DE3623892A1 - Verfahren und vorrichtung zur trennung der einzelnen phasen von mehrphasigen stroemenden medien - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung bilden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Trennung der einzelnen Phasen von mehrphasigen strömenden Medien.

Zur Trennung der Phasen von aus Gasen und festen körnigen Materialien bestehenden Gemische ist die Anwendung der sogenannten Aerozyklonen bekannt. Aus Flüssigkeiten und körnigen Feststoffen bestehende Gemische werden im allgemeinen in sogenannten Hydrozyklonen in Phasen getrennt. Der Hydrozyklon ist auch zur Separierung der einzelnen Phasen von Gemische bildenden Flüssigkeiten bestens geeignet, wenn die Phasen keine Emulsion, miteinander bilden und ihre Dichten verschieden sind. Bei beiden Zyklonen läßt man die in Phasen zu trennenden Medien in einem zentrifugalen Kraftfeld strömen, wobei jene Wirkung des zentrifugalen Kraftfelds ausgenützt wird, in dem die Phasen von größerer Dichte eher verdrängt werden als die Phasen von niedrigerer Dichte.

Wenngleich die verschiedenen Zyklonen sich in der Praxis gut bewährt hatten, sind sie jedoch insoweit nachteilig, daß sie nicht fähig sind, unter stark gestörten Strömungsverhältnissen vollkommen reine Phasen zu separieren. Die mit den Strömungsverhältnissen verbundenen Probleme ergeben sich aus der geometrischen Gestaltung. Gleichzeitig aber rufen die gestörten Strömungen immer Energieverluste hervor, was einerseits den Wirkungsgrad beeinträchtigt, andererseits einen negativen Einfluß auf die Qualität der Trennung ausübt.

Bei Zyklonen ändern sich der Strömungsquerschnitt und die Strömungsrichtung sprunghaft an gewissen Stellen, wodurch ein asymmetrischer Strom entsteht. Der während des Eintritts sich ausbildende asymmetrische Strom wird in dem zylindrischen Teil und dem kegeligen Unterteil des Zyklons und in den ausleitenden Rohren in einen symmetrischen Raum gezwungen, ohne daß der Strom selbst symmetrisch strömen kann. In der vorangehenden asymmetrischen Strecke sind nämlich die Energieverluste so hoch, daß die verbleibende Bruchenergie nur dazu reicht, daß der asymmetrische Strom an der symmetrischen Geometrie aufrechterhalten werden kann, die zu der Umwandlung erforderliche Energie hingegen kann schon nicht mehr sichergestellt werden.

Die Strömung verbessert sich geringmäßig an der unteren Strecke des kegeligen Teils des Zyklons, wo das Medium gezwungen ist, auf einer Bahn mit immer kleiner werdendem Radius zu strömen, gleichzeitig erhöht sich die Umlaufgeschwindigkeit (zu Lasten der potentiellen Energie).

Die Umlaufgeschwindigkeit nimmt solange zu, bis die potentielle Energie in ihrer Gesamtheit in kinetische Energie umgewandelt ist, wobei selbstverständlich auch die Verluste der Energieumwandlung gedckt werden. Nun kann der Radius der Strömungsbahn sich nicht weiter verringern, da die erforderliche Energie nicht zur Verfügung steht. Dementsprechend gestaltet sich ein sogenanntes Stromrohr, das im Sinne der physikalischen Gesetze weder in einer Flüssigkeit noch in einem Gas enden kann.

Wenn der Radius des unteren Querschnitts des Zyklons größer ist als jener des Stromrohrs, tritt das Stromrohr aus dem Zyklon aus; ist der Radius kleiner, strömt es aufwärts und tritt über das obere sogenannte Wirbelrohr aus, vorausgesetzt, daß der Radius des letzteren größer ist als jener des Stromrohrs. Wird nun das Verhältnis des oberen und unteren Austrittsquerschnitte entsprechend gewählt, tritt das Stromrohr sowohl unten als oben aus und nimmt - die Umgebung erregend - das äußere Medium in beiden Richtungen mit. Das bedeutet daher, daß der Strom in der unteren Region des Kegels, zu Lasten der Umwandlung des potentiellen Teils der noch zur Verfügung stehenden Bruchenergie, von außen nach innen fließend das Stromrohr zustande bringt.

Mit Hinsicht darauf, daß im allgemeinen in den Zyklonen zwei Phasen von unterschiedlichem Charakter (z. B. Luft und Feststoff oder Wasser und Feststoff) gemeinsam strömen, strebt die Phase höhere Dichte unter der Wirkung der zentrifugalen Kraft zu der Zyklonenwand. Die an der Zyklonenwand ankommende Phase (der Feststoff) konzentriert sich in der unteren Region des Kegels, wodurch das Stromrohr an dem Feststoff entsteht bzw. daran endet. Mit Hinsicht darauf, daß an der Oberfläche des Stromrohrs das Material weder aus- noch eintreten kann, wird das Stromrohr nur durch diejenigen Phasenelemente (Gas- oder Flüssigkeitselemente) gebildet, die an der Bildung teilnahmen, sowie jene Feststoffkörper die von dem Widerstand des Gases bzw. der Flüssigkeit aus den konzentrierten Körnern mitgerissen wurden. Selbstverständlich werden alle Körner, die ab ovo nicht zentrifugiert werden konnten, die Elemente des Stromrohrs bilden.

