FI111873B - Gasavskiljande centrifugal anordning, förfarande för att pumpa och avgasa en fluid samt förfarande för tillverkning av papper eller kartong - Google Patents

Description

111873

Gasavskiljande centrifugal anordning, förfarande för att pumpa och avgasa en fluid samt förfarande för tillverkning av papper eller kartong

Uppfinningen hänför sig till en gasavskiljande centrifugal anordning, säsom en pump, och till ett förfarande för att avgasa och pumpa en vätska, i synnerhet bakvatten vid tillverkning av papper eller kartong pi en pappersmaskin.

Bakvatten som dräneras genom en formeringsvira i en papperstillverkningsprocess inne-häller vanligen Stora mängder innesluten luft. Eftersom pappersmaskinens korta kretslopp kräver ett särdeles konstant flöde, avlägsnas störande luft vanligen genom att med speci-ella rörledningar eller kanalsystem leda det dränerade bakvattnet frän avvattningslädan eller -lädorna tili en öppen bakvattentank. Det avluftade vattnet pumpas sedan tillbaka tili det korta kretsloppets fiberprocess som föregär arkbildningen, Andra vätskor som kräver luftfri pumpning är, bland andra, svartlut, avsvärtningsslam och -massa, bestryknings-smet, o.s.v.

Pumpar som kan avskilja gas frän en fluid, som skall pumpas, är välkända som sädana, ....: men avsikten med sädana pumpar är vanligen endast att avlägsna en tillräcklig gasandel • \t för att möjliggöra reguljär pumpning. De kända pumparna är vanligen inte förmögna att avlägsna tillräckligt mycket gas för att ästadkomma den grad av luftfrihet som krävs för :"i att utan vidare avluftning använda fluiden tillexempel i en papperstillverkningsprocess.

:,: Exempel pä kända pumpar som konstant kan pumpa vätskor som innehäller gas är pre- v * senterade i patent säsom US 4,410,337 och US 5,039,320. Sagda pumpar är sä kallade MC-pumpar som utvecklats för att pumpa högkoncistensmassa (cirka 5 % tili 20 %) som * » · \ mäste fluidiseras i pumpens sugkanal varvid luft avskiljs genom skjuvning och centrifu- galkrafter. Den avskilda luften samlas i pumpens mitt och avlägsnas pä olika sätt. Pä • · * · · • grund av den lilla separeringsvolymen och de pumpade vätskornas höga viskositet är se- * « · • · ·;*’ pareringen av vätska och gas inte fullständig i de ovannämnda kända pumparna. Följakt- : ’ · · ligen fordras ytterligare avskiljning av fast material och vätska ur den separerade luften, « · t ‘ * säsom beskrivs tillexempel i patentansökningarna EP 337394 och EP 298442.

2 111873 I en internationell patentansökan enligt publikationen WO 92/03613 visas ett arrange-mang och ett förfarande för mäldinmatning, där en fibersuspension pumpas med “modi-fierade” versioner av ovannämnda MC-pumpar. Beskrivningen förklarar emellertid inte hur dessa pumpar skall modifieras.

Andra medel för att separera gas frän vätskor eller för att pumpa änghaltiga eller ängbil-dande fluider firms publicerade i patent säsom US 3,203,354, US 3,323,465, US 3,856,483, US 4,201,555, US 3,973,930, US 4,516,987, US 4,600,413, US 4,675,033, US 4,908,048 och WO 93/23135.

Samma ansökares patent US 5,861,052, som härmed innefattas som referens, visar en gasavskiljningspump kapabel att separera luft och vatten ur en blandning av dessa. Pum-pen har ett vätskeinlopp i sin ena ända och ett pumpande vätskeutlopp i motsatt ända. Mellan inloppet och utloppet firms en ihälig, längsträckt gasavskiljningsrotor och ett i huvudsak centralt utlopp för avskild gas. I pumpens utloppsända utvidgas rotorns diameter mjukt sä att det bildas en pumpningszon med större diameter. Pumpens inloppsända är försedd med ett antal blad för att fördela den inkommande fluiden tili rotorns väggar , ,.: och pumpens utlopp är försett med ett löphjul (eng. blade wheel) för att pumpa den avga- * · sade vätskan. Anordningen lämpar sig särskilt väl för gasffi ätercirkulering av bakvatten : ‘ -, · dränerat genom formeringsviran i en papperstillverkningsprocess.

» I

v · En variant av ovannämnda gasavskiljningspump är beskriven i samma ansökares tidigare v · patentansökan WO 96/19276, där man ästadkommit ett tröskelmedel (eng.

threshold means) för att säkerställa att vätskeflödet vid utloppsändan sker i trankilt flö- « · * • · « • destillständ. Tröskelmedlet definierar stället där övergängen ffän snabbt tili trankilt flöde • *; * ’ sker genom ett hydrauliskt sprang.

