DE29514333U1

DE29514333U1 - Vorrichtung zum Entgasen von Flüssigkeiten

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Publication number: DE29514333U1
Application number: DE29514333U
Authority: DE
Original assignee: MEIBES ZEITSPAR ARMATUREN fur
Current assignee: MEIBES ZEITSPAR ARMATUREN fur
Priority date: 1994-09-09
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1995-11-09
Anticipated expiration: 2005-09-08
Also published as: DE9414661U1

Description

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Vorrichtung zum Entgasen von Flüssigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entgasen von Flüssigkeiten nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen gelangen in den verschiedensten Bereichen zur Anwendung: so z, B. in Zentralheizungsanlagen, in Kühlsystemen für Motoren, in Abfüllanlagen der Getränkeindustrie und der Milchwirtschaft, bei der Abfüllung von flüssigen Treibstoffen und Chemikalien aus Tankanlagen, in der chemischen Industrie, bei der Versorgung von Motoren mit Flüssigbrennstoffen usw,

Der Zweck einer derartigen Vorrichtung kann je nach Anwendungsgebiet verschieden sein: Bei Zentralheizungsanlagen dient die Vorrichtung zum Entgasen des Heizungswassers insbesondere dazu, die Förderleistung einer Umwälzpumpe nicht zu beeinträchtigen und eine Behinderung der Wasserzirkulation durch Gasblasen zu vermeiden; in Systemen mit Kühlflüssigkeit soll durch eine einwandfreie Flüssigkeitszirkulation eine optimale Kühlung gewährleistet sein; in Abfüllanlagen geht es um eine einwandfreie Förderung der jeweiligen Flüssigkeit und um genau reproduzierbare Abfüllmengen, Ähnliches gilt bei der Abfüllung von flüssigen Treibstoffen und Chemikalien,

insbesondere aus Tankanlagen. In der chemischen Industrie ist es erforderlich, exakte Mischungsverhältnisse von flüssigen Ausgangsstoffen zu gewährleisten. Bei der Versorgung von Motoren mit flüssigen Brennstoffen gilt es, Aussetzer zu vermeiden usw.. Alle Anwendungen von Vorrichtungen zur Entgasung von Flüssigkeiten dienen dem gemeinsamen Zweck, störende Einflüsse von Gaseinschlüssen in Flüssigkeitskreisläufen bzw. bei der Förderung von Flüssigkeiten zu vermeiden,

Ausgehend von der Tatsache, daß Flüssigkeiten nicht nur spezifisch schwerer sondern auch träger als Gase sind, wendet ein Großteil der Gas/Flüssigkeits-Trennverfahren zusätzlich zur Schwerkraft die Zentrifugalkraft an. So z.

B. in der DE-AS 16 19 887, DE-AS 16 19 899, DE-PS 23 35 238, DE-AS 26 04 003, DE-PS 26 06 673, DE-PS 30 33 450, DE-PS 37 15 157, DE-PS 40 29 025 und US-PS 22 58 497.

Durch die hierin zusätzlich zur Schwerkraft zur Anwendung gelangten Zentrifugalkraft werden zwar in erhöhtem Maße die gasförmigen von den flüssigen Substanzen getrennt. Durch die Zentrifugalkraft erhöht sich aber in beträchtlichem Ausmaß der Druck in der Trennvorrichtung, Hierdurch wird in erhöhtem Maße Gas aus der Gasphase in den gelösten Zustand übergeführt. Da die Flüssigkeit bei der weiteren Förderung bzw. im weiteren Kreislauf wieder normalem, d. h. geringerem Druck unterwarfen ist, gibt sie die in der Zentrifuge zusätzlich gelöste Gasmenge wieder frei, so daß die Gas/Flüssigkeits-Trennverfahren nach dem Zentrifugierverfahren insgesamt höchst unbefriedigend sind.

Eine gewisse Verbesserung auf dem Sektor der Zentrifugierverfahren ist mit der DE-PS 27 53 873 gegeben. Hierbei wird die Flüssigkeit in das Innere eines

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Schneckenhauaes eingegeben. Durch die kontinuierliche Erweiterung der Schneckenhausvindungen soll eine Beruhigung der strömenden Flüssigkeit nach der Gasabscheidung erzielt werden. Auch hier ist durch die aufgrund der im Innern des Schneckenhauses gegebene Zentrifugalkraft eine Druckerhöhung entstanden, wodurch eine zusätzliche Umwandlung von der Gasphase in die gelöste Phase erfolgt, was vermieden werden sollte, da es letztendlich kontraproduktiv ist.