Im Sinne des Gesagten könnten reine Gas- oder Flüssigkeitsphasen unter Zuhilfenahme eines Zyklons auch dann nicht getrennt werden, wenn die Körner aus der Umgebung des Stromrohres auszentrifugiert werden könnten, da das an dem konzentrierten Feststoff endende (oder teilweise endende) Stromrohr die Körner im Moment der Bildung mitreißt.

Bei den Zyklonen ist noch etwas vorhanden, das ebenfalls gegen die Trennung der Reinphase arbeitet, nämlich, daß im allgemeinen der obere ableitende Teil kürzer ist als die Höhe des zylindrischen Teils und darin der Druck der Umgebung herrscht, wodurch die hindurchfließende Phase frei ausfließt. Auf diese Weise tritt eine beträchtliche Menge der gemischten Phase ins Freie aus, noch eher als das zentrifugierte Kraftfeld die Festkörner auswählen könnte.

Ein weiterer Nachteil der Hydrozyklone besteht darin, daß diese zum Verdichten, Phasentrennen und Sortieren erst dann erfolgreich eingesetzt werden können, wenn bei beiden Austrittsöffnungen der freie Ausfluß gewährleistet ist, ansonsten verzehren die Ausströmverluste den überbleibenden Teil der Energie. Mit anderen Worten: in den Zyklonen wird die Energie vollkommen verbraucht, die über den Eintrittskanal als Summe der kinetischen und der potentiellen Energie eingespeist worden ist.

Zusammenfassend: Der Wirkungsgrad der Zyklone bleibt weit unter dem von zeitgemäßen Anlagen erwünschten Wert, da die Gestaltung in Hinsicht der Strömungstechnik und Energetik ungünstig ist.

Der Erfindung wurde das Ziel gesetzt, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Trennung der einzelnen Phasen mehrphasiger strömender Medien zu schaffen, die die weitgehende Verbesserung der Trennungsqualität und Herabsetzung des Energiebedarfs ermöglichen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Störungsfreiheit der Wirbelströmung erst dann gewährleistet werden kann, wenn der Strömungsraum entlang der Stromfläche abgegrenzt wird. Die Stromflächen bilden solche Flächen, durch welche die Elemente des in Wirbel strömenden Mediums keinesfalls übertreten können, mit anderen Worten sie bilden diejenigen Flächen, entlang derer diese Elemente strömen. Wenn nun der Strömungsraum mit einer zusammenhängenden Stromfläche (einer Wirbeltrommel) abgegrenzt wird, wird der Wirbelteil innerhalb der Stromfläche sich in der Hinsicht der Strömung ebenso verhalten, wie bei der vorangehend beschriebenen Abtrennung, vorausgesetzt, daß für eine Energieversorgung gleicher Menge und Qualität gesorgt wird. Wenn der Strömungsraum von außen und innen her mit derartigen Stromflächen abgegrenzt wird, werden die Energieverluste auf ein Minimum herabgesetzt. Wenn nun die dichtere, sich an der Außenfläche anstauende Phase mit Hilfe eines "abschälenden" Kanals separiert wird, der ebenfalls von Stromflächen begrenzt ist, wird der Energieverlust auch bei dem Austritt minimal sein. Auf diese Weise verbessert sich weitgehend die Trennungsqualität und auch die Energiebilanz wird sich äußerst günstig gestalten.

Es wurde weiterhin erkannt, daß die Eintrittsverluste weitgehend herabgesetzt werden können und praktisch die vollkommene Symmetrie der Strömung bereits bei dem Eintritt gewährleistet werden kann, wenn an dem oberen Ende des Wirbelraums rund um überall, über einen Einheitsquerschnitt während einer vorgegebenen konstanten Zeitdauer Medien in identischen Mengen eingeführt werden.

Aufgrund dieser Erkenntnisse wird die primäre Aufgabe mit Hilfe eines Verfahrens zur Trennung der einzelnen Phasen von mehrphasig strömenden Medien dadurch gelöst, daß das Medium in dem zentrifugalen Kraftfeld zu einer, mit zunehmender Geschwindigkeit sich ausbildenden Strömung entlang einer Spirale gezwungen ist, wobei die einzelnen Phasen nach dem von der Achse des zentrifugalen Kraftfelds berechneten Abstand voneinander getrennt werden, und daß, im Sinne der Erfindung das Medium zu einer Potentialwirbelbewegung gezwungen wird, und daß ferner die einzelnen Phasen mit Hilfe der von den Stromflächen des Wirbelraums abgegrenzten, "abschälenden" Kanäle voneinander getrennt werden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsweise des erfindungsgemäßen Verfharens werden die "abschälenden" Kanäle energetisch und strömungstechnisch dem Wirbelraum angepaßt.

Es kann vorteilhaft sein, wenn das mehrphasige Medium über einen, von außen her unter einen spitzen Winkel sich radial an den Wirbelraum anschließenden koaxialen konzentrischen Eintrittskanal tangential eingeführt wird.