• · • » · • I f » » • · ’”·* Det hydrauliska spränget firms beskrivet hos tillexempel B. S. Massey: Mechanics of : *·* Fluids, 2nd Edition, Van Norstrand Reinhold Co. Ltd. London 1971, sid. 334 - 359, • · »

• I

‘ · · ' som förklarar att en fluid som strömmar i en öppen kanal kan flyta i tvä olika flödesfor- 3 111873 mer, antingen trankil eller snabb. Flödesformen för fluiden bestäms av Froudes tai enligt ekvationen

Fr = u!{hgf där Fr är Froudes tai, u är flödeshastigheten, h är skikttjockleken, och g är gravitations-kraften. Ifall Fr>l, är flödet snabbt och ifall Fr<l, är flödet trankilt. Vid en given energinivä existerar ingen flödeshastighet däremellan, vilket innebär, att ifall ett snabbt flöde saktas upp kommer ett hydrauliskt sprang att inträffa vid övergängen mellan det snabba och det trankila flödestillständet, varvid en del av energin gär förlorad i turbu-lens. Detta fenomen är känt inom tekniken för vätskeflöde i öppna kanaler och utnyttjas bland annat i vattenkraftverk. Det har emellertid inte i allmänhet utnyttjats i samband med centrifugal separering av gaser frän vätskor eller inom pumpning av vätskor.

Ifall vätskeflödet i gasavskiljningstrumman i en apparat för centrifugal gasavskiljning i nägot skede är snabbt, bör det, för att undvika överflödig turbulens och äterinblandning av gas i vätskan i utloppsändan, heist överföras tili en trankil flödesform före det avlägs- .: nas ur apparaten. Detta är speciellt viktigt i fall dä avsikten är att ästadkomma en vätska .. som är väsentligen fri frän gas, vilket är fallet vid luftfri pumpning av en pappersmaskins .: bakvatten.

• ·. · I mänga pinnpar enligt den kända tekniken är axialflödet antingen sä längsamt, d.v.s.

• · • * pumpens kapacitet sä liten, att trankilt flöde föreligger, eller behovet av gasfritt tillständ sä sekundärt, att ett snabbt flöde i utloppet kan accepteras. I sädana pumpar förekommer ’.,; * inget hydrauliskt spräng.

; I tidigare kända pumpar med hög flödeshastighet och högt krav pä att ästadkomma en ;·* gasffi vätska, kommer uppenbarligen ett hydrauliskt spräng att äga rum i nägot skede.

• ” Det hydrauliska sprängets exakta plats varierar med flödesförhällanden och luftavskilj- *···' ningstrummans form och tidvis kan det hydrauliska spränget vara instabilt och orsaka in- stabilitet i pumpens funktion. Gasavskiljningspumpen enligt ovannämnda tidigare patent- 4 111873 ansökan WO 96/19276 har ett ringformigt tröskelmedel för att definiera platsen för det hydrauliska spränget.

Ett ändamäl med föreliggande uppfinning är att förbättra funktionen hos kända förfaran-den och anordningar för att ästadkomma stabila förhällanden dä en gas separeras frän en vätska vid stor flödesmängd. Ändamälet med uppfinningen är särskilt att behärska de hydrauliska förhällandena i en gasavskiljningsanordning för att minska energiförlusterna. Ett annat ändamäl med uppfinningen är att konstruera en roterbar avgasningsanordning i vilken en stor del av energin ätervinns som användbar energi. En speciell avsikt med uppfinningen är att behärska de hydrauliska förhällandena i en gasavskiljande turbin med snabbt flöde av fluid och att minska energiförlusterna, tillexempel sädana, som förorsa-kas av det hydrauliska spränget.

Uppfinningens mest fördelaktiga utföringsform är baserad pä insikten att energiförlusterna som förorsakas av det hydrauliska spränget kan minskas eller elimineras genom att förändra geometrin hos inloppsmedlet i en gasavskiljande centrifugalpump och att rota-tionsenergin kan ätervinnas genom att konstruera utloppet som en turbin. Uppfinningens särdrag är definierade i bifogade patentkrav.

* · · Sälunda hänför sig föreliggande uppfinning tili en gasavskiljande centrifugal anordning : : som omfattar en roterbar, ihälig rotor med ett inlopp för fluid i sin ena ända, ett vätskeut- • · ’; · · lopp i den andra ändan och ett gasutlopp i sitt centrum och som i nämnda inloppsända har : en bladförsedd krets för att rotera vätskan i rotorn. Enligt uppfinningen omfattar den · bladförsedda kretsen ett skovelhjul med ett flertal skovlar fästa vid och med en utsträck- ning inät frän rotorns innervägg, varvid skoveln har böjd form med en framkant riktad • · · • · · ·' mot inloppet och en utloppskant riktad mot innerväggen. Utloppskanten bildar en vinkel • · » * · ·;·' med en linje parallell med rotorns axel för att ästadkomma en högre periferihastighet för • · ’. * ·: flödet av fluid vid innerväggen än innerväggens periferihastighet.

• * · • · • · j *·· I en fördelaktig utföringsform av uppfinningen omfattar anordningens inloppsända ytter- • · » ...· ligare ett centralt beläget strypdon för att fördela ett inkommande flöde av fluid mot ro torns innervägg.

