DE3022420C2

DE3022420C2 - Vorrichtung zum Abscheiden von Gas aus einer Flüssigkeit

Info

Publication number: DE3022420C2
Application number: DE3022420A
Authority: DE
Inventors: Nils Due Jensen; Kurt Frank Bjerringbro Nielsen
Original assignee: Grundfos AS
Current assignee: Grundfos AS
Priority date: 1980-06-14
Filing date: 1980-06-14
Publication date: 1984-06-28
Also published as: FR2484271A1; DK153290C; DE3022420A1; FR2484271B1; US4358299A; DK153290B; GB2077633A; JPH0119924B2; GB2077633B; IT1136721B; IT8122263A0; DK258081A; JPS5724607A

Description

grierter Bestandteil einer Pumpe sowohl in horizontal als auch in vertikal verlaufende Rohrleitungen eingebaut werden kann, also lageunabhängig einsetzbar ist und im gesamten Arbeitsbereich gleich gute Abscheideresultate liefert Der Abscheider soll außerdem ein kleines Bauvolumen und damit geringes Gewicht haben. Weiterhin wird eine einfache und billige Herstellung sowie die Möglichkeit angestrebt den Abscheider problemlos mit einer Pumpe kombinieren zu können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird die eingangs erwähnte Vorrichtung nach der Erfindung so ausgebildet daß in der Kammer im Bereich der Abströmöffnung ein Einbau vorgesehen ist, der die Länge (L) der Kammer im Bereich der Kammerachse (y) auf eine wirksame Länge (I) reduziert wobei die Beziehung 0,1 < //- L< 0,9 gilt

Zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung und ihrer Vorteile wird zunächst auf F i g. 1 Bezug genommen, in der die vorher erwähnten baulichen Gegebenheiten vereinfacht und schematisch dargestellt sind.

Der Abscheider wird in einem rechtwinkeligen, räumlichen Koordinatensystem mit den Koordinaten u, eund w so ausgerichtet daß die die Achsen der beiden Stutzen 2,3 verbindende Mittellinie χ mit der Koordinate ν zusammenfällt Die Koordinaten u und ν bestimmen dann die Lage einer Ebene A. Ein von einem beliebigen Punkt P der Drehachse y des sich in der Abscheidekammer ausbildenden Zentrifugalfeldes C auf die Ebene Y gefälltes Lot und die Drehachse y selbst bestimmen die Lage einer Ebene B, die senkrecht auf der Ebene A stehen soll. Die Schnittlinie beider Ebenen A und B bildet dann mit der Mittellinie χ beider Stutzen 2,3 den Winkel λ.

Bei eir sm Abscheider als eigenständiges Gerät werden die Achsen χ und y im allgemeinen in einer Ebene liegen, so daß in diesem Fall ζ und y identisch sind. Bei Abscheidern, die ein Teil der Saugseite des Pumpengehäuses sind, muß man jedoch die Kammerachse bzw. Drehachse y wie dargestellt über die durch die Stutzen 2,3 gehende Ebene A legen und die Achse y im übrigen auch häufig windschief dazu anordnen. Diese Fälle werden einheitlich durch die vorgenannte Lösung erfaßt die schließlich auch noch fordert daß die Achse y schräg zur Durchflußrichtung der Pumpe oder des Abscheiders liegt.

LJm die Bedeutung und praktische Auswirkung der Schräglage der Abscheidekammer zu erklären, soll kurz auf die Kräfte eingegangen werden, die an einer in Flüssigkeit befindlichen Gasblase im Zentrifugalfeld angreifen. Diese sind die Auftriebskraft Fs und die Zentripetalkraft F_z. Mit den Zeichen V(Blasenvolumen), ^(Dichte der Flüssigkeit), qg (Dichte des Gases), u (Umfangsgeschwindigkeit r (Radius als Abstand der Blase vom Drehzentrum) und g ( Erdbeschleunigung) erhält man für die Auftriebskraft

F₅ = V ■ pf g-V ■ pa- g

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Als Zentripetalkraft tritt jene Kraft auf, die auf das von der Blase verdrängte Flüssigkeitsvolumen als Fliehkraft wirkt, nämlich = V'p_F~-V-PG·-—

Bei senkrechter Achse des Drehfeldes wird sich eine Blase in rotierender Flüssigkeit stets auf kegelförmiger Schraubenlinie zum Drehzentrum hin bewegen. Liegt die Achse des Drehfeldes jedoch waagerecht, dann wird sie diese Bewegung nur ausführen, wenn die Radialkraft größer ist als die Schwerkraft also wenn