Die DE-AS 16 19 926 verzichtet auf die Anwendung von Zentrifugalkräften. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Gassamme1gefäß mit einem durchgeführten Rohr, wobei das durchgeführte Rohr an seiner Oberseite ein Loch zur Abgabe von Gasen enthält. Um den Volumenverlust durch die Gasabgabe wieder auszugleichen, befindet sich an der Unterseite des Rohres ebenfalls ein Loch, durch das Flüssigkeit eintreten kann. Ein Vorteil gegenüber einfachen Gassamme1behältern ist nicht ersichtlich.

In dem in der DE-PS 29 1? 389 beschriebenen Vorschlag soll eine Gas/Flüssigkeits-Trennung mittels einer Schirmwand erzielt werden. Es erfolgt hier zwar eine mehr oder weniger vollständige Trennung der hier vorhandenen Gasblasen von der Flüssigkeit, Eine Abscheidung der in der Flüssigkeit gelösten Gase ist hier weder vorgesehen nach realisiert.

Aufgabe der Erfindung ist es, die mit der Vorrichtung nach dem Stand der Technik gegebenen Unzuläglichkeiten zu vermeiden und eine Vorrichtung zu beschreiben, mit welchem nicht nur das in der Gasphase befindliche Gas abgeschieden, sondern darüber hinaus auch das in der Flüssigkeit gelöste Gas weitgehend ausgetrieben wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des kennzeichnenden Teile des Schutzanspruchs 1. ¥eitere vorteilhafte Ausführungsformen und Ausgestaltungen sind mit den Unteransprüchen gegeben.

Die Erfindung geht von der Idee aus, daß die Menge des gelösten Gases vom jeweiligen Druck abhängt, d. h. je geringer der Druck umso geringer ist die Aufnahmefähigkeit der Flüssigkeit für zu lösende Gase. Da der statische Druck in dem Kreislauf bzw. in der Förderanlage mehr oder weniger fest vorgegeben ist, soll der (dynamische) Staudruck bzw, der Gesamtdruck reduziert werden.

Dies geschieht erfindungsgemäß durch eine beträchtliche Vergrößerung des Strömungsquerschnitts. Die strömende Flüssigkeit hat nämlich aufgrund der Trägheitswirkung das Bestreben, die einmal angenommene Geschwindigkeit beizubehalten.

Bei der Erweiterung des Querschnitts ergibt sich eine Verzögerung der Strömungsgeschwindigkeit und ein Druckabfall <Fig. 9>. Diese Erscheinung, die auch als hydrodynamisches Paradoxon bekannt ist <Fig. 10), gelangt in der ersten Stufe der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Anwendung: Durch eine plötzliche Erweiterung des Strömungsquerschnitts im Einlaßbereich wird die Flüssigkeit entspannt und kommt gewissermaßen zum Sieden, wodurch die gelösten Gase weitgehend in die Gasphase übergeführt werden. Entgegen der Schwerkraft steigen die Gasblasen mit der Strömung auf und gelangen in eine Beruhigungszone.

Durch die Beruhigungszone soll vermieden werden, daß die Gasblasen aufgrund starker Wirbelbildung von dem Flüssigkeitsstrom mitgerissen werden.

Die Ruhe in der Beruhigungszone wird einesteils durch die geringe Strömungsgeschwindigkeit aufgrund der Erweiterung erreicht, andererseits durch die "Vorbereitung" auf den sich anschließenden Laminarbereich.

Flüssigkeiten, die keine extrem groSe Viskosität aufweisen, wie z. B. Wasser, neigen zu Turbulenzen. Diese Turbulenzen werden in dem dritten Bereich erfindungsgemäS mittels eines wabenförmigen Rohrsystems unterdrückt. Die Dimensionierung der zu einer Wabe zusammengefügten Röhrchen ergibt sich aus der Tatsache, daß unter R = 2.200 keine Turbulenzen möglich sind. Dabei ist R die Reynoldsche Zahl,

R = 2 &rgr; a &ngr; /n

&rgr; Dichte, &ngr; Geschwindigkeit, i^ Viskosität der Flüssigkeit, a Radius der Röhrchen.

