfang der Beschreibung war es als einer der Hauptnachteile der hier in Frage stehenden Art von Zentrifugen beschrieben worden, daß bei bestimmten GeschwindigkeitsVerteilungen Turbulenzen auftreten, die die gesamten Strömungszustände stören. Die vorliegende Erfindung erlaubt es mit Hilfe des Potentiometers und seiner Verbindung mit den ringförmigen Elektroden, in jedem einzelnen Fall eine Geschwindigkeitsverteilung herzustellen , die eine derartige Turbulenz entweder vollkommen ausschaltet oder jedoch derart weitgehend reduziert, daß ein im allgemeinen laminarer Strömungszustand in dem Behälter aufrecht erhalten werden kann.

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Es sei hervorgehoben, daß in der Zeichnung lediglich eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles gegeben worden ist, und daß es lediglich die Anordnung einer praktischen Anwendung der Erfindung illustriert. Die dargestellte Anordnung betrifft einen Partikel-Separator. Die Erfindung kann jedoch auch in vielen anderen Zusammenhängen angewandt werden. Das Wesentliche ist dabei jeweils, daß eine oder mehrere besondere Elektroden vorgesehen sind, die die vorherrschende Komponente des elektrischen Feldes beeinflussen und damit eine Beeinflussung der Geschwindigkeitsverteilung der oben beschriebenen Weise ermöglichen. Hinsichtlich der einzelnen Anordnung und Konstruktion der Elektroden sind na- ' i türlich viele Abweichungen und Modefizierungen möglich. So ist es beispielsweise nicht notwendig, daß die Elektroden kreisförmig oder vollkommen geschlossen entlang ihres äußeren Umfanges sind. Auf der anderen Seite ist es offensichtlich, daÄ man aus Gründen der Herstellung derartige Formen anstrebt. Auch die Anordnung der Elektroden kann von der hier beschriebenen Ausführungsform unterschiedlich sein.

In Ergänzung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform kann man auch vorsehen, daß ein zweiter Satz ringförmiger Elektroden auf der oberen Seite des Behälters Io, d.h. auf dem oberen Endteil 12 angebrabht ist. In einem derartigen Fall können die Elektroden auf der Ober- und Unterseite jeweils paarweise miteinander parallel geschaltet werden.

Patentans prüche& 10985 0/1345

Claims

- Io Patentansprüche

1. Anordnung zur Bewegung von Partikeln auf gekrümmten Bahnen innerhalb eines begrenzten Volumens, indem sie einem magnetischen und einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, deren Hauptkomponenten jeweils im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden (21) vorgesehen sind, durch die der Gradient der Hauptkomponente des elektrischen Feldes, welche parallel zu dem durch die Bewegungsbahnen der Partikel hindurchgehenden Flächen verläuft, beeinflußt wird.

2. Anordnung nach Anspr. 1, insbesondere zur Trennung von Partikeln, dadurch gekennzeichnet, daß das begrenzte Volumen durch einen zylindrischen Behälter Clo)gebildet wird, und die Elektroden (21) an einem (11) oder beiden Endflächen (Iljl2) des zylindrischen Behälters (lo) angeordnet und im wesentlichen ringförmig ausgebildet sind, und ferner zur Zuführung der Partikel in den zylindrischen Behälter (lo) eine Partikelzuführung (14), sowie Partikelabführungen (15,16) in unterschiedlichem radialen Abstand von der Achse des zylindrischen Behälters (lo) vorgesehen sind.

3. Anordnung nach Anspr. 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (21) in Form geschlossener Ringe ausgebildet sind.

. Anordnung nach Anspr. 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (21) zum Zwecke der Beaufschlagung mit unterschiedlichen Potentialen mit mehreren Schleifkontakten (22) eines Potentiomenters (23) verbunden sind.

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