F_z> F_s und —>g

gilt Man erkennt an dieser Gegenüberstellung, daß in einer lageunabhängigen Vorrichtung zur Trennung von Flüssigkeit-Gas-Gemischen eine Drehströmung zu erzeugen ist bei der die Zentripetalbeschleunigung u²/r größer sein muß als die Schwerebeschleunigung g oder daß die Drehachse des Zentrifugalfeldes nicht senkrecht zur Erdschwererichtung liegen darf. Da Pumpen und Abscheider in der Praxis vorzugsweise in vertikal oder horizontal verlaufende Rohrleitungen eingebaut werden und die Drehachse y des Zentrifugalfeldes C nach der Erfindung stets schräg zur Durchlaufrichtung χ liegen wird, ist insbesondere in beiden in der Praxis vorkommenden Einbaufällen die Möglichkeit der Trennung von Flüssigkeit-Gas-Gemischen gegeben.

Auch wenn die vorher gemachten Trennbedingungen erfüllt sind, müssen noch entsprechende Vorkehrungen zur Entfernung der Gasblase aus dem Förderstrom getroffen werden. Das in die Abscheidekammer eintretende Flüssigkeit-Gas-Gemisch trennt sich und bildet eine im Drehzentrum y befindliche Trombe, während die Flüssigkeit auf größerem Radius in schraubenförmigen Bahnen zur Abströmöffnung fließen wird. Das so abgeschiedene Gas muß dann nochaus der Kammer entfernt werden, und zwar mit Hilfe eines Entlüfters.

Zu diesem Zweck hat die Abscheidekammer an ihrem bei Einbaulage oberen Bereich eine Verlängerung mit einem im Vergleich zum Kammerquerschnitt reduzierten Querschnitt, wobei in die Verlängerung zwei im rechten Winkel zueinander stehende Bohrungen münden, von denen in Abhängigkeit von zwei möglichen Einbaulagen jeweils eine senkrecht und die andere waagerecht verlaufen wird, so daß der Entlüfter mit der einen senkrecht stehenden Bohrung verbunden ist, während die waagerechte Bohrung mit einem Stopfen verschlossen wird. Bei der anderen möglichen Einbaulage ist es umgekehrt. Im Übrigen könnte auch dann der Entlüfter an die waagerechte Bohrung angeschlossen werden, falls er in horizontaler Position entlüften kann. Auf jeden Fall bietet sich die Möglichkeit, den Entlüfter parallel oder auch senkrecht zur In'ine-Richtung zu montieren.

Der Abscheidegrad hängt entscheidend von der Größe, Form und Lage der Öffnung ab, über die das Flüssigkeit-Gas-Gemisch in die Abscheidekammer eintritt. Je gi rßer die Eintrittsgeschwindigkeit und je größer der Eintrittsradius ist, um so besser ist der Abscheidegrad.

Die in der Mittellinie des Zentrifugalfeldes befindliche Gastrombe kann um die Mittellinie der Abscheidekammer schwanken, und zwar verursacht durch Unregelmäßigkeiten im Förderstrom und durch Schwingun-

gen. Aus diesem Grund muß man versuchen, die Lage der Gastrombe durch einen Einbau zu stabilisieren und/ oder die Länge der Trombe zu verkürzen, damit ihr unteres Ende nicht mit der entgasten Flüssigkeit in die Abströmöffnung gezogen werden kann. Zu diesem Zweck wird in der Kammer im Bereich der Abströmöffnung ein von der entgasten Flüssigkeit umströmter Einbau vorgesehen, der die Länge L der Kammer im Bereich des Drehzentrums auf eine wirksame Länge / reduziert, wobei die Beziehung 0,1 < l/L < 0,9 gilt.

Schließlich ist es von Vorteil, die Stromführung in einer mit einer Zentrifugalpumpe kombinierten Abscheidekammer und die Drehrichtung des Zentrifugalfeldes so einzustellen, daß die entgaste Flüssigkeit mit Gleich-Drall aus der Kammer über die Abströmöffnung in das Laufrad der Pumpe tritt. Hierdurch wird in an sich bekannter Weise das Saugverhalten generell verbessert und insbesondere bei Umwälzpumpen deren Geräuschpegel beträchtlich reduziert.