5 111873

Enligt en speciell utföringsform av uppfiimingen kan rotorn omfatta tvä separata rote-rande kroppar roterbara med olika hastighet, varvid inloppets skovelhjul är fast vid väg-gen av den av rotorkropparna som är belägen uppströms. Anordningen enligt uppfin-ningen används fördelaktigt som en pump och anordningens utloppsända omfattar därför fördelaktigt ett stationärt spiralformigt utlopp för att pumpa den avgasade vätskan.

Pumpens utloppsända kan omfatta ett pumphjul, ett turbinhjul eller ocksä kan den vara helt utan hjul i s in utloppsända. Emellertid omfattar pumpens utlopp enligt uppfinningen fördelaktigt ett hjul utfört som en turbin, som kan ha mer eller mindre utpräglade turbin-skovlar för att ätervinna överlopps dynamisk energi ur den roterande vätskan.

Pumpen enligt uppfinningen kan ha ett utvidgat rotorutlopp med en utvidgad pumpnings-zon säsom beskrivet i patentet US 5,861,052, fastän detta inte är nödvändigt. De facto kan den roterande pumpen vid sitt utlopp vara utformad som ett väsentligen rakt rör utan utvidgning och utan nägot löphjul alls. Under vissa omständigheter kommer en sädan pump att utföra sin avgasande och pumpande verkan pä ett helt tillfredsställande sätt.

* · · · · :·. Dä en fluid accelereras med hjälp av en skovel, kommer hastighetsskillnaden mellan sko- vein och fluiden att bibehällas, men flödet kommer att ändra riktning enligt skovelns • t *:*·: form. I ett roterande skovelhjul, är skovelns hastighet högre vid periferin än i centrum ·/· : och hastighetsskillnaden varierar i motsvarande grad.

v : Genom att förändra geometrin för skovlarna i pumpens inloppsskovelhjul kan flödesskill- nadens riktning styras mer perifert och mindre axiellt, och som resultat därav kommer : ·* vätskans rotationshastighet att bli högre än rotorns rotationshastighet.

» * *. ί Dä vätskan roterar snabbare än rotorn, ökar centrifugalkraften och därigenom ökar ocksä ’···* utloppstrycket. Ocksä den dynamiska energikomponenten som omvandlas tili tryck i ut- : *·· loppets pumpspiral ökar.

6 111873 I centrifuger enligt känd teknik har fluiden bragts att rotera med en rotationshastighet motsvarande centrifugens rotationshastighet. Vi har nu upptäckt att detta orsakar att den fluid som matas in i centrifugen strömmar med en axialhastighet motsvarande skillnaden mellan flödeshastigheten i inloppet och centrifugens periferihastighet. Detta leder till en synnerligen snabbt flöde, som miste minskas till ett trankilt flöde over ett hydraulisia spring.

En del av axialflödets energi gär förlorad i det hydrauliska spränget och förorsakar tur-bulens. Ju större axialhastigheten är och ju mindre centripetalkraften är, desto större blir det hydrauliska spränget, desto större energiförlusten och desto häftigare turbulensen. I centrifuger för gasavskiljning, sisom den luftavskiljande pumpen enligt patentet US 5,861,052, har det befunnits att dä inloppshastigheten är hög och kapaciteten stor tende-rar det hydrauliska spränget att äterinföra luft i fluiden som skall avluftas.

Genom att vända flödet i centrifugens rotationsriktning kan axialflödets hastighet minskas och samtidigt flödets periferihastighet ökas. I en fördelaktig utföringsform är skovlarna formade för att ge en mycket stor rotationshastighetskomponent och en axialhastighets-. ,,; komponent som är tillräckligt liten för att ge ett trankilt initialflöde längs rotorväggen. I

: . detta fall uppstir inget hydrauliskt spring och energiförlusterna kan minimeras.

; · · Uppfinningen hänför sig ocksä till ett förfarande för att avskilja gas ur en fluid genom : : : centrifugering, varvid förfarandet innefattar, att man matar en fluid innehällande en v ·’ blandning av vätska och gas till inloppet av en roterbar, ihälig rotor och bringar fluiden att rotera pä rotorns innervägg med en periferihastighet som är större än innerväggens, » · · ·’ ·* att man bringar fluiden att strömma axiellt mot ett vätskeutlopp i rotorns motsatta ända ’·;·* medan man liter gasen avskiljas frän vätskan, att man leder ut den resulterande avgasade *. ’ ·: vätskan i utloppsändan och leder ut gasen genom ett centralt gasutlopp.

Ml • * · · Genom att använda pumpen enligt föreliggande uppfinning är det möjligt att ästadkomma • · » •... · en väsentligen fullständig avskiljning ur fluidblandningen av den gas, som i (icke upplöst) gasform innehälls i vätskan.

7 111873

Uppfinningen hänför sig ocksä till förbättringar i ett förfarande för tillverkning av papper eller kartong pä en pappersmaskin, varvid förfarandet omfattar steg där man tillhanda-häller en pappersmäld av massa; i en eller flera faser utspäder massan med bakvatten dränerat genom pappersmaskinens formeringsvira; matar ut maiden pä formeringsviran genom en inloppsläda pä pappersmaskinen; formerar en bana pä formeringsviran medan man läter vatten frän mälden dränera genom viran; matar banan genom ett pressparti och ett torkparti pä pappersmaskinen för att ästadkomma papper eller kartong. Förbättringen omfattar att man pumpar ätminstone en del av bakvattnet och/eller den utspädda mälden med ätminstone en gasavskiljande centrifugalpump enligt uppfinningen.