Es ist weiterhin als vorteilhaft anzusehen, wenn die Trägerphase in dem entlang der Achse des Wirbelraumes ausgestalteten Stromrohr zur Rückkehr gezwungen abgeleitet wird.

Die sekundäre Aufgabe wird mit einer Einrichtung zur Trennung der einzelnen Phasen von einem mehrphasigen strömenden Medium gelöst, die ein über eine Eintritts- und Austrittsöffnung verfügendes, mit einem sich verengenden Querschnitt ausgestaltetes, den Strömungsraum in Form eines Drehkörpers umschließendes Gehäuse aufweist, und bei der im Sinne der Erfindung die den Strömungsraum begrenzende Fläche des Gehäuses der Stromfläche des Potentialwirbels folgend ausgestaltet ist.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung wird ein in einer Spirale geführter, sich dem Ende größeren Querschnitts des Strömungsraums entlang einer konzentrischen Eintrittsöffnung anschließender Eintrittskanal verwendet.

Es ist ferner als vorteilhaft anzusehen, wenn die Einrichtung mit einem Eintrittskanal mit rechteckigem Querschnitt ausgestaltet ist, dessen radiale Abmessung konstant ist, und dessen Erzeugenden parallel mit der Achse des Gehäuses verlaufen.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Eintrittsöffnung eine, sich der den Strömungsraum des Gehäuses begrenzenden Fläche anschließende Innenfläche aufweist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform schließen sich dem Eintrittskanal eine außerhalb der Eintrittsöffnung liegende, konzentrische Austrittsöffnung und ein durch diese hindurchgehender, im Querschnitt sich erweiternder spiralförmig ausgebildeter Austrittskanal an.

Bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Eintrittskanal mit einer die Eintrittsöffnung von innen her verengenden, mit der Achse des Gehäuses konzentrisch verlaufenden und kreisringförmig ausgebildeten Staufläche ausgestaltet.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die den Strömungsraum begrenzende Fläche des Gehäuses zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung aus wenigstens zwei unterschiedlichen Stromflächen folgenden Flächenabschnitten ausgestaltet ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung ist an der den Strömungsraum begrenzenden Fläche des Gehäuses zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung wenigstens eine konzentrische, sogenannte abschälende Öffnung ausgestaltet, an die ein spiralförmig ausgebildeter und im Querschnitt mit größer werdendem Abstand vom Gehäuse zunehmender Austrittskanal angeschlossen ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist in der Achse das Gehäuses ein Abflußrohr konzentrisch angeordnet, dessen der Austrittsöffnung des Gehäuses zugewandtes Ende in den Innenraum des Gehäuses mündet, während das andere Ende oberhalb der Eintrittsöffnung aus dem Gehäuse herausgeführt ist.

Vorteilhaft ist die Einrichtung mit einer zur axialen Bewegung des Abflußrohrs geeigneten Konstruktion versehen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zwischen dem der Austrittsöffnung zugewandten Ende des Abflußrohrs und der Austrittsöffnung ein Ventilelement angeordnet ist, das eine sich der Gehäusefläche anpassende und dem Inneren des Abflußrohrs zugewandte, koaxial zu diesem ausgebildete Fläche in Form einer Stromfläche aufweist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Ventilelement an einer, im Inneren des Abflußrohrs angeordneten Betätigungsstange befestigt, die mit einer zur axialen Bewegung geeigneten Konstruktion verbunden ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Ventilelement an der, im Inneren des Abflußrohrs angeordneten Betätigungsstange befestigt, die mit der zur axialen Bewegung geeigneten Konstruktion verbunden ist.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die der Austrittsöffnung zugewandte Seite des Ventilelements mit einer konischen Aussparung ausgestaltet.

In gewissen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn der Abschnitt der den Strömungsraum begrenzenden Fläche des Gehäuses - die in Richtung der Austrittsöffnung liegt - von der Achse des Gehäuses her betrachtet konkav ausgestaltet ist.

Schließlich ist es als vorteilhaft zu betrachten, wenn das der Austrittsöffnung zugewandte Ende des Gehäuses als ein Ventilelement ausgestaltet ist und die Austrittsöffnung als eine konzentrische, sich der den Strömungsraum begrenzenden Fläche des Gehäuses radial anschließende ableitende Öffnung ausgestaltet ist.

Mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen verglichen, kann durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung die Qualität der Trennung wesentlich verbessert werden, gleichzeitig wird eine bedeutende Energieeinsparung erreicht.

Es besteht ferner die Möglichkeit, die Verluste beim Austritt und Eintritt zu verringern und außerdem kann der Prozeß der Trennung geregelt weren. Zur Weiterförderung der austretenden Phase kann eine entsprechende potentielle Energie übergeben werden.

Die Erfindung wird im weiteren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, die aus der Zeichnung ersichtlich sind.

