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