I en fördelaktig utföringsform av uppfinningen avgasar man bakvattnet väsentligen full-ständigt i pumpen. Man kan utföra pumpningen med en eller fördelaktigt med ett flertal gasavskiljande centrifugalpumpar.

En fördelaktig utföringsform av förfarandet ästadkoms genom att koppia gasutloppet tili en vakuumkälla som kan användas antingen för att förbättra gasavskiljningseffekten i pumpen eller som ett sugningsmedel i en del av processen uppströms ffän pumpen, eller som ett medel för att ästadkomma ett tillräckligt tryckfall i inloppet för att fördela fluiden . ·. : över dettas periferi.

» » »II·· Föreliggande uppfinning, med ytterligare avsikter och fördelar därav, förstäs bäst av >t '· : följande beskrivning dä den läses i samband bifogade ritningar, av vilka: » * * : Figur 1 visar en genomskärning av en gasavskiljande centrifugalpump enligt en fördelak- ' ·; · * tig utföringsform av uppfinningen sedd ffän sidan; # * ·

Figur 2 visar en genomskärning av den gasavskiljande pumpen enligt Figur 1 längs linjen A-A; 8 111873

Figur 3 visar en genomskärning av den gasavskiljande pumpen enligt Figur 1 längs linjen C-C och ett hastighetsvektordiagram vid en inloppsskovel i pumpen;

Figur 4 visar en genomskärning av utloppsändan av en gasavskiljande pump enligt Figur 1 längs linjen B-B;

Figur 5 visar tillämpningen i en papperstillverkningsprocess av gasavskiljande centrifu-galpumpar enligt uppfinningen.

I följande detaljerade beskrivning av uppfinningen refereras tili ritningarna, varvid samma nummer används för samma eller funktionellt lika delar. Det är att märkä att fö-religgande pump till stor del fungerar pä samma sätt som den som beskrivs i ovan nämnda patent US 5,861,052. Refererande tili den detaljerade beskrivningen i sagda patent är det klart för fackmannen att mänga varianter av allmänt utförande och användning av den kända pumpen tili stor del är tillämpliga ocksä för pumpen enligt föreliggande uppfinning.

. I den fördelaktiga utföringsformen av uppfinningen enligt Figur 1 omfattar den gasav- • · : ·. skiljande pumpen 10 enligt uppfinningen ett stationärt, ihäligt, rörformigt hölje 12 med . ·. : ett stationärt inloppsrör 14 i ena ändan, en stationär utloppsspiral 16 med ett utloppsrör ·;··: 18 i den motsatta ändan. Inne i höljet 12 firms en ihälig rotor 20 roterbart monterad i la- ger. Höljet 12 bildar ett slutet utrymme runt rotorn 20. Rotorn 20 omfattar en roterbar :,; : inloppskanal 22 ansluten tili inloppsröret 14 och ett roterbart utlopp anslutet tili den sta- tionära utloppsspiralen 16.

* · Fäst vid rotorns 20 innervägg finns vid inloppsändan en sats roterbara skovlar 24, som *V·: bildar ett inloppsskovelhjul 26 och i pumpens utloppsända finns en andra sats skovlar 32, im som bildar ett utloppsturbinhjul 30. Mellan skovelhjulet 26 och turbinhjulet 30 bildas ro-\ torns 20 gasavskiljande huvuddel som en väsentligen cylindrisk trumma 34. Trumman 34 :: kan ocksä ha en lätt konisk utformning med en större diameter i utloppsändan.

9 111873 I en annan (icke visad) utföringsform av uppfinningen kan det roterbara inloppet och ro-torns uppströmsdel bilda en enhet som är separat roterbar i förhällande tili rotorns gasav-skiljande huvuddel.

I rotorns 20 centrum finns ett stationärt gasutloppsrör 36 som pä sin yttre periferi har en ringformad strypskiva 38 som är glidbar längs utloppsröret (med icke visade medel). Strypskivan 38 är anpassad för att fördela den inkommande fluiden tili inloppsskovelhju-let 26.

Pumpens botten är huvudsakligen pian sätillvida att den inte har nägra väsentliga perifera vallar med utsträckning mot pumpens inloppsända, utan tilläter vätska att strömma fritt frän bottnen och ut genom den ringformiga öppning som bildas mellan rotorväggen och bottnen. Pumpens 10 botten är visad som roterbar med rotom 20.

Alternativt kan pumpens botten vara stationär och utgöra en del av höljet 12, i vilket fall det är förmänligt att ordna gasutloppsröret genom mitten av den stationära bottenplattan.

