EP2805773A1 - Vorrichtung zum Abscheiden magnetisierbarer Partikeln aus einem Fluid durch magnetische Separation - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device for separating magnetizable particles from a fluid by magnetic separation according to the preamble of patent claim 1.
- Such devices are particularly known in connection with the purification of lubricating and hydraulic oils, but are also suitable for the preparation of other magnetic or magnetizable particulate impurities containing fluids and in particular of suspensions.
- the impurities can be of a different nature and are mainly due to foreign bodies and particles due to operational abrasion or to abrasive particles and sand particles, which can not be completely avoided in the production process.
- magnetic separation For particle separation, apart from filtration, magnetic separation is also known in which magnetic or magnetizable particles in a fluid are bound to a deposition matrix under the influence of a magnetic field generated outside the fluid.
- the DE 10 2010 061 A1 a tubular reactor which is flowed through axially by a suspension containing ferromagnetic particles.
- a cylindrical displacement body In the reactor, a cylindrical displacement body is arranged, whose outer periphery with the inner circumference of the reactor forms a flow channel with annular disk-shaped cross-section.
- means for generating a magnetic field are arranged both along the inner periphery of the reactor and the outer periphery of the displacement body, whose gradient is directed transversely to the flow channel.
- the magnetic force acting on the ferromagnetic particles causes a movement of the particles transversely to the flow direction until they are magnetically fixed to the reactor wall and the outer periphery of the displacement body.
- the opposite arrangement of the magnetic field generating means along the flow channel effective separation is achieved in particular larger ferromagnetic particles.
- the degree of separation of smaller and smallest particles is lower, since the on the particles acting magnetic force depends on the one hand on the particle volume and the other on the relative location of the particle in the magnetic field.
- the object of the invention is to develop existing devices with a view to improving the degree of separation on. In particular, even small and very small particles should be separated from the fluid.
- the invention is based on the recognition that there are flow conditions in the flow channel of a magnetic separator which lead to the individual particles of a fluid flowing through the magnetic separator on a path predetermined by the flow. Under the influence of a magnetic field whose gradient is transverse to the flow direction, it is possible to deflect magnetic or magnetizable particles from this path in the direction of the gradient of the magnetic field and finally to fix it to the wall of the flow channel.
- the substances to be deposited can be formed by the magnetic or magnetizable particles themselves or else by non-magnetic or non-magnetizable particles. The latter are deposited indirectly via magnetic or magnetizable particles, which are added to the suspension, with the aim of heterocoagulation of non-magnetic / non-magnetizable particles and magnetic / magnetizable particles.
- the invention is based on the fact that the degree of separation depends on the size of the particles and on the distance of a particle from the magnets, since the magnetic field density decreases with increasing distance. As a result, especially smaller particles and / or particles in the middle of the flow channel are harder to separate.
- the basic idea of the invention is to bring about a change in the movement of the particles relative to the undisturbed flow by local changes in the flow parameters in the flow channel.
- the invention provides for the arrangement of a non-magnetic or non-magnetizable flow manipulator in the flow channel, which influences the flow direction, velocity and / or acceleration.
- a change in the relative position of the particles is achieved within the flow channel, in the course of which the particles approach the magnets and thus reach areas with higher force field density. The thereby increasing magnetic force causes an improved particle separation.
- Another effect which is due to the changed flow conditions in the flow channel, consists in the agglomeration of smaller particles, the resulting agglomerates can be deposited more efficiently from the suspension due to their size. It has been shown that by heterocoagulation, ie by adherence of non-magnetizable particles of magnetizable particles, additionally a deposition of non-magnetizable particles can be achieved.
- a device according to the invention has a flow channel with a closed cross-section. This makes it possible to arrange a device according to the invention, regardless of the location of the suspension within a machine or system, for example, at any point of a fluid circuit.
- This embodiment makes it possible to have a suitably shaped part of a housing of a machine element, e.g. a transmission to use as a flow channel, where the fluid is collected and pumped back to the place of use.
- the non-magnetic or non-magnetizable flow manipulator serves, as already described, to influence the flow conditions in the flow channel.
- the flow manipulator can only partially fill the flow cross-section, which in addition to lower material use additionally has the advantage of lower flow resistance.
- the flow manipulator is arranged in the center of the free flow cross-section, since there the magnetic force acting on the particles due to the greater distance to the magnet is the lowest.
- the flow manipulator completely fills the flow cross-section of the flow channel.
- the invention provides for two possible types of arrangement of a flow manipulator according to the invention in the flow channel.
- the flow manipulator can develop with its main extension direction parallel to the longitudinal walls of the flow channel.
- the flow manipulator thus runs parallel to the flow direction in this embodiment.
- the particles to be separated from the fluid are exposed to the influence of the flow manipulator over their entire flow path, which in turn contributes to increasing the separation effect.
- the flow manipulator can be arranged transversely to the flow direction at one or more axially spaced planes in the flow channel.
- the fluid passes through the flow manipulator (s) laterally or through openings in the flow manipulator itself, which influences the flow parameters and thus the trajectory of the particles as they flow or flow around.
- the flow manipulator (s) are formed by a surface element, ie they have a substantially two-dimensional shape.
- Such surface elements may have through openings, for example, if they are formed by gratings, perforated plates, braids, nets and the like.
- the manipulation of the flow takes place by flowing around and / or flowing through the surface elements.
- In an arrangement parallel to the flow direction proves their low flow resistance as an advantage, in an arrangement perpendicular to the flow direction, the manipulation of the flow over the entire flow cross-section.
- the flow manipulator may be formed by a fiber structure, for example a fleece, in which the fibers are arranged in a disordered position and the flow through the flow channel takes place within the fiber structure.
- a fiber structure for example a fleece
- Each fiber transversely to the flow direction is a flow resistance, which contributes a share to influence the flow.
- Another embodiment of the invention provides a planar flow manipulator whose surface has a transverse to the flow direction wave structure.
- the flanks extending at an angle to the flow direction between wave crests and wave troughs form flow guide surfaces, at which the flow is deflected transversely to the main flow direction.
- the deposition structure arranged in the flow channel serves to receive and immobilize the particles which have separated out from the fluid, which occurs due to adherence of the particles to the deposition structure as a result of the prevailing magnetic forces.
- the deposition structure itself may be magnetic or magnetizable, with the advantage of a high magnetic field density in the flow channel and therefore a high separation efficiency.
- the deposition structure may be made of a non-magnetic or non-magnetizable material, such as a plastic.
- the deposition structure essentially serves to provide receiving surfaces and / or receiving spaces, while the retention forces acting on the particles do not originate from the deposition structure itself.
- the deposition structure is formed by flat or cylindrical surface elements, on the closed surface of which the particles to be separated adhere.
- an embodiment of the deposition structure in the form of surface elements with recesses or depressions in the surface, which form a receiving space for the particles is preferred.
- the precipitated particles are retained outside the flow cross section available to the fluid, which on the one hand has the advantage that the flow cross section is not narrowed and, on the other hand, that separated particles do not detach from the precipitation structure as a result of the drag force exerted by the flow.
- the separation structure according to the invention may be formed directly by the channel wall, an embodiment of the invention is nevertheless preferred in which the separation structure is arranged as an independent component in the flow channel and thereby preferably abuts at least one wall of the flow channel, in particular two opposite walls. In this way, the deposited particles can be easily and quickly removed by replacement of the deposition structure from the device.
- the deposition structure is formed by a fiber structure.
- the fibers of the fiber structure can thereby be woven, knitted, net or fleece-like along one or more channel walls. The large surface area formed by the individual fibers in this way enables the secure reception of a large number of particles.
- Another embodiment of the invention provides for the fibers of the fiber structure to extend in a brush-like manner perpendicular to the flow direction into the flow channel, wherein the particles to be separated are trapped between the individual fibers.
- the volume of the deposition space for the deposited particles thus provided can be determined by the length of the individual fibers.
- the separation element and the flow manipulator may form a composite element, which simplifies the assembly of a device according to the invention and facilitates the exchange of separation element and flow manipulator.
- the device is combined with a heat exchanger device, which proves to be particularly advantageous in applications in which the fluid is heated in an application-specific manner, for example in gear oils or lubricating oils.