In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines im Längsschnitt veranschaulichten Teils des Gehäuses einer Einrichtung gemäß Ausführungsform 1,

Fig. 2 das Schema der Abwicklung des oberen Flansches gemäß der Einrichtung nach Fig. 1 in eine Ebene bzw. nach der ersten Ausführungsform, mit einem die Art der Zufuhr des zu trennenden Mediums darstellenden Diagramm,

Fig. 3 eine schematische Vorderansicht des Eintrittskanals der Einrichtung gemäß Ausführungsform 1,

Fig. 4 die schematische Draufsicht auf den Eintrittskanal der Einrichtung nach der ersten Ausführungsform,

Fig. 5 den schematischen Längsschnitt durch einen Teil des Gehäuses der Einrichtung nach der ersten Ausführungsform mit einem angeschlossenen Eintrittskanal,

Fig. 6 den schematischen Längsschnitt des in Richtung des Eintrittskanals liegenden Teils der Einrichtung nach der zweiten Ausführungsform,

Fig. 7 die schematische Draufsicht der Einrichtung nach Fig. 6,

Fig. 8 teilweise die Vorderansicht, teilweise den Längsschnitt der Einrichtung nach der dritten Ausführungsform,

Fig. 9 das der Austrittsöffnung zugewandte Ende der Einrichtung nach der vierten Ausführungsform, im Längsschnitt dargestellt,

Fig. 10 den Längsschnitt des der Austrittsöffnung zugewandten Endes der Einrichtung nach der fünften Ausführungsform,

Fig. 11 den Längsschnitt des der Austrittsöffnung zugewandten Endes der Einrichtung nach der sechsten Ausführungsform,

Fig. 12 den Längsschnitt des der Austrittsöffnung zugewandten Endes der Einrichtung nach der siebten Ausführungsform,

Fig. 13 den Längsschnitt des der Austrittsöffnung zugewandten Endes der Einrichtung nach der achten Ausführungsform,

Fig. 14 teilweise die Vorderansicht, teilweise den Längsschnitt der Einrichtung nach der neunten Ausführungsform.

Die Einrichtung nach der ersten Ausführungsform weist ein Gehäuse 1 in Form eines Drehkörpers auf, das von oben her durch eine auf der Symmetrieachse 2 des Gehäuses 1 senkrecht verlaufende Ebene 3 begrenzt ist. Der Schnitt der Innenfläche des Gehäuses 1 und der Ebene 3 bilden einen Kreis mit dem Radius r _f . Die Wand des Gehäuses 1 verfügt über eine Innenfläche 31, die einer Stromfläche des mit der Symmetrieachse 2 koaxialen Potentialwirbels folgt. Gegebenenfalls ist die Fläche 31 von der Symmetrieachse 2 betrachtet konvex ausgestaltet, was aber nicht unbedingt nötig ist. Es ist hingegen von äußerster Wichtigkeit, daß der Querschnitt des Gehäuses 1von der Eintrittsseite (Ebene 3) zu der in Fig. 1 nicht dargestellten Austrittsseite hin zumindest pro Flächenabschnitt kontinuierlich abnimmt.

Die Fläche 31 der Wand des Gehäuses 1 begrenzt einen Strömungsraum 32, in den das zu trennende Medium entlang der den Kreis mit Radius r _f bildenden Schnittlinie zwischen der Ebene 3 und der Fläche 31 in Richtung der Pfeile 4 eintritt. Die mit den Pfeilen 4 bezeichnete Eintrittsrichtung folgt der Bahn einer sich der Fläche 31 anschmiegenden Kurve. Selbstverständlich beansprucht der Eintritt einen ringförmigen Querschnitt mit der Höhe ∆ h. Die Größe der Höhe ∆ h wird von der Breite einer, von der Schnittlinie der Ebene 3 und der Fläche 31 des Gehäuses 1 nach innen gerichteten, entlang der Ebene 3 ausgestalteten Eintrittsöffnung 7 bestimmt (Fig. 5).

Um die gewünschte Symmetrie aufrechterhalten zu können, muß über jeden Teil-Querschnitt der Eintrittsöffnung 7 während einer vorgegebenen Zeiteinheit dieselbe Menge eines Mediums einströmen. Um dies erreichen zu könenn, ist an die Eintrittsöffnung 7 ein konzentrischer, einen rechteckigen Querschnitt aufweisender Kanal angeschlossen, dessen Erzeugenden parallel mit der Symmetrieachse verlaufen und deren radiale Abmessungen s (die Breite) konstant ist, wohingegen sich dessen axiale Abmessung h (die Höhe) während eines vollkommenen Umlaufs entlang der Peripherie K = 2 π r _f von dem Wert h = h auf den Wert h = 0 verringert (Fig. 2). Diese Bedingung wird dadurch erfüllt, daß der Eintrittskanal 5 ab der Ebene 3 beginnend mit einer Gewindeabnahme unter dem Winkel α entlang der inneren Mantelfläche eines imaginären Zylinders mit dem Radius r _f umwickelt wird, so daß die unter der Ebene 3 liegenden Teile abgeschnitten werden, wobei ist.

Die Außenseite des Eintrittskanals 5 ist vorteilhafterweise in Form einer sich an den imaginären Zylindermantel mit dem Radius r _f anschmiegenden Kurve höherer Ordnung (vgl. HU-PS 1 65 483) ausgebildet (Fig. 4) in demjenigen Abschnitt des Eintrittskanals 5, der das Gehäuse 1 verläßt und in dem hier detailliert nicht dargestellten Eintrittsstutzen endet, nimmt der Querschnitt bis zum Berührungspunkt mit der erwähnten Kurve kontinuierlich ab (Fig. 4).