In den F i g. 2 und 3 ist ein praktisches Ausführungsbeispiel für einen in eine Pumpe integrierten Abscheider dargestellt. Die F i g. 2 zeigt einen teilweisen Schnitt durch das Pumpengehäuse in der Ebene der Mittellinie χ senkrecht zur Pumpenachse und einen hierzu versetzt angelegten Schnitt durch die darüber befindliche Abscheidekammer. Die F i g. 3 zeigt einen Schnitt entsprechend der Schnittlinie A-A in F i g. 2.

Der in das Pumpengehäuse 1 übergehende Eintrittsbzw. Saugstutzen 2 und der Austritts- bzw. Druckstutzen 3 haben eine gemeinsame Mittellinie χ (Inline-Pumpe), die in der Ebene A (F i g. 1) liegt In einer über dieser Ebene A befindlichen weiteren Ebene liegt die im wesentlichen zylindrische Abscheidekammer 4, deren Mittellinie mit der Drehachse y des Zentrifugalfeldes C übereinstimmen wird. Das Flüssigkeit-Gas-Gemisch tritt durch den Stutzen 2 in das Pumpengehäuse 1 ein und gelangt durch den Einströmkanal 5 und die öffnung 6 tangential in die Kammer 4.

Die F i g. 3 verdeutlicht die Situation am Eintritt des Kanals 5 in die Kammer 4. Wichtig ist hierbei, daß der Schwerpunkt S der Eintrittsfläche 6 einen möglichst großen senkrechten Abstand a zur Drehachse y hat Dies kann erreicht werden, indem man dem Einströmkanal 5 im Bereich seiner Eintrittsfläche 6 einen beispielsweise durch Einschnürung erzielten, von einer Kreisfläche abweichenden Querschnitt gibt, und zwar so, daß der erwähnte Abstand a des durch den Schwerpunkt S gelegten Strömungsvektors V zur Achse y der Kammer 4 die Größe a > (R/r) hat, wobei R der Radius der Kammer und r der Radius des zylindrischen Ein-Strömkanals 5 ist

Gemäß F i g. 2 ist die Abscheidekammer 4 mit einem später noch beschriebenen Einbau 7 versehen und hat oberhalb der Eintrittsfläche 6 eine axial gerichtete Verlängerung 8. In diese Verlängerung, die im Vergleich zum Kammerquerschnitt einen reduzierten Querschnitt hat, münden zwei im rechten Winkel zueinanderstehende Gewindebohrungen 9,10, von denen die Abhängigkeit von zwei möglichen Einbaulagen jeweils eine senkrecht stehen und die andere waagerecht verlaufen wird, ω Der nicht weiter dargestellte Entlüfter ist dann mit der stehenden Bohrung 9 verschraubt, während die andere waagerechte Bohrung 10 mit einem Schraubstopfen 11 verschlossen wird. Die Verlängerung 8 ist als oberer Fortsatz der Kammer 4 zylindrisch ausgebildet Anstelle einer Zylinderform käme beispielsweise und unter anderem auch eine kegelstumpfförmige Ausbildung in Betracht Im übrigen wird man natürlich nur eine der beiden Bohrungen 9,10 vorsehen müssen, wenn der Entlüfter sowohl bei waagerechter als auch bei vertikaler Einbaulage funktioniert. Die entgaste Flüssigkeit fließt durch die Abströmöffnung 12 aus der Kammer 4 zum nicht sichtbaren Pumpenlaufrad, das dann die Flüssigkeit durch den Austrittsstutzen 3 in das Leitungssystem drückt.

Von besonderer Bedeutung für eine einwandfreie Entgasung des Flüssigkeit-Gas-Gemisches ist der bereits erwähnte Einbau 7, der beim Ausführungsbeispiel eine quer zur Kammerachse y verlaufende Fläche 13 hat, auf der die sich in der Abscheidekammer ausbildende Gastrombe steht. Durch den Einbau 7 wird die Länge L der Kammer 4 im Bereich des Drehzentrums bzw. der Achse y auf eine für die Gastrombe wirksame Länge / reduziert, wobei zweckmäßigerweise die Beziehung 0,1 < l/L < 0,9 gelten wird.