. Innerväggen hos rotorns 20 trumavsnitt 34 utgör en stor roterbar gasavskiljningsyta för att avskilja innesluten gas ffän fluiden. Gasavskiljningsytan bör vara tillräckligt läng för * ·« . . : att erbjuda tillräcklig tid för fluiden att lägga sig pä gasavskiljningsytan och för ali inne- • · : · · sluten gas i fluiden att avskiljas medan fluiden strömmar frän inloppet tili utloppet i ro- torn 20.

» tt» För att ästadkomma en tillräcklig tid för gasavskiljningen och uppnä ett förmänligt förhällande mellan axialflödet vid avskiljningsytan och den centrifugalkraft som föranleder *;·" avskiljningen, bör trumman 34 fördelaktigt ha en diameter som är mindre än dess längd.

*'.**: Diametern borde fördelaktigt vara mindre än halva trumlängden. Ett lämpligt förhällande mellan längd och diameter är mellan 1,5 och 15, fördelaktigt mellan 2 och 10. Mest för-; delaktigt är förhällandet mellan 3 och 8 även om det inte finns nägon definitiv gräns för trummans längd, utom eventuella tekniska svärigheter som tillstöter, dä man har extremt länga roterande anordningar.

10 111873

Fig. 2 visar en skärning A-A av inloppsskovelhjulet 26 med skovlarna 24 fästa vid ro-torns 20 innervägg och utsträckning inät mot strypskivan 38 i centrum av inloppet 22. En pil anger rotorns 20 och skovelhjulets 26 rotationsriktning. Skovlarna 24 är böjda till formen och sträcker sig i rotationsriktningen sä att det mellan dem lämnas kanaler 25 för fluiden.

I centrum av rotorn 20 visas utloppsröret 36 omgivet av ett styrskaft 39 för strypskivan 38. En vakuumkälla kan anslutas till gasutloppet 36 för att förbättra gasavskiljningen el-ler öka inloppstryckfallet. En sadan användning av en vakuumkälla är särskilt fördelaktig dä undertryck behövs vid källan för gas- och vätskeblandningen.

Figur 3 visar skovlarnas 24 och kanalernas 25 form längs skärningen C-C i Figur 2. Skovlarna har en framkant 27 som sträcker sig i riktning mot inloppsröret 14. Framkan-ten bildar en vinkel a med en linje parallell med rotorns axel. Framkantens vinkel a ut-formas förmänligt sä att framkanten 27 sträcker sig i den relativa fluidinloppshastighetens Vdiff riktning. Vinkein a är fördelaktigt mellan 45° och 70°. Den relativa inloppshastighe-. ,.: ten Vdiff är hastighetsskillnaden mellan rotorns hastighet vrot och inloppsflödets hastighet ; __ Vin representerade av sinä respektive vektorer i Figur 3.

» # ':' ’: Skovlarnas 24 utloppskanter 29 sträcker sig mot rotorns innervägg 20 och är riktade sä · att de bildar en vinkel β med en linje parallell med rotorns 20 axel. Vinkein β är fördel- * aktigt mellan 30° och 80°, mer fördelaktigt mellan 40° och 70°. Skoveln själv bildar en mjuk, välvd skovelform mellan framkanten 27 och utloppskanten 29.

» · · ’!* Den böjda och vinklade formen hos skovlarna 24 utgör medel för att styra inkommande fluid mot den roterande trumytan i en riktning som har en väsentlig periferikomponent *;·’ utöver en axialkomponent och vid en hastighet som är större än den roterande rotorns • · : ” hastighet.

• • · • · · 11 111873

Figur 4 visar pumpens 10 utloppsända med dess turbinhjul 30 i skärning B-B enligt Figur 1. Mellan turbinhjulets 30 skovlar 32 bildas kanaler 33 vilka i sin inloppsända är böjda sä att en fluid med en större periferihastighet än rotorns 20 kan flyta mjukt in i kanalerna 33.

Den vinkel som kanalerna 33 bildar med rotorns 20 radie väljs fördelaktigt enligt förhäl-landet mellan fluidens radiala flödeshastighet Vrad och periferihastighetsskillnaden vm» mellan fluid och skovelinlopp sä att önskad funktion uppnäs vid en given konstruktions-mässig gasavskiljnings- och pumpningskapacitet.

I turbinhjulets 30 yttre periferi vänds kanalerna 33 i motsatt rotationsriktning för att minska fluidflödets periferihastighet. Kanalerna 33 är företrädesvis trängre vid turbinhjulets 30 yttre periferi än vid dess inre periferi. Turbinhjulet öppnar sig mot en stationär utloppsspiral 16, vilken i allmänhet är spiralformad i rotationsriktningen, men som ocksä kan spiralformas i riktningen motsatt rotorns rotationsriktning.

Vid användning av anordningen enligt uppfinningen separerar man en blandning av gas och vätska eller en flytande suspension tili en väsentligen gasfri vätska och en väsentligen vätskefri gas. Vätskan kan vara en lägviskös vätska, säsom vatten, eller en vätska eller ; ' : flytande suspension med högre viskositet, säsom en fibermäld. Gasen kan vara luft eller •: ·: nägon annan gas som är väsentligt lättare än blandningens vätskekomponent. Sälunda kan :V: vätskan innehälla fibrer eller föroreningar, säsom trycksvärtspartiklar, i en mängd som • > · V · emellertid inte gör fluiden alltför viskös.