An der unteren Seite des Eintrittskanals 5 ind der Ebene 3 ist eine kreisringförmige konzentrische Staufläche 6 ausgestaltet (Fig. 5), das bedeutet, daß die Eintrittsöffnung 7 durch die Außenwand des Eintrittskanals 5 mit einem Radius von r _f und den Außenrand der Staufläche 6 begrenzt ist. Die Staufläche 6 verhindert, daß die Phase (Trägerphase) geringerer Dichte früher in den Strömungsraum 32 des Gehäuses 1 eintritt als die Phase höherer Dichte.

Die Einrichtung nach den Fig. 6 und 7 weicht insofern von der oben beschriebenen ab, daß die mit der Symmetrieachse 2 parallel verlaufende Außenwand des Eintrittskanals 5 nach unten verlängert ist und von der Eintrittsöffnung 7 nach außen gerichtet ein konzentrischer ringförmiger Überführungskanal 8 ausgebildet ist, an den ein rund um das Gehäuse in Form einer Spirale geführter, sich kontinuierlich erweiternder Austrittskanal 9 (s. g. Schneckenhaus) mit einem rechteckigen Querschnitt angeschlossen ist.

Bei dieser Einrichtung besteht die Möglichkeit, die sich dem Eintrittskanal 5 abscheidenden gröberen Körner über den Kanal 9, in Richtung des Pfeils 10 unmittelbar ableiten zu können. So verschleißen bzw. beschädigen die groben Körner nicht die Fläche 31 und sie verhindern auch nicht die Ausscheidung der feineren Körner im dem Strömungsraum 32, das bedeutet, daß Selektivität und Wirkungsgrad der Einrichtung verbessert sind. Diese Lösung ist besonders bei solchen Medien vorteilhaft, deren Phase sich verhältnismäßig leicht voneinander trennen (z. B. das Gemisch von Luft und Feststoff, wässerige Suspension usw.) lassen.

Der Austrittskanal 9 muß nicht unbedingt einen rechteckigen Querschnitt haben. Er kann vielmehr einen beliebigen Querschnitt (z. B. einen Kreisquerschnitt) aufweisen.

Von dem Austrittskanal 9, dessen Querschnitt kontinuierlich (vorzugsweise linear) mit zunehmendem Abstand vom Strömungsraum 32 größer wird, wird die potentielle Energie des abgeleiteten Materialstroms zu Lasten der kinetischen Energie erhöht. Dadurch wird einerseits der Verlust beim Austritt verringert und andererseits wird die Weiterförderung des abgeleiteten Mediums z. B. auf ein Niveau ermöglicht, das höher liegt als das Niveau der Einrichtung.

Bei der Einrichtung nach Fig. 8 sind der Eintrittskanal 5, die Eintrittsöffnung 7 und die Staufläche 6 in gleicher Weise ausgestaltet wie bei der Ausführungsform nach den Fig. 3-5, jedoch mit dem Unterschied, daß der Strömungsraum 32 des Gehäuses 1 von oben her mit einer sich an die Ebene 3 anschmiegenden, von der Symmetrieachse 2 her betrachtet konvexen Fläche 33 begrenzt ist. Die Fläche 33 ist derart ausgebildet, daß diese einer Stromfläche des sich in dem Strömungsraum ausbildenden Potentialwirbels folgt.

Rund um die Symmetrieachse 2 des Gehäuses 1 ist ein konzentrisches Abflußrohr 17 angeordnet, dessen oberes Ende über die Eintrittsöffnung 7 und den Eintrittskanal 5 hinaus aus dem Gehäuse 1 herausgeführt ist, während das untere Ende in den Bereich des unteren Endes des Gehäuses 1 - das mit einem verjüngten Querschnitt ausgebildet ist - mündet, aber die am unteren Ende des Gehäuses 1 ausgestaltete, nach unten sich konisch erweiternde konzentrische Austrittsöffnung 21 nicht erreicht. Der Unterteil der Fläche 33 schmiegt sich an das Abflußrohr 17 an und geht dabei in eine zylindrische Fläche über. Das Abflußrohr 17 kann mit Hilfe einer hier nicht dargestellten Konstruktion in Richtung der Symmetrieachse 2 in beide Richtungen (Pfeil 19) bewegt, sowie innerhalb der gegebenen Grenzen in einer beliebigen Position festgehalten oder befestigt werden.

Der Innenfläche 31 des Gehäuses 1 schließt sich etwa nach dem oberen Drittel eine konzentrische "abschälende" Öffnung 13 an, die von den Flächen 11, 12 begrenzt ist. Der "abschälenden" Öffnung schließt sich der im Zusammenhang mit Fig. 6 und 7 bereits beschriebene, spiralförmig geführte Austrittskanal 9 mit einem sich mit zunehmender Entfernung vom Gehäuse 1 kontinuierlich erweiternden Querschnitt an. Bei der hier beschriebenene Ausführungsform weist der Kanal 9 einen Kreisquerschnitt auf, gleichwohl ist aber auch ein davon abweichender Querschnitt möglich.