- the deposition takes over the same time the cooling of the fluid and thus increases the functionality of the device while maintaining a compact design.
- the heat exchanger surface is formed by the flow manipulator. Due to the exposed arrangement of the heat exchanger surfaces in the flow a very effective heat transfer is ensured.
- the heat exchanger surface may also be formed by the deposition structure, e.g. from the channel wall itself or on the channel wall adjacent surface elements. This embodiment allows a simple and effective heat dissipation by thermal coupling with the housing of the device.
- these cavities may have, which are traversed by a heat transfer medium.
- Both heat exchanger device and flow manipulator or deposition structure of Tubes formed in this way fulfill several functions simultaneously. If the tubes are arranged in the core region of the free flow cross-section, the manipulation of the flow is their primary function. On the other hand, if the tubes run along the channel walls, the clear distances between the individual tube sections form receiving spaces for receiving the separated particles.
- FIG. 1 to 3a show a first embodiment of a device according to the invention, wherein Fig. 1 a cross section and Fig. 2 a longitudinal section through the device represents.
- a housing 1 with an upper plate-shaped housing wall 2 and a lower housing wall 5 held in the edge region by lateral housing walls 3 and 4 at plane-parallel spacing can be seen.
- the housing walls 2, 3, 4 and 5 thus enclose a flow channel 6 with a squat rectangular flow cross-section.
- the flow channel (6, 6 ') has a height / width ratio in a range of 1: 2 to 1: 100, preferably in a range of 1:10 to 1:50, so that a high magnetic field density over the entire Height of the flow channel (6, 6 ') prevails.
- the flow channel 6 is used to pass a particle-laden suspension whose flow direction is indicated by the arrow 7.
- the axis of the housing 1 and thus of the flow channel 6 is identified by the reference numeral 8.
- the edge of the housing walls 2 and 5 rotating centering 9 is arranged in each case, which forms a recess for receiving a number of permanent magnets 10 together with the housing walls 2 and 5 respectively.
- the permanent magnets 10 are arranged with mutual arrangement of the poles over the entire width and length of the flow channel 6 and generate in this way a permanent open magnetic field, in the region of action of the flow channel 6 is located.
- a separation structure which in the present exemplary embodiment is formed by an upper and lower grid 11, which cover the channel walls 2 and 5 facing the magnets 10 over the entire length and width of the flow channel 6.
- Fig. 3a shows a partial view of the grid 11, which has a plurality of rectangular openings 12 which are separated by webs 13 from each other.
- the openings 12 form in the plane of the grid 11 receiving spaces in which accumulate the deposited particles, without narrowing the flow cross-section of the flow channel 6.
- the limited by the lateral channel walls 3 and 4 and the two grids 11 free flow cross section serves to receive a non-magnetic or non-magnetizable flow manipulator whose function is to influence the flow 7 of the suspension such that the flow path of the particles relative to the main flow 7th is changed locally.
- Fig. 1 and 2 there is in the Fig. 1 and 2 represented flow manipulator of a disordered fiber structure 14 made of plastic, which completely fills the free flow cross-section.
- the fibers have, for example, a diameter in the range of 0.1 to 1 mm. Due to the low fiber density, the flow through the flow channel 6 is still maintained.
- the front ends of the device are not shown, but are formed in a known manner by an inlet to and a drain from the flow channel 6, which are connected to line system.
- the particles are deflected on the fibers of their original path.
- the particles enter regions of higher magnetic field density and are thus exposed to higher magnetic forces.
- the influence of the flow path leads to an approach of individual particles with each other, whereby they can form agglomerates. Due to the associated volume increase, the agglomerates are subjected to a higher magnetic force. Both contribute to increasing the efficiency of a separation device according to the invention.
- Fig. 3b and 3c are variations of the in the Fig. 1 and 2 illustrated grid 11.
- the modification shown is a perforated plate 15 with circular openings 16, which are arranged with respect to the flow direction 7 with a lateral offset from each other.
- the openings 16 in turn form receiving spaces for the particles to be separated.
- Fig. 3c illustrated modification of the deposition structure consists of a perforated plate 17, whose openings 18 are formed elliptical, wherein the longer main axis is parallel to the flow direction 7 and thus the individual particles compared to circular openings more time to penetrate into the receiving space available.
- the deposition structure is formed by a disordered fiber structure 19 which extends along the upper and lower housing walls 2 and 5, respectively.
- the fiber structure 19 has a denser structure than the fiber structure 14 forming the flow manipulator, so that substantially no axial flow through the fiber structure 19 takes place.
- the fiber structure 19 can be formed from both a magnetic / magnetizable material such as steel and a non-magnetic material such as plastic. The intermediate spaces between the fibers serve to accommodate the excreted particles.
- the ordered fibrous structure 20 is composed of a plurality of fibers 21 running perpendicular to the flow direction 7, which are brush-like anchored on a base fabric 22 in the manner of pile yarns.
- the diameter of the fibers 21 is in a range of 0.1 to 1 mm and the density of the threads 21 is 25 to 250 pieces per cm 2 . Due to the magnetic force, the individual particles are pulled to the bottom of the fiber structure 20 and held there between the individual fibers 21.
- a plurality of lamellar sheets or foils can form the deposition structure.
- the sheets or foils extend as the fibers 21 transversely to the flow direction 7 in the flow space 6, wherein the planes can be arranged orthogonal to the flow direction 7 or parallel or obliquely thereto.
- the density of the sheets or foils is preferably 5 to 25 pieces per cm.
- Fig. 6 discloses a deposition structure of a thin-walled element 23 having a wave-shaped course, which develops along the insides of the upper housing wall 2 and lower housing wall 5.
- the wave troughs 24 abut against the housing walls 2 and 5, while the wave crests 25 face the axis 8.
- Wave troughs 24 and wave peaks 25 run transversely to the flow direction 7, wherein according to a preferred embodiment of the invention, the wave crests 25 of the upper element 23 are opposite the wave troughs 24 of the lower element 23.
- a flow oscillating back and forth between the elements 23 forms, which promotes separation of the particles from the suspension. The separated particles are received in the troughs 24 of the elements 23.
- FIGS. 7 to 10d are different embodiments of a flow manipulator according to the invention, wherein the FIGS. 7 to 8c Embodiments relate to the main direction of extension coincides with the flow direction 7, that is, the flow manipulator extends substantially over the entire length of the flow channel 6.
- the flow manipulator is formed by a grid 26 composed of crossing bars 27 and 28.
- the rods 27 and 28 are connected to each other.
- the longitudinal axis of the rods 27 encloses with the flow direction 7 an angle ⁇ , which is preferably between 30 ° and 60 °, in order to generate a pulse on the flow transverse to the flow direction 7.
- FIG. 8a shows the axially parallel rods 27 and arranged at an angle thereto axially parallel rods 28 each in a plane above the other, thus forming in this way an upper layer and a lower layer, and are centered in the free flow cross section of the flow channel and plane parallel to the upper housing wall 2 and Lower housing wall 5 is arranged.
- the flow manipulator is in a zone of the flow channel 6 where the magnetic forces acting on the particles are weakest due to the maximum distance to the magnets 10.
- the flow manipulator differs according to Fig. 8b only by the arrangement of several plane-parallel lattice 26 one above the other, whereby the influence of the flow manipulator on the flow 7 of the suspension is enhanced.
- a modification thereof relates to the flow manipulator according to Fig. 8c in which a grid 26 'is constructed in three layers, wherein the bars 28 of the upper layer and bars 28' of the lower layer run parallel to each other and the crossing bars 27 include the middle layer.
- the embodiment according to Fig. 8c comprises two such grids 26 ', which are arranged plane-parallel one above the other in the center of the free flow cross-section of the flow channel 6.
- An embodiment not shown, provides a fabric-like design of the flow manipulator, wherein intersect flexible rods and thereby switch between an upper layer and lower layer.
- FIG. 9 an embodiment of a flow manipulator shown in a plan view is characterized by an arrangement of the flow manipulator transverse to the flow direction 7 from.
- the flow manipulator is formed by surface elements 30 which run orthogonally to the flow direction 7 and which have openings 31 for the passage of the suspension in the region of the free flow cross-section of the flow channel 6. The flow is therefore bundled to the openings 31 out and learns in turn a fanning, entrained particles are approximated to the magnet 10.