Angenommen &rgr; = 1.000 kg/m³, ^ = 5 . 10³ Pascal <für Wasser bei 50 ⁰C), &ngr; = 1 m/s, dann folgt: a &iacgr; 5,5 . &Igr;&Ogr;"³ m = 5,5 mm.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäSe Vorrichtung zur Gasabscheidung in ovaler Ausführungsform,

Fig. 2 eine entsprechende Vorrichtung in kubischer Ausführung, wobei jeweils der Eintritt von unten und der Austritt nach oben erfolgt.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform mit seitlichem Eintritt; Austritt nach unten.

Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der gleichen Ausführungsfarm, aber mit Austritt nach oben,

Fig. 5 zeigt ebenfalls eine Abwandlung der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, hier mit seitlichem Austritt (gerade ader 90°).
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Fig. 6 zeigt einen Schmutzabscheider.

Fig. ? zeigt einen abgewandelten Schmutzabscheider, der einem Gasabscheider vorgeschaltet ist. 15

Fig. 8 stellt einen Gasabscheider mit integriertem Schmutzabscheider dar,

Fig. 9 zeigt die Strömungs- und Druckverhältnisse bei einer Querschnittserweiterung.

Fig. 10a und Fig. 10b sollen der Erläuterung des hydrodynamischen Paradoxons dienen.

Fig. lla - d zeigen einen erfindungsgemäßen Gasabscheider, der in eine hydraulische Weiche integriert ist.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung zur Gasabscheidung besteht im wesentlichen aus einer ovalen Gasabscheidekammer 2 mit einem Eintrittsstutzen 4 für den Eintritt und mit einem Austrittsstutzen 6 für den Austritt. Bei Anlagen mit einem Kreislauf, wie z. B. Heizungsanlagen oder Motorkühler, sind Eintritt und Austritt in dem Kreislauf integriert. Bei Förderanlagen, wie z. B. Abfüllanlagen, ist

die Abscheidevorrichtung mit Eintritt und Austritt an einer geeigneten Stelle in dem Förderweg integriert. Eine geeignete Stelle in dem Förderweg ist dort gegeben, wo die in der Leitung vorhandenen Gase weder an eine Förderpumpe noch an eine MeBuhr gelangen und sie beeinträchtigen können.

über den Eintrittsstutzen 4 gelangt der Flüssigkeitsstrom in das geschlossene Gehäuse der Gasabscheidekammer 2 und erfährt dort eine beträchtliche Querschnittserweiterung 8. Durch die Querschnittserweiterung 8 reduziert sich in diesem Bereich der Staudruck und damit auch der Gesamtdruck. In diesem Bereich reduzierten Drucks 8 verdampfen die in der Flüssigkeit gelösten Gase und können zusammen mit den vorhandenen Gasbläschen mit der Strömung und entgegen der Schwerkraft nach oben aufsteigen.

Im oberen Teil des Gehäuses befindet sich eine Beruhigungszone 10 mit einem Gassammelbereich 12 und einem Entlüfterventil 14. An diese Beruhigungszone 10 schließt sich ein Laminarisierungsbereich 16 an. Dieser Laminarisierungsbereich 16 besteht im wesentlichen aus einem wabenförmigen Bündel dünner Rörchen 18. Diese Röhrchen 18, die sich längs in der Flüssigkeitsströmung befinden, sind so dimensioniert, daB in ihrem Innern Turbulenzen weder entstehen noch unterhalten werden können. Vegen der Wandungen der Röhrchen 18 ist auch keine Querströxnung möglich. Die so in dem wabenf örmigen Gebilde erzeugte Laminarität wirkt auf den vor der ¥abe befindlichen und als Beruhigungszone 10 ausgebildeten Vorraum zurück, so daS diese Beruhigungszone 10 auch praktisch wirbelfrei ist und deshalb dort befindliche Gasbläschen nicht wieder untergemischt werden sondern sich an der Oberfläche abscheiden können.

Die durch die Wabe gelangte und weitgehend entgaste Flüssigkeit wird über den Austrittsstutzen 6 wieder in den Kreislauf gegeben.