Im übrigen soll der Einbau 7 bei in Abströmrichtung erfolgender Projektion auf die öffnung 12 einen Teil dieser öffnung abdecken, wie es in F i g. 2 dargestellt ist Weiterhin haben Versuche ergeben, daß der Durchmesser d des den Einbau 7 umschreibenden Kreises zum Durchmesser D der Kammer 4 im Verhältnis 0,1 < d/- D < 0,9 stehen sollte und daß die Form des Einbaus nicht an die dargestellte Zylinderform gebunden ist Entscheidend ist nämlich vor allem, daß die Fläche 13 eine ausreichend dimensionierte Standfläche für die Gastrombe bildet, wobei diese Fläche nicht unbedingt eben, sondern etwa auch konkav verlaufen könnte.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist der in die Kammer 4 ragende Einbau 7 als separates und lösbar in einer Gewindebohrung des Gehäuses 1 verschraubtes Teil ausgebildet, wodurch die Möglichkeit geboten wird, den für den jeweiligen Anwendungsfall optimalen Einsatz durch Versuche feststellen und einbauen zu können. Andererseits könnte der Einbau 7 auch mit dem Gehäuse 1 ein einheitliches Gußteil bilden, um die Kosten für die Herstellung des Abscheiders zu reduzieren.

Bei dem beschriebenen Abscheider wird die Trennung des Flüssigkeit-Gas-Gemisches sowohl durch Schwerekräfte als auch durch Zentrifugalkräfte bewirkt Bei kleinen Förderströmen überwiegt der Auftrieb, bei großen Förderströmen die Zentripetalkraft, so daß im gesamten möglichen Arbeitsbereich mit im wesentlichen gleich guten Abscheideergebnissen zu rechnen ist Das gilt nicht nur bei Kombination des Abscheiders mit einer Zentrifugalpumpe, sondern auch dann, wenn der Abscheider als eigenständiges Gerät in einen Rohrleitungszug eingebaut wird.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß sich beim Schritt der Ebene A und B verständlicherweise vier Winkel zwischen der Schnittlinie ζ und der Achse χ bilden werden, von denen jeweils zwei gleich sind. Maßgebend für die Lage der Achse y des Zentrifugalfeldes soll allerdings der Beschreibung entsprechend immer' der spitze Winkel oc in dem einen oder anderen Quadranten sein. Im übrigen könnte auch die Lage der Ebene B und damit die der Achse y im Vergleich zu der in Fi g. 1 gezeigten Position um 90° um die Koordinate w gedreht sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Gas aus einer Flüssigkeit, mit auf einer gemeinsamen Mittellinie liegenden Ein- und Austrittsstutzen und einer zwischen den beiden Stutzen angeordneten, zylindrischen Abscheidekammer, die einen tangentialen Einströmkanal und eine Öffnung für das einzuleitende Flüssigkeit-Gas-Gemisch, eine gesonderte Abströmöffnung für die entgaste Flüssigkeit und eine zu einem Entlüfter führende axial gerichtete Verlängerung für das nach außen abzuleitende Gas aufweist und die im Verhältnis zu den beiden Stutzen so angeordnet ist, daß eine durch die gemeinsame Mittellinie der Stutzen gelegte erste Ebene und eine durch die Kammerachse gelegte und senkrecht anf der ersten Ebene stehende zweite Ebene eine Schnittlinie ergeben, die mit der Mittellinie in der ersten Ebene einen Winkel von 45° bildet, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kammer (4) im Bereich der Abströmöffnung (12) ein Einbau (7) vorgesehen ist, der die Länge (L) der Kammer im Bereich der Kammerachse (y) auf eine wirksame Länge (I) reduziert, wobei die Beziehung 0,1 < l/L < 0,9 gilt

2. Gasabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einbau (7) eine quer zur Kammerachse ^ verlaufende Fläche (13) aufweist

3. Gasabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß der Einbau (7) bei in Abströmrichtung erfolgender Projektion auf die Abströmöffnung (2) einen Teil der Abströmöffnung abdeckt

4. Gasabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet daß der Durchmesser (d) des den Einbau (7) umschreibenden Kreises zum Durchmesser (D) der Kammer (4) im Verhältnis 0,1 < d/D< 0,9 steht.

5. Gasabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis

4, dadurch gekennzeichnet, daß der in die Kammer (4) ragende Einbau (7) mit dem Abscheidergehäuse (1) ein einheitliches Gußteil bildet.

6. Gasabscheider- nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der in die Kammer (4) ragende Einbau (7) als separates und lösbar in einer Gewindebohrung des Abscheidegehäuses (1) verschraubtes Teil ausgebildet ist

7. Gasabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß axial gerichtete Verlängerung einem im Vergleich zum Kammerquerschnitt reduzierten Querschnitt aufweist daß in die Verlängerung (8) zwei im rechten Winkel zueinander stehende Bohrungen (9,10) münden, von denen in Abhängigkeit von zwei möglichen Einbaulagen jeweils eine senkrecht und die andere waagerecht verläuft, daß der Entlüfter mit der senkrecht stehenden Bohrung (9) verbunden ist, und daß die waagerechte Bohrung (10) mit einem Stopfen (11) verschlossen ist.