Vid användning av den fördelaktiga utföringsformen av pumpen enligt uppfinningen fly- : ter en fluid, som skall avgasas och pumpas, genom inloppsröret 14 och inloppskanalen • · *·;·’ 22 och fördelas av strypskivan 38 tili det roterande inloppsskovelhjulets 26 kanaler 25.

• ·

Fluidens inloppsflödeshastighet Vinbestäms av inloppstrycket. Flödeshastighetens riktning

• M

bildar en väsentligen 90° vinkel mot skovelhjulets 26 rotationsperiferihastighet v™. Has- t • ♦ j ’·· tighetsskillnaden Vdar mellan skovelhjul och fluid kommer därför enligt Pythagoras teo- ·...·* rem att vara lika med kvadratroten ur summan av kvadraterna pä fluidens inloppsflödes hastighet Vin och rotorns rotationshastighet ν««.

12 111873

vdiff =ylvl+vL

Denna hastighetsskillnad kommer väsentligen att bibehällas genom skovelhjulets kanaler 25 och fluiden kommer att flyta in i trumman 34 med en periferihastighet motsvarande trummans periferihastighet plus hastighetsskillnadens periferikomponent Vdiff x sin(P). Fluiden kommer att ha en axialhastighet motsvarande den axiella hastighetskomponenten av hastighetsskillnaden, Vditr x cos(P).

Pä grund av skovlarnas 24 form kommer fluiden att flyta längs trumväggen med en has-tighet som har en perifer komponent som är högre än rotorns periferihastighet. Med andra ord kommer fluiden att rotera med en hastighet som är högre än trummans hastig- o het. A andra sidan kommer flödet av fluid att ha en axialhastighetskomponent som är väsentligen mindre än axialhastigheten i pumpar enligt känd teknik vilka har blad eller skovlar vilkas utloppsändor sträcker sig väsentligen parallellt med rotorns axel.

I en fördelaktig utföringsform flyter fluiden in i avluftningstrumman med sä lag axialhas-tighet att den bibehäller en trankil flödesform i sitt axialflöde, d.v.s. Fr<l. Axialflödet , ‘ · · kan ocksä vara mättligt snabbt eller snabbt Fr > 1 varvid flödet kommer att övergä till ‘ trankil flödesform over ett hydrauliskt sprang. Ett fördelaktigt snabbt flöde är ett där Fr il· är närä 1.

’ * · * * · ’ I varje fall ställs rotorns rotationshastighet sä att axialflödet i utloppsändan är trankilt . . d.v.s. Fr< 1. Varje övergäng mellan flödesformerna sker i ett hydrauliskt sprang 40 där . · ·, skikttjockleken plötsligt ökar och axialflödeshastigheten motsvarigt minskar.

• I » • · > » · . / I det hydrauliska spränget 40 förstörs en del av den energi som fluiden innehäller. Flö- > · deshastigheterna bör därför väljas sä att det hydrauliska spränget antingen inte äger rum • · eller är sä litet som möjligt. Förekomsten av och platsen för ett hydrauliskt spräng 40 i * · trumman 34 bestäms av flödeshastigheten och energiförlusterna orsakade av friktions-förluster pä grund av hastighetsskillnaden mellan trumma och fluidflöde.

13 111873 I turbinhjulet i utloppsändan minskas fluidens periferihastighet pä ett för fackmannen känt sätt. Denna hastighetsskillnad kan omvändas i turbinhjulet. Beroende pä kanalernas tvärsnitt och riktning vid turbinhjulets utlopp kan den rentav vändas och ökas.

Hastighetsskillnaden överför energi frän fluiden tili rotorn. Största delen av fluidens ffi-gjorda kinetiska energi kan i turbinhjulet omvandlas tili drivkraft för rotorn.

Genom att forma turbinhjulets 30 utloppskanaler 33 tillräckligt tränga och rikta dem peri-fert, kan ocksä en del av vattenringens potentiella energi innanför turbinhjulet 30 omvandlas tili drivkraft. Sälunda kan trycket i utloppet minskas jämfört med kända pumpar.

Utloppsspiralen 16 dimensioneras fördelaktigt för en nägot lägre flödeshastighet än peri-ferihastigheten i turbinhjulets 30 utlopp. Genom detta arrangemang minimeras de energi-förluster i spiralen, som beror pä energiförlust i en ejektor, och reduceras tili blotta frik-tionsförluster. Som nämnts i det föregäende, kan spiralen riktas i rotationens riktning el-ler motsatt denna riktning.

• » » · · I det följande skall användning av och dimensioner för en pump enligt föreliggande upp- » · · . ·. : fmnings fördelaktiga utföringsform behandlas.

M M I

• I

:' · *; Inmatningsvinklarnas a inverkan illustreras i nedanstäende tabell: • t · • ·

Inloppshastighet (m/s) 10 10 10 : ’.· Trumhastighet (m/s) 15 15 15 '···* Hastighetsskillnad (m/s) 18 18 18

Inmatningsvinkel (1°) 0 45 60

Axialflödeshastighet (m/s) 18 13 9

Periferiflödeshastighet (m/s) 15 28 31 »♦ * » · » · 14 111873 Sälunda minskar axialflödeshastigheten och ökar periferiflödeshastigheten. Ökningen minskar axialflödets energi med hälften och ökar periferiflödets energi och samtidigt centripetalkraften sä mycket som fyrfaldigt.