Nach der "abschälenden" Öffnung 13 setzt sich die Innenseite des Gehäuses 1 in einer Fläche 14 fort, die ebenfalls eine Stromfläche ist, aber innerhalb der imaginären Fortsetzung der Fläche 31, also näher zu der Symmetrieachse 2 liegt.

Der an die "abschälende" Öffnung angschlossene Austrittskanal 9 ist energetisch und strömungstechnisch dem Strömungsraum 32 (Wirbelraum) angepaßt.

Unter energetischer Anpassung wird verstanden, daß die kinetische und potentielle Energie des strömenden Mediums und deren Summe an beiden Seiten des Anschlußpunktes des Wirbelraumes und des Abschälraumes identisch sind. Unter strömungstechnischer Anpassung versteht man, daß bei dem Anschluß der Absolutwert der resultierenden Geschwindigkeit des Stromes und die dominante Zirkulationsgeschwindigkeit - hinsichtlich Größe und Richtung - an beiden Seiten identisch sind.

Zwischen dem unteren Ende des Abflußrohrs 17 und der Austrittsöffnung 21 ist ein verschiebbares Ventilelement 16 angeordnet, das eine sich der Fläche 14 des Gehäuses 1 anpassenden (in der Position nach Fig. 8 damit parallel verlaufende) Fläche 15 aufweist, die in der aus Fig. 8 ersichtlichen Form in Richtung zu der Symmetrieachse 2 in die zylindrische Fläche einer das Ventilelement 16 tragenden, im Inneren des Abflußrohrs 17 konzentrisch angeordneten Stange 34 über geht. Die untere der Austrittsöffnung 21 zugewandte Seite des Ventilelements 16 ist mit einer konzentrischen konischen Aussparung 22 versehen.

In der untersten Stellung (II) schließt das Ventilelement 16, indem es dichtend an der Innenwand des unteren Endes des Gehäuses 1 anliegt, die Austrittsöffnung 21 vollkommen ab, während es in seiner obersten Stellung (I) mit seinem unteren Ende das untere Ende des Abflußrohres 17 dadurch abschließt, daß sein unteres Ende dichtend an das untere Ende des Abflußrohres 17 anliegt.

An die Stange 34 ist eine deren axiale Bewegung (in Richtung der Pfeile 18) ermöglichende (hier nicht dargestellte) Vorrichtung angeschlossen.

Die Wirkungsweise der in Fig. 8 dargestellten Einrichtung wird im folgenden beschrieben:

Ein mehrphasiges Medium wird über den Eintrittskanal 5 und die Eintrittsöffnung 7 derart in den Strömungsraum 32 eingeführt, daß entlang des Umfangs des Gehäuses 1 pro Zeiteinheit überall dieselbe Menge eintritt. Die Staufläche 6 verhindert, daß die Trägerphase vor der dichteren Phase in den Strömungsraum 32 eintreten kann.

In den Strömungsraum 32 gelangt das Medium - praktisch ohne Energieverlust - in eine immer schneller werdende Wirbelbewegung zwischen den Flächen 31 und 33, wobei sich die dichtere Phase an der Fläche 31 und die dünnere Phase an der Fläche 33 anstaut.

Bei der Abschälöffnung 13 findet die Trennung des Teilstroms (der dichteren Phase) zwischen den den Stromflächen folgenden Fläche 31, 14 praktisch ohne Energieverlust statt, da sowohl der separierte Teil als auch der in dem Strömungsraum 32 zurückgebliebene Teil zwischen den Stromflächen weiterströmt, wobei der Austrittskanal 9 an der Anschlußstelle unter Berücksichtigung der Stromflächen an den Strömungsraum 32 angepaßt ist.

Selbstverständlich ist es möglich, untereinander bzw. hintereinander mehrere Abschälöffnungen 13 und deren Austrittskanäle 9 anzuordnen, die immer entlang einer bestimmten inneren Stromfläche abtrennen, so daß das zu separierende Medium in Fraktion von beliebiger Zahl zerlegt werden kann.

In dem Unterteil des Gehäuses 1 wird die noch übrigbleibende dichtere Phase des Mediums zwischen den Flächen 14, 15 in Richtung zu der Austrittsöffnung 21 geleitet. Die dünnere (Träger-) Phase wird hingegen mit Hilfe des Ventilelements 16 reversiert und über das Abflußrohr 17 in Richtung des Pfeils 20 abgeleitet.

Der Anteil der dichteren und dünneren Phasen kann durch Heben bzw. Senken des Ventilelements 16 (die Bewegungsrichtungen sind durch den Pfeil 18 gekennzeichnet) geregelt werden. Das Intervall der Regelung kann durch Heben und Senken des Abflußrohrs 17 (diese Bewegungsrichtungen sind durch den Pfeil 19 gekennzeichnet) verlängert bzw. verkürzt werden.