- Fig. 10a to 10d show different embodiments of the surface elements 30, 30 ', 30 ", 30'” in a view parallel to the flow direction 7.
- the surface elements 30 have a grid structure with rectangular openings 31 which are arranged in alignment or with offset from each other.
- the surface elements 30 'according to Fig. 10b have the passage openings 31 'circular shape, wherein laterally adjacent passage openings 31' have a height offset from one another.
- the surface elements 30 "differ according to Fig. 10c only by the shape and number of passages 31 ", which have elliptical shape in this case.
- Fig. 10d shows a grid-like surface element 30 "', whose passage openings 31'" are formed by crossing bars 32.
- the 11 to 17 relate embodiments of the invention with integrated heat exchanger device, wherein the basic structure of the device with upper housing wall 2, side housing walls 3 and 4, lower housing wall 5 and flow channel 6 to the under Fig. 1 to 10d described, so that reference is made to the description there.
- the heat exchanger device is combined with the flow manipulator, while the embodiments according to the FIGS. 14 to 17 provide a combination of the heat exchanger device with the Abscheide Modell.
- a first embodiment of a heat exchanger device 32 is shown, which is formed by a plurality of laterally spaced axially parallel tubes 33, which are arranged in two plane-parallel to the housing walls 2 and 5 planes.
- the tubes 33 of both planes can run transversely to the flow direction 7, as shown, or the tubes 33 of both planes extend in the flow direction 7 (not shown) or the tubes 33 of one plane intersect the tubes 33 of the adjacent plane (not shown).
- the ends of the tubes 33 are connected to a cooling circuit, so that the heat transfer medium of the cooling circuit flows through the tubes 33.
- the heat exchanger device simultaneously functions as a flow manipulator, since the flow 7 is forcibly deflected at the tubes 33.
- the heat exchanger device 32 differs therefrom by a meandering course of the tube 33' within the flow channel 6.
- the tube 33 'therefore has sections 34 which run transversely to the flow direction 7 and thus form an obstacle to flow around in the flow channel 6.
- the meandering design of the heat exchanger device 32 allows an economical production of the flow manipulator with simultaneously high efficiency with regard to the separation of particles and cooling of the suspension.
- the embodiment according to Fig. 14 For this purpose again provides a plurality of axially parallel tubes 35, which run transversely to the flow direction 7 on the inside of the upper housing wall 2 and lower housing wall 5 along. The lateral distance between two adjacent tubes 35 results in a receiving space in which the particles of the suspension can accumulate.
- the heat exchanger device has two meandering tubes 35 ', one of which is arranged on the underside of the upper housing wall 2 and the other on the inside of the lower housing wall 5.
- a flow manipulator of the type already described is in turn arranged in the free flow cross section between the tubes 35, 35 'on the upper housing wall 2 and the tubes 35, 35' on the lower housing wall, which therefore not shown to avoid repetition and is described.
- the tubes 35, 35 'in turn are flowed through by the heat transfer medium of a cooling circuit.
- FIG Fig. 17 Another embodiment of the invention with integrated heat exchanger means 38 is shown in FIG Fig. 17 disclosed.
- the cross-section of the flow channel 6 is divided in this embodiment by two wave-shaped surface elements 39 which extend parallel to the upper housing wall 2 and the lower housing wall 5.
- the flow channel 6 is divided into three adjacent chambers with a central, bounded by the two surface elements 39 chamber 40 and two outer chambers 41, which are formed by a surface element 39 and the upper housing wall 2 and lower housing wall 5.
- the suspension laden with particles flows through the flow space 6 in the two outer chambers 41, wherein receiving spaces for the particles to be separated are created with the wave troughs of the wave structure.
- the middle chamber 40 is traversed by a heat transfer medium, which dissipates thermal energy from the suspension as part of a cooling circuit.
- FIG. 1 to 17 show a device according to the invention with rectangular flow channel 6
- FIG. 18 an annular disk-shaped flow channel 6 'through which the suspension flows, which is formed by an outer tube 42 and an inner tube 43 extending coaxially therewith.
- Magnets 10 are again arranged both over the outer circumference of the outer tube 42 and the inner circumference of the inner tube 43 and generate a magnetic field effective in the flow space 6 '.
- a deposition structure which is formed in the present embodiment in each case by a circumference spiral-shaped outer coil 44 and inner coil 45.
- the axial distance between the individual turns of the coils 44 and 45 serves to receive the deposited particles.
- the helices 44 and 45 may be tubular and flowed through by a heat transfer medium in order to realize a heat exchanger function in this embodiment of the invention.
Landscapes
- Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
- Water Treatment By Electricity Or Magnetism (AREA)
Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden magnetisierbarer Partikeln aus einem Fluid durch magnetische Separation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
- Derartige Vorrichtungen sind insbesondere im Zusammenhang mit der Reinigung von Schmier- und Hydraulikölen bekannt, eignen sich aber auch zur Aufbereitung anderer magnetische oder magnetisierbare partikelförmige Verunreinigungen enthaltender Fluide und insbesondere von Suspensionen. Die Verunreinigungen können unterschiedlicher Natur sein und sind vor allem auf Fremdkörper und Partikeln aus betriebsbedingtem Abrieb zurückzuführen oder auf Schleifgut und Sandpartikeln, die sich im Produktionsprozess nicht vollständig vermeiden lassen.
- Diese Verunreinigungen bedingen einen erhöhten Verschleiß der Maschinen- und Anlagenteile mit der Folge, dass der Umfang an Wartungs- und Reparaturarbeiten zunimmt und sich die Lebensdauer verkürzt. Im Extremfall führen Fremdkörper zu Betriebsstörungen bis hin zu Betriebsausfällen. Beides erhöht den Anteil an Maschinenstillstandszeiten und beeinträchtigt damit einen wirtschaftlichen Betrieb. Es besteht daher ein großes Interesse daran, partikelförmige Verunreinigungen möglichst vollständig aus Fluiden und insbesondere Suspensionen entfernen zu können.
- Zur Partikelabscheidung ist neben der Filtration auch die magnetische Separation bekannt, bei der magnetische oder magnetisierbare Partikeln in einem Fluid unter Einfluss eines außerhalb des Fluids erzeugten Magnetfelds an eine Abscheidematrix gebunden werden. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2010 061 A1 einen rohrförmigen Reaktor, der von einer ferromagnetische Partikeln enthaltenden Suspension axial durchströmt ist. In dem Reaktor ist ein zylindrischer Verdrängungskörper angeordnet, dessen Außenumfang mit dem Innenumfang des Reaktors einen Strömungskanal mit ringscheibenförmigem Querschnitt bildet. Zur Abscheidung ferromagnetischer Partikeln sind sowohl entlang des Innenumfangs des Reaktors als auch Außenumfangs des Verdrängungskörpers Mittel zur Erzeugung eines Magnetfelds angeordnet, dessen Gradient quer zum Strömungskanal gerichtet ist. Die auf die ferromagnetischen Partikeln einwirkende Magnetkraft bewirkt eine Bewegung der Partikeln quer zur Strömungsrichtung, bis diese an der Reaktorwandung und dem Außenumfang des Verdrängungskörpers magnetisch fixiert werden. Durch die gegenüberliegende Anordnung der das Magnetfeld erzeugenden Mittel entlang des Strömungskanals wird eine effektive Abscheidung insbesondere größerer ferromagnetischer Partikeln erreicht. Der Abscheidungsgrad kleinerer und kleinster Partikeln ist demgegenüber jedoch geringer, da die auf die Partikeln einwirkende Magnetkraft zum einen vom Partikelvolumen und zum anderen vom relativen Aufenthaltsort des Partikels im Magnetfeld abhängt. - Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung darin, bestehende Vorrichtungen im Hinblick auf eine Verbesserung des Abscheidegrads weiter zu entwickeln. Insbesondere sollen auch kleine und kleinste Partikeln aus dem Fluid abgeschieden werden.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
- Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass im Strömungskanal eines Magnetseparators Strömungsbedingungen vorliegen, die dazu führen, dass die einzelnen Partikeln eines Fluids den Magnetseparator auf einer durch die Strömung vorgegebenen Bahn durchströmen. Unter Einfluss eines Magnetfelds, dessen Gradient quer zur Durchströmrichtung verläuft, ist es möglich, magnetische oder magnetisierbare Partikeln von dieser Bahn in Richtung des Gradienten des Magnetfels abzulenken und schließlich an der Wand des Strömungskanals zu fixieren. Dabei können die abzuscheidenden Substanzen von den magnetischen oder magnetisierbaren Partikeln selbst gebildet sein oder aber auch von nicht magnetischen oder nicht magnetisierbaren Partikeln. Letztgenannte werden mittelbar über magnetische oder magnetisierbare Partikeln abgeschieden, die der Suspension zugegeben werden, mit dem Ziel der Heterokoagulation nicht magnetischer/nicht magnetisierbarer Partikeln und magnetischer/magnetisierbarer Partikeln.