8. Gasabscheider nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß der Einströmkanal (5) im Bereich der Öffnung (6) in die Kammer (4) einen von einer Kreisfläche abweichenden Querschnitt hat, derart daß der senkrechte Abstand (a) des durch den Schwerpunkt (S) der Eintrittsfläche gelegten Strömungsvektors (V) zur Kammerachse (y) die Größe a > (R—r) hat, wobei R der Radius der Kammer und r der Radius des Einströmkanals ist.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Gas aus einer Flüssigkeit mit auf einer gemeinsamen Mittellinie liegenden Ein- und Austnttsstutzen und einer zwischen den beiden Stutzen angeordneten, zylindrischen Abscheidekammer, die einen tangentialen Einströmkanal und eine Öffnung für das einzuleitende Flüssigkeit-Gas-Gemisch, eine gesonderte Abströmöffnung für die entgaste Flüssigkeit und eine zu einem Entlüfter führende axial gerichtete Verlängerung für

ίο das nach außen abzuleitende Gas aufweist und die im Verhältnis zu den beiden Stutzen so angeordnet ist daß eine durch die gemeinsame Mittellinie der Stutzen gelegte erste Ebene und eine durch die Kammerachse gelegte und senkrecht auf der ersten Ebene stehende zweite Ebene eine Schnittlinie ergeben, die mit der Mittellinie in der ersten Ebene einen Winkel von 45° bildet, wie sie aus der US-PS 39 76 452 bekannt ist

Insbesondere bei Pumpenanlagen ist Luft oder Gas in der zu fördernden Flüssigkeit die Ursache vieler Störungen, die sich im wesentlichen in zwei Gruppen einteilen lassen. Die erste Gruppe voti Störungen betrifft Probleme der Anlage selbst wie z. B. eine ungenügende Schmierung von Lagern, wenn die Pumpe ölschaum fördert, oder wie die Geräuschbildung in Heizungsanlagen durch mit dem Wasserstrom geförderte Luftblasen. Die zweite Gruppe der angesprochenen Störungen betrifft die Funktion der Pumpe und ihre Sicherheit In diesem Zusammenhang ist es bekannt daß die Drosselkurve mit dem Gasanteil fällt und ein Betrieb der Pumpe im Teillastbereich Schwierigkeiten bereitet, weil schon kleine Störungen auf der Saugseite der Pumpe zum Abreißen des Förderstromes führen können.

Wenn sich die Gas- oder Luftblasen dann in der Anlage zu einem größeren Volumen vereinigen und die dabei entstehende große Gasblase, beispielsweise durch Regelvorgänge bedingt mit dem Förderstrom in das Laufrad der Pumpe gelangt ist regelmäßig mit dem Ausfall der Pumpe zu rechnen. Im Zentrifugalfeld des Laufrades wird nämlich das Gasvolumen zur Drehachse hin verdrängt, wo es die Saugseite sperrt, so daß die Förderung unterbunden wird.

Besonders nachteilig ist diese Situation dann, wenn es sich um Naßlauf-Umwälzpumpen für Heizungsanlagen handelt, deren Lager also vom Förderstrom geschmiert werden. Die im Drehzentrum befindliche Gasblase versperrt dann nämlich den Flüssigkeitszutritt zum Lager, das dadurch trocken läuft Trocken laufende Lager werden aber schnell zerstört, so daß die Pumpe und somit auch die Heizung ausfallen werden.

Dieses Problem ist in Fachkreisen allgemein bekannt so daß verschiedene auf dem Schwerkraft- oder Zentrifugalprinzip beruhende Gasabscheider als eigenständige Geräte oder auch Pumpen mit besonders gestalteten Sauggehäusen entwickelt wurden. In diesem Zusammenhäng kann auf die deutschen Offenlegungsschriften 16 53 727, 19 37 119 und 28 10 583 hingewiesen werden. Die separaten Abscheider haben durchweg den Nachteil, daß sie nicht lageunabhängig eingebaut werden können, relativ groß bauen und auch teuer sind. Die

eo bekannten Spezialpumpen unterliegen ebenfalls den gleichen Einbaubeschränkungen und haben zudem noch den Nachteil, daß der Abscheidegrad sehr stark vom Förderstrom abhängt, so daß die erwähnten Störungen in Pumpenanlagen bislang nicht behoben werden konnten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasabscheider für flüssigkeitsführende Systeme zu schaffen, der als selbständiges Gerät oder auch als inte