De ändrade förhällandena kan användas för att minska rotationshastigheten, reducera storleken eller öka kapaciteten i en given centrifug vid ett givet avluftningsbehov.

En ökad periferihastighet och ökad centripetalkraft ökar ocksä trycket i centrifugens ut-loppsända. I en luftavskiljande pump minskar sälunda behovet av ytterligare pumpver-kan, och pumphjulet i utloppsändan kan minskas i diameter eller skovlarnas storlek och effekt kan reduceras. Sälunda kan pumphjulet tili och med elimineras helt och hället.

För att uppskatta gasavskiljningsverkan av den gasavskiljande anordningen kan de form-ler som givits av Topi Helle (i Paperi ja Puu) användas för att beräkna en kritisk bubbla, d.v.s. diametern för en bubbla som torde avlägsnas. Denna teoretiska beräkning kommer givetvis inte att exakt motsvara den verkliga processen, vilken störs av turbulens och i fluiden dispergerat material. Under användning av luftavskiljande pumpar har man emellertid observerat att en kritisk bubbeldiameter om <40 mikron ger en tillräcklig avluftning för papperstillverkning.

* · • Med ökande kapacitet firms en tendens för trycket att stiga, varför luftavskiljande pumpar med läg kapacitet ocksä kan byggas enligt känd teknik offentliggjord i patentet US : 5,861,052 ifall man behöver ett högt utloppstryck.

.· Det totala utloppstrycket, som bestär av en dynamisk och en statisk komponent, kan om- ; * ’ vandlas till statiskt tryck genom deceleration i en pumpspiral säsom man gör i normala * · ,' : centrifugalpumpar.

: För papperstillverkningsförfarandet sä som det beskrivs tillexempel i (förfarande), önskas :,,,· vanligen ett utloppstryck pä mellan 100 och 150 kPa. Som synes i tabellen ovan, överskrids detta önskade tryck i de fiesta större luftavskiljande pumparna. Överlopps- 15 111873 trycket kan omvandlas till mekanisk energi av ett utloppshjul som fungerar som en turhin. Pä sä sätt ätervinns den kinetiska överloppsenergin och används för att driva den luftavskiljande pumpens rotor.

I manga fall är det axiala flödet i pumpen snabbt vid utloppet ffan inloppsskovelhjulet, d.v.s. Froudes tal Fr> 1. (Fr=Vaxiai/(gh)1/2 där Vaxiai är axialhastigheten, g den centrifugala accelerationen och h skikttjockleken.) Fore pumpens utlopp mäste hastigheten saktas ned till ett trankilt flöde (Fr< 1). Detta betyder att hastigheten borde minskas over ett hyd-rauliskt spräng, säsom beskrivs i ovannämnda patentansökan WO 96/19276.

Det hydrauliska sprängets plats kommer att avgöras av axialflödets kinetiska energi och vattenringens diameter efter spränget. En del av fluidens kinetiska energi kommer att för-loras i form av friktionsförluster pä grund av hastighetsskillnaden mellan avluftnings-trumman och fluiden. Det hydrauliska spränget som förorsakas av minskande axialhas-tighet och/eller minskande centrifugalkraft, kommer att inträffa pä ett ställe som bestäms av vattenringens diameter, av vattnets energiinnehäll före spränget och av flödet.

,,,: För att hindra det hydrauliska spränget att röra sig tillbaka tili inloppsskovelhjulet är det . ^ fördelaktigt att ge trumman en lätt konisk form, varvid det kan säkerställas att ett hyd- rauliskt spräng äger rum även om diametern efter spränget överskrider vattenringens ; · *: diameter vid det snabba flödet vid inloppsskovelhjulets utlopp.

* · v ; Ifall fluidens inloppshastighet Vm är tillexempel 10 m/s och skovelhjulets 26 periferihas- tighet är 15 m/s, är hastighetsskillnaden (102+152)1/2, d.v.s. 18 m/s. Vid en vinkel β om * · · 50° är den perifera hastighetskomponenten 13,8 m/s och den axiella komponenten 11,5 » * m/s. Den totala periferihastigheten är sälunda 15 + 13,8 = 28,8 m/s och fluidens totala '· ·* hastighet 30,8 m/s. Den kinetiska energin som vätskan innehäller motsvarar massflödet (kg/s) x 30,82, d.v.s. 950 Ws/kg.

• · 16 111873

Om man bortser Mn förluster, är fluidens periferihastighet i exemplet 28,8 m/s vid tur-binhjulets insida. Om turbinhjulets diameter är 10 % större än inloppsskovelhjulets, är dess periferihastighet 16,5 m/s och hastighetsskillnaden 12,3 m/s.

Den i turbinhjulet frigjorda energin motsvarar (vpenf, in2-Vperif, ut2) x Q där Vperif, in är perife-rihastigheten inne i turbinhjulet och Vpenf, m är periferihastigheten vid fluidens utlopp ur turbinhjulet.