- Weiter geht die Erfindung davon aus, dass der Abscheidegrad von der Größe der Partikeln und vom Abstand eines Partikels von den Magneten abhängig ist, da mit zunehmendem Abstand die magnetische Kraftfelddichte abnimmt. Das hat zur Folge, dass vor allem kleinere Partikeln und/oder Partikeln in der Mitte des Strömungskanals schwerer abzuscheiden sind.
- Der Grundgedanke der Erfindung besteht nun darin, durch lokale Veränderungen der Strömungsparameter im Strömungskanal eine Bewegungsänderung der Partikeln relativ zur ungestörten Strömung herbeizuführen. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung die Anordnung eines nicht magnetischen oder nicht magnetisierbaren Strömungsmanipulators im Strömungskanal vor, der Einfluss auf die Strömungsrichtung, -geschwindigkeit und/oder -beschleunigung nimmt. Damit wird eine Veränderung der relativen Lage der Partikeln innerhalb des Strömungskanals erreicht, im Zuge derer sich die Partikeln den Magnete annähern und damit in Bereiche mit höherer Kraftfelddichte gelangen. Die dabei zunehmende Magnetkraft bewirkt eine verbesserte Partikelabscheidung.
- Ein weiterer Effekt, der auf die veränderten Strömungsbedingungen im Strömungskanal zurückzuführen ist, besteht in der Agglomeration kleinerer Partikeln, wobei die dabei entstehenden Agglomerate aufgrund ihrer Größe effizienter aus der Suspension abgeschieden werden können. Dabei hat sich gezeigt, dass durch Heterokoagulation, also durch Anhaften von nicht magnetisierbaren Partikeln an magnetisierbaren Partikeln, zusätzlich eine Abscheidung nicht magnetisierbarer Partikeln erreicht werden kann.
- Es ist das Verdienst der Erfindung, diese Zusammenhänge erkannt und darauf aufbauend eine Vorrichtung geschaffen zu haben, die sich gegenüber dem bekannten Stand der Technik durch eine erheblich wirksamere Abscheidung von Partikeln auszeichnet, insbesondere im Bereich kleinerer Partikeln mit einem Durchmesser < 5 µm.
- Im Regelfall besitzt eine erfindungsgemäße Vorrichtung einen Strömungskanal mit geschlossenem Querschnitt. Dadurch ist es möglich, eine erfindungsgemäße Vorrichtung unabhängig vom Einsatzort der Suspension innerhalb einer Maschine oder Anlage anzuordnen, beispielsweise an beliebiger Stelle eines Fluidkreislaufs.
- Davon unterscheidet sich eine ebenfalls im Rahmen der Erfindung liegende Ausführungsform, bei der der Querschnitt des Strömungskanals zu einer Seite hin offen ist, also ein Gerinne bildet. Diese Ausführungsform ermöglicht es, einen geeignet geformten Teil eines Gehäuses eines Maschinenelements, z.B. eines Getriebes, als Strömungskanal zu nutzen, wo das Fluid gesammelt und erneut zum Einsatzort gepumpt wird.
- Der nicht magnetische oder nicht magnetisierbare Strömungsmanipulator dient, wie bereits beschrieben, der Einflussnahme auf die Strömungsbedingungen im Strömungskanal. Dazu kann der Strömungsmanipulator nur teilweise den Strömungsquerschnitt ausfüllen, was neben geringerem Materialeinsatz zusätzlich den Vorteil eines geringeren Strömungswiderstandes hat. Vorzugsweise wird in diesem Fall der Strömungsmanipulator im Zentrum des freien Strömungsquerschnitts angeordnet, da dort die auf die Partikeln wirkende Magnetkraft infolge des größeren Abstands zu den Magneten am geringsten ist. Durch den vom Strömungsmanipulator ausgeübten zusätzlichen Bewegungsimpuls in Richtung von Bereichen mit höheren magnetischen Kraftfelddichten wird ein verbesserter Abscheidegrad erreicht. Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung füllt der Strömungsmanipulator den Strömungsquerschnitt des Strömungskanals vollständig aus. Dadurch werden sämtliche in der Dispersion mitgeführten Partikeln der Wirkung des Strömungsmanipulators unterzogen, wodurch der Abscheidegrad zusätzlich gesteigert wird. Zudem kann die Fixierung des Strömungsmanipulators durch Anliegen an den Wänden des Strömungskanals erreicht werden, ohne dass zusätzliche Befestigungsmaßnahmen nötig sind.
- Grundsätzlich sieht die Erfindung zwei mögliche Arten der Anordnung eines erfindungsgemäßen Strömungsmanipulators im Strömungskanal vor. Zum einen kann sich der Strömungsmanipulator mit seiner Haupterstreckungsrichtung parallel zu den Längswänden des Strömungskanals entwickeln. Der Strömungsmanipulator verläuft bei dieser Ausführungsform also parallel zur Strömungsrichtung. Die aus dem Fluid abzuscheidenden Partikeln sind dabei über ihren gesamten Strömungsweg dem Einfluss des Strömungsmanipulators ausgesetzt, was wiederum zur Steigerung der Abscheidewirkung beiträgt.
- Zum anderen kann der Strömungsmanipulator quer zur Strömungsrichtung an einer oder mehreren axial beabstandeten Ebenen im Strömungskanal angeordnet sein. Das Fluid passiert den oder die Strömungsmanipulator/en seitlich oder durch Öffnungen im Strömungsmanipulator selbst, wobei beim Durchströmen bzw. Umströmen Einfluss auf die Strömungsparameter und damit die Bahn der Partikeln genommen wird.
- Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung werden der oder die Strömungsmanipulatoren von einem Flächenelement gebildet, besitzen also eine im Wesentlichen zweidimensionale Gestalt. Derartige Flächenelemente können Durchtrittsöffnungen aufweisen, beispielsweise wenn sie von Gittern, Lochblechen, Geflechten, Netzen und dergl. gebildet sind. Die Manipulation der Strömung findet durch Umströmen und/oder Durchströmen der Flächenelemente statt. Bei einer Anordnung parallel zur Strömungsrichtung erweist sich deren geringer Strömungswiderstand als Vorteil, bei einer Anordnung senkrecht zur Strömungsrichtung die Manipulation der Strömung über den gesamten Strömungsquerschnitt.
- Alternativ kann der Strömungsmanipulator von einem Fasergebilde gebildet sein, beispielsweise einem Vlies, bei dem die Fasern in ungeordneter Lage angeordnet sind und die Durchströmung des Strömungskanals innerhalb des Fasergebildes erfolgt. Jede Faser quer zur Strömungsrichtung stellt dabei einen Strömungswiderstand dar, der einen Anteil zur Einflussnahme auf die Strömung beiträgt.
- Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht einen flächenförmigen Strömungsmanipulator vor, dessen Oberfläche eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Wellenstruktur aufweist. Die schräg zur Strömungsrichtung verlaufenden Flanken zwischen Wellenbergen und Wellentälern bilden Strömungsleitflächen, an denen die Strömung quer zur Hauptströmungsrichtung umgelenkt wird.
- Die im Strömungskanal angeordnete Abscheidestruktur dient der Aufnahme und Immobilisierung der aus dem Fluid ausgeschiedenen Partikeln, was durch Anhaften der Partikeln an der Abscheidestruktur infolge der vorherrschenden Magnetkräfte geschieht. Dabei kann die Abscheidestruktur selbst magnetisch oder magnetisierbar sein, mit dem Vorteil einer hohen magnetischen Kraftfelddichte im Strömungskanal und daher einer hohen Abscheidewirkung.