Vom Standpunkt der Trennungsqualität aus ist es äußerst vorteilhaft, wenn sich von der Eintrittsöffnung 7 in Richtung zu der Austrittsöffnung 21 hin feinere Körner in der Umgebung des Abflußrohrs 17 anstauen. Je feiner die Körner sind, desto niedriger ist deren Sinkgeschwindigkeit, gleichzeitig aber müssen die Körner einen immer kleineren Weg bis zum Erreichen der Fläche 14 zurücklegen, wodurch sie in ein immer größeres zentrifugales Kraftfeld gelangen. Diese zusätzliche Wirkung kommt selbstverständlich auch dann zur Geltung, wenn Phasen des gleichen Aggregatszustands zu teilen sind (z. B. ein Gemisch von Wasser und Öl).

Die an der Unterseite des Ventilelements 16 vorgesehene Aussparung 22 dient zur Stabilisierung des sich beim Ableiten der dichteren Phase ausbildenden Luftwirbelrohrs 23.

Bei der Einrichtung nach Fig. 8 müssen nur der Eintrittskanal 5, die Fläche 31, die Fläche 11 und 12 und der Austrittskanal 9 mit einem verschleißbeständigen Überzug versehen werden. Hingegen bei der Einrichtung nach Fig. 6 und 7 werden nur der Eintrittskanal 5, der Überführungskanal 8 und der Austrittskanal 9 mit einem verschleißfesten Überzug versehen.

Die Ausführungsform nach Fig. 9 weicht insofern von jener nach Fig. 8 ab, daß auf dem der obersten Stellung (I) entsprechenden Niveau des Ventilelements 16 die Fläche 14 in radialer Richtung erweitert ist, so daß das Ventilelement 16 mit seiner Fläche 15 die Trägerphase mit einer entsprechend größeren Reinheit separieren kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 10 ist unter dem der obersten Stellung (I) Stellung des Ventilelements 16 entsprechenden Niveau eine, ganz bis zur Austrittsöffnung 21 erweiterte (hohle), von der Symmetrieachse 2 her betrachtet, konkave Fläche 24 vorgesehen, die ebenfalls der Zielsetzung dient, eine entsprechend reinere Trägerphase abtrennen zu können.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 wird die Austrittsöffnung 21 durch die seitliche konzentrische "abschälende" Öffnung 26 gebildet, die änlich der im Zusammenhang mit Fig. 8 beschriebenen Abschälöffnung 13 ausgestaltet ist und mit einem, den dortigen Austrittskanal 9 ähnlichen, aber mit einem rechteckigen Querschnitt ausgestalteten Austrittskanal 27 versehen ist.

Der untere Teil des Gehäuses 1 ist in ähnlicher Weise ausgestaltet, wie die aus den Fig. 8-10 ersichtliche Ausführungsform, wobei aber hier das Ventilelement 16 als festes bzw. integrales Gehäuseteil nicht seine axiale Position ändern kann, so daß die innere Fläche der Wandung 15 in der beschriebenen Weise die Trägerphase in das Innere des Abflußrohrs 17 leitet. In diesem Fall ist im Inneren des Abflußrohrs 17 keine Stange 34 vorhanden, so daß deren Platz das Luftwirbelrohr 25 einnehmen kann. Die Regelung findet hier einerseits durch Heben bzw. Senken des Abflußrohrs 17, andererseits durch die Änderung der Drosselung des Kanals 27 statt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 12 ist kein Abflußrohr 17 vorgesehen, so daß der Strömungsraum 32 nur von oben her durch die strukturell ausgestaltete Stromfläche - nämlich durch die Ebene 3 nach Fig. 5 - abgeschlossen wird. Nun verbreitet sich die Strömung nur bis zum möglichst kleinsten inneren Radius, innerhalb dessen sich das Luftwirbelrohr 25 ausbildet. Die Abschälöffnung 26 und der Austrittskanal 27 sind in gleicher Weise ausgestaltet wie bei der Ausführungsform nach Fig. 11, wobei allerdings die Austrittsöffnung jener nach den Fig. 6-10 ähnelt. Die Trägerphase verläßt hier das System über die Austrittsöffnung 21.

Die Ausführungsform nach Fig. 13 weicht insofern von jener nach Fig. 12 ab, daß sich an der Fläche 15 eine Abschälöffnung 28 anschließt, die der Abschälöffnung 13 nach Fig. 8 ähnelt, jedoch gegenüber dieser den Unterschied aufweist, daß die Fläche 12 bis zu der Symmetrieachse 2 reicht und dort den Sohlenpunkt des Luftwirbelrohrs 25 bildet. Die Öffnung 28 bildet die Austrittsöffnung. Der Austrittskanal ähnelt dem Austrittskanal ähnelt dem Austrittskanal 9 nach Fig. 8. Bei dieser Ausführungsform tritt die Trägerphase über den Kanal 29 aus, so daß sich die potentielle Energie zu Lasten der kinetischen Energie erhöht, d. h. daß die Weiterförderung unter günstigen Umständen vorgenommen werden kann.

Schließlich ist aus Fig. 14 eine Ausführungsform ersichtlich, die als Beispiel dafür angesehen werden kann, daß jeder einzelne Teilstrom, also nicht nur die von den Öffnungen 13, 26 (und von den nicht dargestellten eventuellen weiteren intermediären Öffnungen) abgetrennten Phasen, sondern auch die Trägerphase jeweils unter Zuhilfenahme eines ähnlichen Austrittskanals 9, 27, 29 entnommen werden kann.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 14 steht das Luftwirbelrohr 25 über eine Bohrung 30 in Höhe der Ebene 3 - die den Raum von oben her begrenzt - unter dem Druck der äußeren Umgebung.