Die in Fig. 2 gezeigte kubische (oder zylindrische) Ausführungsform der Gasabscheidekammer 2 zeigt die Querschnittserweiterung 8 nach dem Eintrittssstutzen 4 besonders deutlich, wenn man diese Vorrichtung mit dem in Fig. 10 gezeigten Versuchsaufbau zum hydrodynamischen Paradoxon vergleicht. Obwohl durch den Eintrittsstutzen Flüssigkeit eintritt und man annehmen könnte, daß sich dadurch der Druck in der Anordnung erhöht, geschieht tatsächlich das Gegenteil: Die bewegliche Platte 20 wird durch die strömende Flüssigkeit nicht abgedrängt sondern angezogen. Dies beruht auf der Druckreduzierung durch die Querschnittserweiterung, wie in der Fig. 9 skizziert.

Fig. 6 zeigt einen Schmutzabscheider 22 für die Ablagerung fester Partikel 24, wie z. B. Rost- und Schmutzteilchen, die spezifisch schwerer sind als die Flüssigkeit. Der Schmutzabscheider 22 besteht aus einem geschlossenen Gehäuse mit einem Eintritt 26 und einem Austritt 28. Die durch den Schmutzabscheider 22 geführte Flüssigkeitsströmung soll möglichst langsam und laminar erfolgen, damit sich die im Kreislauf mitgeführten Schmutzteilchen möglichst ruhig absetzen können. Zu diesem Zweck wird die Strömung von oben her abwärts geleitet und anschließend durch ein senkrechtstehendes, wabenförmiges Umlenksieb 30 mit schräg aufwärts gerichteten DurchlaSöffnungen 30a, ... geleitet. Vegen der geringen Mitnähmewirkung der in dem relativ breiten Schmutzabscheider 22 nur langsam fließenden Strömung kann sich der Schmutz 24 in einem am Boden des Gefäßes befindlichen Schmutzsammelbereich 32 absetzen, so daß die

über das Umlenksieb 30 in den Austritt 28 und in den weiteren Kreislauf gelangende Flüssigkeit weitgehend schmutzfrei ist. Der am Boden gesammelte Schmutz 24 kann über eine AblaBschraube 34 entsorgt werden, 5

Fig. 7 zeigt einen vor eine Gasabscheidevorrichtung 2 vorgeschalteten Schmutzabscheider 22.

Fig.8 zeigt eine Gasabscheidevorrichtung 2 mit einem integrierten Schmutzabscheider 22. Dabei ergibt sich je nach Dimensionierung der Ausführungsform entweder vor oder hinter dem Umlenksieb 30 eine drastische Querschnittserweiterung mit entsprechender Staudruckreduktion für die Entgasung der Flüssigkeit. Die Schmutzabscheidung 24 entspricht der in Fig. 6 gezeigten.

Die Entgasung erfolgt hier entsprechend der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform.

Der in den Figuren 11a - lld dargestellte Gasabscheider 2 ist in einer sogenannten "hydraulischen Weiche¹¹ 36 untergebracht. Diese hydraulische Weiche 36 besteht aus einem Gehäuse mit Rohrverbindungen zwischen Kesselvoi— und Kesselrücklauf und dient zur Entkopplung von Kesselkreis<en> und nachgeschalteten Heizkreisen. Der darin quer fließende Volumenstram ist gleich der Differenz der von den Kesseln angebotenen und von den Heizkreisen abgenommenen Volumenströme. Ist der von den Heizkreisen abgenommene Volumenstrom größer als der von den Kesseln angebotene, so strömt über die hydraulische Weiche 36 Rücklaufwasser direkt zum Vorlauf der Heizkreise und mischt sich dem Kesselvorlaufwasser bei.

Dadurch, daß der in der hydraulischen Weiche 36 fließende Volumenstram geringer ist als in den Zu- 4, 26 und

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Ablauf leitungen 6, 28, ist auch, die Strömungsgeschwindigkeit in der hydraulischen Weiche 36 entsprechend geringer. Dieser Effekt der Geschwindigkeitsreduktion verstärkt sich, da der Querschnitt der hydraulischen Weiche 36 größer ist als die Querschnitte von Zu- 4, 26 und Ablaufleitungen 6, 28. Mit der Reduktion der Strömungsgeschwindigkeiten ist eine entsprechende Druckreduktion verbunden. Die Druckreduktion wird hier zur Entgasung des als Medium verwendeten Wassers genutzt.