- Alternativ kann die Abscheidestruktur aus wirtschaftlichen oder anderen Erwägungen heraus aus einem nicht magnetischen oder nicht magnetisierbaren Material bestehen, beispielsweise aus einem Kunststoff. In diesem Fall dient die Abscheidestruktur im Wesentlichen der Bereitstellung von Aufnahmeflächen und/oder Aufnahmeräumen, während die auf die Partikeln einwirkenden Rückhaltekräfte nicht von der Abscheidestruktur selbst ausgehen.
- In einer einfachen und kostengünstigen Ausführungsform der Erfindung wird die Abscheidestruktur von ebenen oder zylindrischen Flächenelementen gebildet, an deren geschlossener Oberfläche die abzutrennenden Partikeln anhaften. Demgegenüber bevorzugt ist jedoch eine Ausgestaltung der Abscheidestruktur in Form von Flächenelementen mit Ausnehmungen oder Vertiefungen in der Oberfläche, die einen Aufnahmeraum für die Partikeln bilden. Die ausgeschiedenen Partikeln werden dabei außerhalb des dem Fluid zur Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts zurückgehalten, was zum einen den Vorteil bringt, dass der Strömungsquerschnitt nicht verengt wird und zum anderen, dass abgeschiedene Partikeln sich nicht infolge der von der Strömung ausgeübten Schleppkraft von der Abscheidestruktur lösen.
- Auch wenn die Abscheidestruktur gemäß der Erfindung unmittelbar von der Kanalwand gebildet sein kann, so ist dennoch eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der die Abscheidestruktur als eigenständiges Bauteil im Strömungskanal angeordnet ist und dabei vorzugsweise an mindestens einer Wand des Strömungskanals anliegt, insbesondere an zwei sich gegenüberliegenden Wänden. Auf diese Weise lassen sich die abgeschiedenen Partikeln einfach und rasch durch Austausch der Abscheidestruktur aus der Vorrichtung entfernen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abscheidestruktur von einem Fasergebilde gebildet ist. Die Fasern des Fasergebildes können dabei gewebe-, gewirk-, netz- oder vliesartig entlang einer oder mehrerer Kanalwände verlaufen. Die auf diese Weise von den einzelnen Fasern gebildete große Oberfläche ermöglicht die sichere Aufnahme einer Vielzahl von Partikeln.
- Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Fasern des Fasergebildes bürstenartig senkrecht zur Strömungsrichtung in den Strömungskanal hineinreichen zu lassen, wobei die abzuscheidenden Partikeln zwischen den einzelnen Fasern gefangen werden. Das Volumen des auf diese Weise zur Verfügung gestellten Aufnahmeraums für die abgeschiedenen Partikeln kann durch die Länge der einzelnen Fasern bestimmt werden.
- Darüber hinaus ist es möglich, dass Abscheideelement und Strömungsmanipulator ein Verbundelement bilden, wodurch der Zusammenbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vereinfacht und der Wechsel von Abscheideelement und Strömungsmanipulator erleichtert werden.
- In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist die Vorrichtung mit einer Wärmetauschereinrichtung kombiniert, was sich vor allem bei Anwendungen als vorteilhaft erweist, bei denen sich das Fluid einsatzspezifisch erwärmt, beispielsweise bei Getriebe- oder Schmierölen. In diesen Fällen übernimmt die Abscheidevorrichtung gleichzeitig die Kühlung des Fluids und steigert somit die Funktionalität der Vorrichtung bei gleichzeitigem Erhalt eines kompakten Aufbaus.
- In Umsetzung dieses Gedankens wird bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung die Wärmetauscherfläche vom Strömungsmanipulator gebildet. Durch die exponierte Anordnung der Wärmetauscherflächen in der Strömung ist ein sehr wirkungsvoller Wärmeübergang gewährleistet.
- Zusätzlich oder alternativ kann die Wärmetauscherfläche auch von der Abscheidestruktur gebildet sein, z.B. von der Kanalwand selbst oder an der Kanalwand anliegenden Flächenelementen. Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache und dabei effektive Wärmeableitung durch thermische Kopplung mit dem Gehäuse der Vorrichtung.
- Zur Steigerung des Wirkungsgrads der Wärmetauschereinrichtung kann diese Hohlräume aufweisen, die von einem Wärmeträgermedium durchströmt sind. Vorzugsweise werden dabei sowohl Wärmetauschereinrichtung als auch Strömungsmanipulator bzw. Abscheidestruktur von Rohren gebildet, die auf diese Weise mehrere Funktionen gleichzeitig erfüllen. Sind die Rohre im Kernbereich des freien Strömungsquerschnitts angeordnet, so kommt ihnen als primäre Funktion die Manipulation der Strömung zu. Verlaufen die Rohre hingegen entlang der Kanalwände, so bilden die lichten Abstände zwischen den einzelnen Rohrabschnitten Aufnahmeräume zur Aufnahme der abgeschiedenen Partikeln.
- Die Erfindung wird nachstehend anhand in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, wobei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung offenbar werden. Für gleiche oder gleichwirkende Merkmale werden dabei gleichlautende Bezugszeichen verwendet, soweit dies dem besseren Verständnis der Erfindung dient.
- Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung entlang der in
Fig. 2 dargestellten Linie I - I, - Fig. 2
- einen Teillängsschnitt durch die in
Fig. 1 dargestellte Vorrichtung entlang der dortigen Linie II - II, die - Fig. 3a, 3b und 3c
- Ansichten unterschiedlicher Abwandlungen einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abscheidestruktur,
- Fig. 4
- einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abscheidestruktur,
- Fig. 5
- einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abscheidestruktur,
- Fig. 6
- einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Abscheidestruktur,
- Fig. 7
- einen Teillängsschnitt durch den Strömungskanal einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Bereich des Strömungsmanipulators entlang der in
Fig. 8a dargestellten Linie VII - VII, die - Fig. 8a, 8b und 8c
- Ansichten unterschiedlicher Abwandlungen des in
Figur 7 gezeigten Strömungsmanipulators innerhalb des Strömungskanals entlang der dortigen Linie VIII - VIII, - Fig. 9
- einen Teillängsschnitt durch den Strömungskanal einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit quer zur Strömungsrichtung angeordneten Strömungsmanipulatoren entlang der in
Fig. 10a dargestellten Linie IX - IX, die - Fig. 10a bis d
- Ansichten unterschiedlicher Abwandlungen des in
Figur 9 dargestellten Strömungsmanipulators innerhalb des Strömungskanals entlang der dortigen Linie X - X, - Fig. 11
- einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit integrierter Wärmetauschereinrichtung,
- Fig. 12
- einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit integrierter Wärmetauschereinrichtung,
- Fig. 13
- einen Schnitt durch die in
Fig. 12 dargestellte Wärmetauschereinrichtung entlang der dortigen Linie XIII - XIII, - Fig. 14
- einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit von der Abscheidestruktur gebildeter Wärmetauschereinrichtung,
- Fig. 15
- einen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit von der Abscheidestruktur gebildeter Wärmetauschereinrichtungen,
- Fig. 16
- einen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Wärmetauschereinrichtung entlang der in
Fig. 17 dargestellten Linie XVI - XVI, - Fig. 17
- einen Längsschnitt durch die in
Fig. 16 dargestellte Ausführungsform entlang der dortigem Linie XVII - XVII, und - Fig. 18
- einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit ringscheibenförmigem Strömungskanal.