Claims (19)

1. Verfahren zur Trennung der einzelnen Phasen von mehrphasigen strömenden Medien, wobei das Medium in einem zentrifugalen Kraftfeld zu einer, mit zunehmender Geschwindigkeit sich ausbildenden Strömung entlang einer Spirale gezwungen wird, und die einzelnen Phasen nach den von der Achse des zentrifugalen Kraftfelds berechneten Abständen voneinander getrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium zu einem Potentialwirbel gezwungen wird und die einzelnen Phasen mit Hilfe der von den Stromflächen des Wirbelraums begrenzten abschälenden Kanäle voneinander separiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abschälenden Kanäle energetisch und strömungstechnisch dem Wirbelraum angepaßt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrphasige Medium über einen sich an den Wirbelraum von außen her radial anschließenden, mit diesem koaxial und konzentrisch verlaufend angeordneten Eintrittskanal unter einem spitzen Winkel tangential eintritt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerphase in einem entlang der Achse des Wirbelraums entstehenden Stromrohr zur Rückkehr gezwungen abgeleitet wird.

5. Einrichtung zur Trennung der einzelnen Phasen von mehrphasigen strömenden Medien, die ein über eine Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung verfügendes, mit einem sich verengenden Querschnitt ausgestaltetes, den Strömungsraum in Form eines Drehkörpers begrenzendes Gehäuse aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strömungsraum (32) begrenzende Fläche (31) des Gehäuses (1) der Stromfläche des Potentialwirbels folgend ausgestaltet ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen an dem Ende größeren Querschnitt des Strömungsraums (32) entlang einer konzentrischen Eintrittsöffnung (7) angeschlossenen spiralförmig geführten Eintrittskanal (5) mit sich linear verjüngendem Querschnitt aufweist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eintrittskanal (5) mit rechteckigem Querschnitt vorgesehen ist, dessen radiale Abmessung konstant ist und dessen Erzeugenden mit der Achse des Gehäuses (1) parallel verlaufen.

8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsöffnung (7) mit einer Innenfläche (35) ausgestaltet ist, die sich der den Strömungsraum (32) begrenzenden Fläche des Gehäuses (1) anschließt.

9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Eintrittskanal (5) außerhalb der Eintrittsöffnung (7) eine konzentrische Austrittsöffnung (8) und über dieser ein spiralförmiger Austrittskanal (9) mit einem sich erweiternden Querschnitt angeschlossen sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittskanal (5) eine, die Eintrittsöffnung (7) von innen her verengende, mit der Achse des Gehäuses (1) konzentrisch kreisringförmige Staufläche (6) aufweist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den Strömungsraum begrenzende Fläche (31) des Gehäuses (1) zwischen der Eintrittsöffnung (7) und der Austrittsöffnung (21) aus mindestens zwei unterschiedlichen Stromflächen folgenden Flächenabschnitten (31, 14) ausgestaltet ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß an der den Strömungsraum (32) begrenzenden Fläche (31) des Gehäuses (1) zwischen der Eintrittsöffnung (7) und Austrittsöffnung (21) eine konzentrische Abschälöffnung (13) ausgestaltet ist, an die ein spiralförmiger Austrittskanal (9) mit sich erweiterndem Querschnitt angeschlossen ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der Achse des Gehäuses (1) ein Abflußrohr (17) konzentrisch angeordnet ist, dessen der Austrittsöffnung (21) des Gehäuses (1) zugewandtes Ende in den Innenraum des Gehäuses (1) mündet, während das andere Ende oberhalb der Eintrittsöffnung (7) aus dem Gehäuse (1) herausgeführt ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur axialen Bewegung des Abflußrohrs (17) geeignete Konstruktion vorgesehen ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem der Austrittsöffnung zugewandten Ende des Abflußrohrs (17) und der Austrittsöffnung (21) ein verschiebbares Ventilelement (16) angeordnet ist, das eine Stromfläche aufweist, die der der Fläche (31) des Gehäuses (1) angepaßt ist und in eine dem Inneren des Abflußrohrs (17) zugewandte koaxiale Fläche übergeht.

16. Einrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (16) an einer, in dem Abflußrohr (17) angeordneten Betätigungsstange (34) befestigt ist, die mit einer zur axialen Bewegung geeigneten Konstruktion verbunden ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die der Austrittsöffnung (21) zugewandte Seite des Ventilelements (16) mit einer konischen Aussparung (22) versehen ist.

18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der der Austrittsöffnung zugewandte Abschnitt der den Strömungsraum (32) begrenzenden Fläche (14) des Gehäuses (1) von der Achse des Gehäuses (1) betrachtet konkav ausgestaltet ist.

19. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das der Austrittsöffnung (21) zugewandte Ende des Gehäuses (1) als ein Ventilelement (16) ausgestaltet ist und die Austrittsöffnung (21) als eine sich an der den Strömungsraum (32) begenzenden Fläche (14) des Gehäuses (1) radial anschließende, konzentrische Austrittsöffnung (26) ausgestaltet ist.