Der innere Aufbau der hydraulischen Weiche 36 entspricht im Prinzip dem Aufbau der in den Fig. 1-5 gezeigten Gasabscheider 2, so daß sich an dieser Stelle weitere Erläuterungen erübrigen.

Die in der Figur 11b dargestellte hydraulische Weiche 36 zeigt außer dem im oberen Teil befindlichen Gasabscheider einen im unteren Teil befindlichen Schmutzabscheider 22, der nach dem Prinzip der Spitzkasten funktioniert. Da die GröBe der mit den Trennwänden 3© gebildeten Kästen in Strömungsrichtung zunimmt, wird die Strömungsgeschwindigkeit von Kasten zu Kasten geringer, wodurch sich die Verweilzeiten des schmutzbefrachteten Wassers erhöhen, so daß sich die mitgeführten Schmutzteilchen absetzen können, über eine mit Kugelhahn versehene AblaSöffnung 34 kann der sich an der tiefsten Stelle der hydraulischen Weiche 36 absetzende Schlamm 24 von Zeit zu Zeit entleert werden.

Vorrichtung zum Entgasen, von Flüssigkeiten Bezugszeichenliste

2 Gasabscheidekammer, Luftabscheider

4 Eintrittsetutzen

6 Austrittsstutzen

8 Querschnittserweiterung

10 Beruhigungszcme

12 Gassammelbereich

14 Entlüfterventil, Entlüftungsautomat

16 Laminarisierungsbereich, Gleichrichter

18 Röhrchenbündel, Röhrchen

20 Platte

22 Schmutzabscheider, Schmutzfänger

24 Schmutzpartikel

26 Eintritt

28 Austritt

30 Umlenksieb

30a, . . . Durchlaßöffnungen

32 Schmutzsammelbereich

34 Ablaßschraube, AblaBhahn, Kugelhahn

36 hydraulische Weiche

38 Trennbleche

Claims

Sehutzaiispriiclie

1. Vorrichtung zum Entgasen einer Flüssigkeit, insbesondere in ¥armwasserkreisläufen, unter Verwendung einer zwischen Ein- <4) und Austrittsstutzen <6> befindlichen Gasabscheidekammer <2>, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- ein Druckreduziermittel im Eintrittsbereich der Flüssigkeitsströmung in die Gasabscheidekammer (2>,

- ein Laminarisierungsmittel im Austrittsbereich der Gasabscheidekammer <2>,

- eine zwischen Druckreduziei— und Laminarisierungsmittel im oberen Teil der Gasabscheidekammer <2> befindliche Beruhigungszone <10> mit Gassammelbereich <12).

2. Vorrichtung nach Schutzanspruch 1, d a d u r ch gekennze ichnet, daß der Bereich der Druckreduktion durch eine Querschnittserweiterung <8> am Eintritt der Gasabscheidekammer <2> gebildet ist.

3. Vorrichtung nach Schutzanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß sich auf der Oberseite der Gasabscheidekammer <2> ein Entlüfterventil <14> befindet, 25

4. Vorrichtung nach einem der Schutzansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,

daß das Laminarisierungsmittel ein wabenförmiges Röhrchenbündel <18> ist,

welches sich quer zur Strömungsrichtung befindet, und wobei die Röhrchen <18> in Strömungsrichtung ausgerichtet sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Schutzansprüche,
gekennzeichnet durch einen Schmutzabscheider <22),

der der Gasabscheidekammer <2) vorgeschaltet ist und folgende Merkmale aufweist:

einen Eintritt <26> zum Einlaß der schmutzbefrachteten Flüssigkeit,
ein senkrecht in dem Schmutzabscheider <22) befindliches Umlenksieb <30> zur Zurückhaltung von Schmutzpartikel&eegr; <24) und zur Strömungsumlenkung,

einen am Boden des Schmutzabscheiders <22> befindlichen Schmutzsammelbereich <32) nebst einer am tiefsten Punkt befindlichen Ablaßschraube <34) und einen Austritt <28> zur Weiterleitung der Flüssigkeit zur Gasabscheidekammer <2>,

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 5,

dadurch gekennzeichnet, daß der Gasabscheider <2> in das Gehäuse einer hydraulischen Weiche <36> integriert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Gas- <2> und Schmutzabscheider <22) in einer hydraulischen Weiche <36) integriert sind.