- Die
Fig. 1 bis 3a zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobeiFig. 1 einen Querschnitt undFig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung darstellt. Man sieht ein Gehäuse 1 mit einer oberen plattenförmigen Gehäusewand 2 und einer im Randbereich durch seitliche Gehäusewände 3 und 4 in planparallelem Abstand gehaltenen unteren Gehäusewand 5. Die Gehäusewände 2, 3, 4 und 5 umschließen auf diese Weise einen Strömungskanal 6 mit gedrungenem rechteckförmigem Strömungsquerschnitt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Strömungskanal (6, 6') eine Höhen/Breitenverhältnis in einem Bereich von 1:2 bis 1:100 auf, vorzugsweise in einem Bereich von 1:10 bis 1:50, so dass eine hohe Magnetfelddichte über die gesamte Höhe des Strömungskanals (6, 6') vorherrscht. Der Strömungskanal 6 dient zur Durchleitung einer mit Partikeln beladenen Suspension, deren Strömungsrichtung mit dem Pfeil 7 angegeben ist. Die Achse des Gehäuses 1 und damit des Strömungskanals 6 ist mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichnet. - An der Außenseite der oberen Gehäusewand 2 und unteren Gehäusewand 5 ist jeweils ein rechteckförmiger, den Rand der Gehäusewände 2 und 5 umlaufender Zentrierrahmen 9 angeordnet, der zusammen mit den Gehäusewänden 2 und 5 jeweils eine Vertiefung zur Aufnahme einer Anzahl von Permanentmagneten 10 bildet. Die Permanentmagnete 10 sind dabei mit wechselseitiger Anordnung der Pole über die gesamte Breite und Länge des Strömungskanals 6 angeordnet und erzeugen auf diese Weise ein permanentes offenes Magnetfeld, in dessen Wirkungsbereich der Strömungskanal 6 liegt.
- Im Strömungskanal 6 sieht man eine Abscheidestruktur, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem oberen und unteren Gitter 11 gebildet ist, die die den Magneten 10 zugewandten Kanalwände 2 und 5 über die gesamte Länge und Breite des Strömungskanals 6 bedecken.
-
Fig. 3a zeigt eine Teilansicht auf das Gitter 11, das eine Vielzahl rechteckförmiger Öffnungen 12 besitzt, die durch Stege 13 voneinander getrennt sind. Die Öffnungen 12 bilden in der Ebene der Gitter 11 liegende Aufnahmeräume, in denen sich die abzuscheidenden Partikeln ansammeln, ohne dabei den Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 6 zu verengen. - Der von den seitlichen Kanalwänden 3 und 4 und den beiden Gittern 11 begrenzte freie Strömungsquerschnitt dient der Aufnahme eines nicht magnetischen oder nicht magnetisierbaren Strömungsmanipulators, dessen Funktion es ist, die Strömung 7 der Suspension derart zu beeinflussen, dass der Strömungsweg der Partikeln relativ zur Hauptströmrichtung 7 lokal verändert wird.
- Zu diesem Zweck besteht der in den
Fig. 1 und2 dargestellte Strömungsmanipulator aus einem ungeordneten Fasergebilde 14 aus Kunststoff, das den freien Strömungsquerschnitt vollständig ausfüllt. Die Fasern weisen beispielsweise einen Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 mm auf. Aufgrund der geringen Faserdichte bleibt die Durchströmbarkeit des Strömungskanals 6 weiterhin erhalten. - Die stirnseitigen Enden der Vorrichtung sind nicht dargestellt, werden jedoch in bekannter Art und Weise von einem Zulauf zum und einem Ablauf vom Strömungskanal 6 gebildet, die an Leitungssystem angeschlossen sind.
- Im Zuge der Durchströmung des Fasergebildes 14 werden die Partikeln an den Fasern von ihrer ursprünglichen Bahn abgelenkt. Infolge der damit einhergehenden Annäherung an die Magnete 10 gelangen die Partikeln in Bereiche höherer magnetischer Kraftfelddichte und sind somit höheren Magnetkräften ausgesetzt. Gleichzeitig führt die Beeinflussung des Strömungswegs zu einer Annäherung einzelner Partikeln untereinander, wodurch diese Agglomerate bilden können. Aufgrund der damit einhergehenden Volumenzunahme sind die Agglomerate einer höheren Magnetkraft unterworfen. Beides trägt zur Steigerung des Wirkungsgrads einer erfindungsgemäßen Abscheidevorrichtung bei.
- Gegenstand der
Fig. 3b und 3c sind Abwandlungen der in denFig. 1 und2 dargestellten Gitter 11. Bei der inFig. 3b gezeigten Abwandlung handelt es sich um ein Lochblech 15 mit kreisrunden Öffnungen 16, die bezogen auf die Strömungsrichtung 7 mit einem seitlichen Versatz zueinander angeordnet sind. Die Öffnungen 16 bilden wiederum Aufnahmeräume für die abzuscheidenden Partikeln. - Die in
Fig. 3c dargestellte Abwandlung der Abscheidestruktur besteht aus einem Lochblech 17, dessen Öffnungen 18 ellipsenförmig ausgebildet sind, wobei die längere Hauptachse parallel zur Strömungsrichtung 7 verläuft und somit den einzelnen Partikeln im Vergleich zu kreisförmigen Öffnungen mehr Zeit zum Eindringen in den Aufnahmeraum zur Verfügung steht. - Weitere Ausführungsformen der Abscheidestruktur zeigen jeweils in einem Teillängsschnitt die
Figuren 4, 5 und 6 , wobei hinsichtlich des Aufbaus des Gehäuses 1 auf das unter denFiguren 1 und2 Gesagte Bezug genommen wird. Bei der inFig. 4 gezeigten Ausführungsform wird die Abscheidestruktur von einem ungeordneten Fasergebilde 19 gebildet, das sich jeweils entlang der oberen und unteren Gehäusewände 2 und 5 erstreckt. Das Fasergebilde 19 weist eine dichtere Struktur auf als das den Strömungsmanipulator bildende Fasergebilde 14, so dass im Wesentlichen keine axiale Durchströmung des Fasergebildes 19 erfolgt. Das Fasergebilde 19 kann sowohl aus einem magnetischen/magnetisierbaren Material wie z.B. Stahl als auch aus einem nicht magnetischen Material wie z.B. Kunststoff gebildet sein. Die zwischen den Fasern vorhandenen Zwischenräume dienen der Aufnahme der auszuscheidenden Partikeln. - Davon unterscheidet sich die Ausführungsform gemäß
Fig. 5 durch Anordnung eines geordneten Fasergebildes 20 entlang der Innenseiten der oberen und unteren Kanalwände 2 und 5. Das geordnete Fasergebilde 20 setzt sich aus einer Vielzahl senkrecht zur Strömungsrichtung 7 verlaufender Fasern 21 zusammen, die auf einem Grundgewebe 22 nach Art von Florfäden bürstenartig verankert sind. Der Durchmesser der Fasern 21 liegt in einem Bereich von 0,1 bis 1 mm und die Dichte der Fäden 21 beträgt 25 bis 250 Stück pro cm2. Durch die Magnetkraft werden die einzelnen Partikeln zum Grund des Fasergebildes 20 gezogen und dort zwischen den einzelnen Fasern 21 festgehalten. - Anstelle der Fasern 21 können auch eine Vielzahl lammellenartig angeordneter Bleche oder Folien die Abscheidestruktur bilden. Bei dieser - nicht dargestellter - Ausführungsform erstrecken sich die Bleche oder Folien wie die Fasern 21 quer zur Strömungsrichtung 7 in den Strömungsraum 6 hinein, wobei deren Ebenen orthogonal zur Strömungsrichtung 7 oder parallel oder schräg dazu angeordnet sein können. Die Dichte der Bleche oder Folien beträgt vorzugsweise 5 bis 25 Stück pro cm.
-
Fig. 6 offenbart eine Abscheidestruktur aus einem dünnwandigen Element 23 mit wellenförmigem Verlauf, das sich entlang der Innenseiten der oberen Gehäusewand 2 und unteren Gehäusewand 5 entwickelt. Dabei liegen die Wellentäler 24 an den Gehäusewänden 2 und 5 an, während die Wellenberge 25 der Achse 8 zugewandt sind. Wellentäler 24 und Wellenberge 25 verlaufen quer zur Strömungsrichtung 7, wobei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Wellenberge 25 des oberen Elements 23 den Wellentälern 24 des unteren Elements 23 gegenüberliegen. Auf diese Weise bildet sich eine zwischen den Elementen 23 hin und her pendelnde Strömung aus, die ein Abscheiden der Partikeln aus der Suspension begünstigt. Die abgeschiedenen Partikeln werden dabei in den Wellentälern 24 der Elemente 23 aufgenommen. - Gegenstand der
Figuren 7 bis 10d sind unterschiedliche Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Strömungsmanipulators, wobei dieFiguren 7 bis 8c Ausführungsformen betreffen, deren Haupterstreckungsrichtung mit der Strömungsrichtung 7 zusammenfällt, sich der Strömungsmanipulator also im Wesentlichen über die gesamte Länge des Strömungskanals 6 erstreckt. Hingegen zeigen dieFiguren 9 bis 10d Ausführungsformen eines Strömungsmanipulators mit Haupterstreckungsrichtung quer zur Strömungsrichtung 7 im Strömungskanal 6. - Bei der in
Fig. 7 in einer Draufsicht und inFig. 8a in einem Querschnitt gezeigten Ausführungsform wird der Strömungsmanipulator von einem Gitter 26 gebildet, das aus kreuzenden Stäben 27 und 28 zusammengesetzt ist. In den Kreuzungspunkten sind die Stäbe 27 und 28 miteinander verbunden. Die Längsachse der Stäbe 27 schließt mit der Strömungsrichtung 7 einen Winkel α ein, der vorzugsweise zwischen 30° und 60° liegt, um einen Impuls auf die Durchströmung quer zur Strömungsrichtung 7 zu erzeugen. Wie vor allem ausFig. 8a hervorgeht, liegen die achsparallelen Stäbe 27 und die im Winkel dazu angeordneten achsparallelen Stäbe 28 jeweils in einer Ebene übereinander, bilden also auf diese Weise eine obere Lage und eine untere Lage, und sind mittig im freien Strömungsquerschnitt des Strömungskanals und planparallel zur oberen Gehäusewand 2 bzw. unteren Gehäusewand 5 angeordnet. Somit befindet sich der Strömungsmanipulator in einer Zone des Strömungskanals 6, wo die auf die Partikeln wirkenden Magnetkräfte aufgrund des maximalen Abstands zu den Magneten 10 am schwächsten sind. - Von dieser Ausführungsform unterscheidet sich der Strömungsmanipulator gemäß
Fig. 8b lediglich durch die Anordnung mehrerer planparalleler Gitter 26 übereinander, wodurch der Einfluss des Strömungsmanipulators auf die Strömung 7 der Suspension verstärkt wird. - Eine Abwandlung hiervon betrifft den Strömungsmanipulator gemäß
Fig. 8c , bei dem ein Gitter 26' dreilagig aufgebaut ist, wobei die Stäbe 28 der oberen Lage und Stäbe 28' der unteren Lage achsparallel zueinander verlaufen und die kreuzenden Stäbe 27 der mittleren Lage einschließen. Die Ausführungsform gemäßFig. 8c umfasst zwei solcher Gitter 26', die planparallel übereinander im Zentrum des freien Strömungsquerschnitts des Strömungskanals 6 angeordnet sind. - Eine nicht dargestellte Ausführungsform sieht eine gewebeartige Ausbildung des Strömungsmanipulators vor, wobei sich flexible Stäbe kreuzen und dabei zwischen einer oberen Lage und unteren Lage wechseln.
- Die in
Fig. 9 in einer Draufsicht gezeigte Ausführungsform eines Strömungsmanipulators zeichnet sich durch eine Anordnung des Strömungsmanipulators quer zur Strömungsrichtung 7 aus. Der Strömungsmanipulator wird von Flächenelementen 30 gebildet, die orthogonal zur Strömungsrichtung 7 verlaufen und die im Bereich des freien Strömungsquerschnitts des Strömungskanals 6 Öffnungen 31 für den Durchtritt der Suspension aufweisen. Die Strömung wird daher zu den Öffnungen 31 hin gebündelt und erfährt dahinter wiederum eine Auffächerung, wobei mitgeführte Partikeln den Magneten 10 angenähert werden. - Die
Fig. 10a bis 10d zeigen unterschiedliche Ausführungsformen der Flächenelemente 30, 30', 30", 30'" in einer Ansicht parallel zur Strömungsrichtung 7. Wie ausFig. 10a ersichtlich können die Flächenelemente 30 eine Gitterstruktur mit rechteckförmigen Öffnungen 31 aufweisen, die fluchtend oder mit Versatz zueinander angeordnet sind. Bei der Ausführungsform der Flächenelemente 30' gemäßFig. 10b besitzen die Durchtrittsöffnungen 31' kreisförmige Gestalt, wobei seitlich benachbarte Durchtrittsöffnungen 31' einen Höhenversatz zueinander aufweisen. Davon unterscheiden sich die Flächenelemente 30" gemäßFig. 10c lediglich durch die Form und Anzahl der Durchtrittsöffnungen 31", die in diesem Fall Ellipsenform besitzen.Fig. 10d zeigt ein gitterartiges Flächenelement 30"', dessen Durchtrittsöffnungen 31'" von kreuzenden Stäben 32 gebildet sind. - Die
Fig. 11 bis 17 betreffen Ausführungsformen der Erfindung mit integrierter Wärmetauschereinrichtung, wobei der Grundaufbau der Vorrichtung mit oberer Gehäusewand 2, seitlichen Gehäusewänden 3 und 4, unterer Gehäusewand 5 und Strömungskanal 6 dem unter denFig. 1 bis 10d beschriebenen entspricht, so dass auf die dortige Beschreibung verwiesen wird. Bei den Ausführungsformen gemäß derFig. 11 bis 13 ist die Wärmetauschereinrichtung mit dem Strömungsmanipulator kombiniert, während die Ausführungsformen gemäß derFig. 14 bis 17 eine Kombination der Wärmetauschereinrichtung mit der Abscheidestruktur vorsehen. - In
Fig. 11 ist eine erste Ausführungsform einer Wärmetauschereinrichtung 32 dargestellt, die von einer Vielzahl seitlich beabstandeter achsparalleler Rohre 33 gebildet ist, die in zwei zu den Gehäusewänden 2 bzw. 5 planparallelen Ebenen angeordneten sind. Dabei können die Rohre 33 beider Ebenen wie dargestellt quer zur Strömungsrichtung 7 verlaufen, oder aber die Rohre 33 beider Ebenen verlaufen in Strömungsrichtung 7 (nicht dargestellt) oder die Rohre 33 einer Ebene kreuzen sich mit den Rohren 33 der benachbarten Ebene (nicht dargestellt). Die Enden der Rohre 33 sind an einen Kühlkreislauf angeschlossen, so dass das Wärmeträgermedium des Kühlkreislaufes die Rohre 33 durchströmt. - Durch die Anordnung der Rohre 33 im freien Strömungsquerschnitt des Strömungskanals 6 zwischen der Abscheidestruktur an der oberen Gehäusewand 2 und unteren Gehäusewand 5 kommt der Wärmetauschereinrichtung gleichzeitig die Funktion als Strömungsmanipulator zu, da die Strömung 7 an den Rohren 33 zwangsweise umgelenkt wird.
- Die in
Fig. 12 und Fig. 13 dargestellte Wärmetauschereinrichtung 32' unterscheidet sich davon durch einen mäandrierenden Verlauf des Rohres 33' innerhalb des Strömungskanals 6. Das Rohr 33' weist daher Abschnitte 34 auf, die quer zur Strömungsrichtung 7 verlaufen und auf diese Weise ein zu umströmendes Hindernis im Strömungskanal 6 bilden. Die mäanderartige Ausbildung der Wärmetauschereinrichtung 32' erlaubt eine wirtschaftliche Herstellung des Strömungsmanipulators bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad hinsichtlich der Abscheidung von Partikeln und Kühlung der Suspension. - Bei den Ausführungsformen gemäß der
Fig. 14 und 16 kommt der Wärmetauschereinrichtung 34, 34' gleichzeitig die Funktion der Abscheidestruktur zu. Die Ausführungsform gemäßFig. 14 sieht hierfür wiederum eine Vielzahl achsparalleler Rohre 35 vor, die quer zur Strömungsrichtung 7 an der Innenseite der oberen Gehäusewand 2 und unteren Gehäusewand 5 entlang verlaufen. Durch den seitlichen Abstand zweier benachbarter Rohre 35 ergibt sich ein Aufnahmeraum, in dem sich die Partikeln der Suspension ansammeln können. Bei der Ausführungsform gemäßFig. 15 weist die Wärmetauschereinrichtung zwei mäanderartig verlaufende Rohre 35' auf, von denen eines an der Unterseite der oberen Gehäusewand 2 und das andere an der Innenseite der unteren Gehäusewand 5 angeordnet ist. Durch den seitlichen Abstand der parallel und dabei quer zur Strömungsrichtung 7 verlaufenden Leitungsabschnitte 37 ergeben sich wiederum Aufnahmeräume für die abzuscheidenden Partikeln. Bei beiden Ausführungsformen ist im freien Strömungsquerschnitt zwischen den Rohren 35, 35' an der oberen Gehäusewand 2 und den Rohren 35, 35' an der unteren Gehäusewand 5 wiederum ein Strömungsmanipulator der bereits beschriebenen Art angeordnet, der zur Vermeidung von Wiederholungen daher nicht weiter dargestellt und beschrieben ist. Die Rohre 35, 35' sind wiederum vom Wärmeträgermedium eines Kühlkreislaufes durchströmt. - Eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit integrierter Wärmetauschereinrichtung 38 ist in
Fig. 17 offenbart. Der Querschnitt des Strömungskanals 6 ist bei dieser Ausführungsform von zwei wellenartig ausgebildeten Flächenelementen 39 unterteilt, die parallel zur oberen Gehäusewand 2 und unteren Gehäusewand 5 verlaufen. Auf diese Weise wird der Strömungskanal 6 in drei benachbarte Kammern unterteilt mit einer mittleren, von den beiden Flächenelementen 39 begrenzten Kammer 40 und zwei äußeren Kammern 41, die von einem Flächenelement 39 und der oberen Gehäusewand 2 bzw. unteren Gehäusewand 5 gebildet sind. Die mit Partikeln beladene Suspension durchströmt den Strömungsraum 6 in den beiden äußeren Kammern 41, wobei mit den Wellentälern der Wellenstruktur Aufnahmeräume für die abzuscheidenden Partikeln geschaffen werden. Die mittlere Kammer 40 ist von einem Wärmeträgermedium durchströmt, das als Teil eines Kühlkreislaufes thermische Energie von der Suspension abführt. - Während die Ausführungsformen gemäß der
Fig. 1 bis 17 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit rechteckförmigem Strömungskanal 6 zeigen, offenbart die Ausführungsform gemäßFig. 18 einen ringscheibenförmigen von der Suspension durchströmten Strömungskanal 6', der von einem äußeren Rohr 42 und einem dazu koaxial verlaufenden inneren Rohr 43 gebildet wird. Sowohl über den Außenumfang des äußeren Rohrs 42 als auch den Innenumfang des inneren Rohrs 43 sind wiederum Magnete 10 angeordnet, die ein im Strömungsraum 6' wirksames Magnetfeld erzeugen. - Entlang des Innenumfangs des äußeren Rohres 42 und Außenumfang des inneren Rohres 43 erstreckt sich eine Abscheidestruktur, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils von einer den Umfang schraubenlinienförmig umlaufenden äußeren Wendel 44 und inneren Wendel 45 gebildet ist. Der axiale Abstand zwischen den einzelnen Windungen der Wendeln 44 und 45 dient der Aufnahme der abgeschiedenen Partikeln. Die Wendeln 44 und 45 können rohrförmig ausgebildet und von einem Wärmeträgermedium durchströmt sein, um auch bei dieser Ausführungsform der Erfindung eine Wärmetauscherfunktion zu realisieren. Alternativ stehen als Abscheidestruktur die bereits unter den
Figuren 1 bis 16 beschriebenen Ausführungsformen zur Verfügung, die an die Krümmung der Wände des Strömungskanals 6' anzupassen sind. Entsprechendes gilt für den Strömungsmanipulator, der in dem Ringspalt zwischen den Wendeln 44 und 45 angeordnet ist, und der analog der unter denFiguren 1 bis 16 beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sein kann. - Die Erfindung ist nicht auf die in den einzelnen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr liegen auch Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung, bei denen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsformen miteinander kombiniert sind, soweit sich diese Kombinationen dem Fachmann aufgrund seines Fachwissens ohne weiteres erschließen.
Claims (19)
- Vorrichtung zum Abscheiden von Partikeln aus einem Fluid, insbesondere aus einer-Suspension, durch magnetische Separation, mit einem Strömungskanal (6, 6'), der von der Suspension in vorbestimmter Strömungsrichtung (7) durchströmbar ist, mit einer Abscheidestruktur innerhalb des Strömungskanals (6, 6') zur Aufnahme der Partikeln, und mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines im Strömungskanal (6, 6') wirksamen Magnetfelds, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungskanal (6, 6') mindestens ein von der Suspension durchströmbarer, nicht magnetischer oder nicht magnetisierbarer Strömungsmanipulator zur lokalen Veränderung der Strömungsparameter der Suspension angeordnet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (6, 6') einen rechteckförmigen, kreisförmigen oder ringscheibenförmigen Strömungsquerschnitt besitzt.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsmanipulator eine ausgeprägte Haupterstreckungsrichtung aufweist, die parallel zur Strömungsrichtung (7) der Suspension verläuft.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsmanipulator in mindestens einer Ebene quer zur Strömungsrichtung (7) verläuft, vorzugsweise in mehreren beabstandeten Ebenen quer zur Strömungsrichtung (7).
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsmanipulator von einem Flächenelement gebildet ist, vorzugsweise von einem Flächenelement (30, 30', 30", 30"') mit Durchtrittsöffnungen (31, 31', 31 ", 31 "'), oder von einem Flächenelement mit geschlossener strukturierter Oberfläche, oder von einem Gitter (26, 26'), oder von einem Netz, oder von einem Fasergebilde (14).
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidestruktur aus einem magnetischen bzw. magnetisierbaren oder einem nicht magnetischen bzw. nicht magnetisierbaren Material besteht.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidestruktur von mindestens einer Kanalwand gebildet ist, vorzugsweise von zwei sich gegenüberliegenden Kanalwänden.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidestruktur von einem Abscheideelement gebildet ist, das im Strömungskanal (6, 6') angeordnet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abscheideelement von einem geordneten oder ungeordneten Fasergebilde (19, 20) gebildet ist, oder von einem gewebe-, gewirk-, netz-, vlies- oder bürstenartigen Flächengebilde gebildet ist, oder von einem Flächengebilde (11, 15, 17, 23) mit Öffnungen (12, 16, 18) und/oder Vertiefungen (24) senkrecht zur Strömungsrichtung (7) gebildet ist.
- Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den Strömungskanal (6, 6') eine Wärmetauschereinrichtung integriert ist, deren Wärmetauscherflächen von der Suspension benetzt sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche des Strömungsmanipulators als Wärmetauscherfläche ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Oberfläche der Abscheidestruktur als Wärmetauscherfläche ausgebildet ist.
- Vorrichtung nach einem der Anspruch 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinrichtung (32, 32', 35, 35', 38) einen von einem Wärmeträgermedium durchströmten und gegenüber der Suspension räumlich getrennten Hohlraum umfasst, der innerhalb des Strömungskanals (6, 6') angeordnet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum von einem oder mehreren Rohren (33, 33', 36, 36') gebildet ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (33') mit mäandrierendem Verlauf innerhalb des Strömungskanals (6, 6') angeordnet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (33, 33') zur Bildung eines Strömungsmanipulators im Abstand zur Abscheidestruktur angeordnet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (36, 36') zur Bildung einer Abscheidestruktur an mindestens einer Wand (2, 5) des Strömungskanals (6, 6') angeordnet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum von mindestens einem trennwandartigen Flächenelement (39) gebildet ist, das sich von einer ersten Kanalwand (3) zu einer zweiten Kanalwand (4) erstreckt, wobei vorzugsweise die erste und zweite Kanalwand (3, 4) einander gegenüberliegen, und wobei vorzugsweise das mindestens eine trennwandartige Flächenelement (39) eine Wellenstruktur aufweist.
- Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsraum (6') einen kreisförmigen oder ringscheibenförmigen Strömungsquerschnitt besitzt und die Abscheidestruktur von einer Wendel (44, 45) gebildet ist, die sich koaxial entlang mindestens einer Wand des Strömungskanals (6') erstreckt.
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