I fall av en enkel omvändning av hastighetsskillnaden, kommer i exemplet hastigheten hos fluiden i utloppet att vara 16,5 m/s - 12,3 m/s, d.v.s. 4,2 m/s vid utloppet fran turbinhjulet. Sälunda ätervinns en energi motsvarande 28,82 - 4,22 = 810 Ws/kg som driv-kraft för rotorn, bortsett frän förluster.

Gasavskiljningspumpen enligt uppfinningen är särskilt väl lämpad för att ätercirkulera bakvatten i en pappersmaskin tili det korta kretsloppets fiberprocess. Figur 4 visar en särskilt förmänlig användning av gasavskiljningspumpar i en process enligt samma sö-kandes patent US 5,567,278, som härmed inkluderas som referens. Det är uppenbart för . fackmannen att föreliggande uppfinning bjuder en väsentlig förbättring ocksä för kon- • · 11 ventionella papperstillverkningsprocesser genom att öka bakvattnets ätercirkulationshas- : ‘ : tighet och eliminera behovet av Stora behällare för bakvatten.

• · • · > » · • · • · « v : Lösningen enligt Figur 5 visar en papperstillverkningsprocess, varvid utspädd mäld ma- ’ tas genom en inloppsläda 100 tili en formeringsvira för att bilda en bana. Bakvatten, som dräneras genom formeringsviran, samlas upp i dräneringslädor 101, suglädor 102 och * ♦ · :<t;‘ sugvalsen 103 och flyter direkt tili de gasavskiljande pumparna 10, 10’ och 10” enligt » ♦ uppfinningen. De gasavskiljande pumparna 10’ och 10”, som hänför sig tili suglädor res- ’· '· pektive en sugvals, kan kopplas tili en vakuumkälla (ej visad) för att ästadkomma det va- • · ‘ ·; · * kuum som behövs i suglädorna och sugvalsen.

* · ‘ · · ‘ De gasavskiljande pumparna 10, 10’ och 10” avskiljer luften, som bakvattnet innehäller, och matar bakvattnet som skilda luftfria flöden tili olika utspädningspunkter i den pri- 17 111873 mära fiberprocessen. Fiberprocessen gär frän massaberedning 124 genom en mixer 123, centrifugalrenare 122, sil 121 och mäldfördelare 125 tili inloppslädan 100 och vidare tili bildningen av pappersbanan.

De gasavskiljande pumparna enligt uppfmningen tillhandahäller sälunda medel för snabb och direkt ätercirkulation av väsentligen luftfritt bakvatten tili fiberprocessen i en pap-persmaskins vätända.

Ett förfarande, enligt uppfmningen, för pappers- eller kartongtillverkning kan i princip köras i enlighet med för papperstillverkning vanliga ätgärder, vilka innefattar steg där man tillhandahäller en mäld av pappersmassa; i ett eller flera steg späder ut mälden med bakvatten som dränerats genom en formeringsvira pä pappersmaskinen; matar ut mälden pä formeringsviran genom pappersmaskinens inloppsläda; formerar en bana pä forme-ringsviran, varvid vatien ur mälden tilläts dränera genom viran; matar banan genom ett pressparti och ett torkparti pä pappersmaskinen för att ästadkomma papper eller kartong.

Fastän gasavskiljningsanordningen enligt föreliggande uppfmning primärt är avsedd att #; ästadkomma en väsentligen fullständig separation av gas och vätska medan vätskan pum- pas, kommer pumpen ocksä att bjuda Stora fördelar i processer där tidigare kända gasav- • (: skiljningspumpar är otillräckliga för att pumpa fluider ur vilka det är mycket svärt att av-> · ·; skiljagasen.

- I

; Uppfmningen har i huvudsak beskrivits som en pumplösning i anslutning tili pappersin- dustrin. Det är emellertid uppenbart för fackmannen att anordningen kan användas för * t • * mänga andra ändamäl där gas skall avskiljas frän en vätska eller flytande suspension.

> I · » a ·

Claims (15)

111873

1. En gasavskiljande centrifugal anordning som omfattar - en roterbar, Mlig rotor (20) ansluten till ett stationärt fluidinlopp (14) i sin ena ända och ett stationärt vätskeutlopp (16) i sin motsatta ända och som har ett gasutlopp (36) i sin mitt, - och som i inloppsändan har en bladförsedd krets (26) med ett flertal blad som sträcker sig inät frän roteorns (20) innervägg för att rotera fluiden i rotorn (20), kännetecknad av att bladen omfattar skovlar (24) med en böjd form med en framkant (27) som är riktad mot inloppet (14) och en utloppskant (29) som är riktad mot innerväggen, varvid utloppskanten (29) bilder en vinkel (D) med en linje parallell med rotorns (20) axel för att ästadkomma en högre periferihastighet hos fluidflödet pä innerväggen än innerväggens periferihastighet.

2. Anordning enligt patentkravet 1, kännnetecknad av attskovelns (24) framkant (27) bildar en vinkel (a) med en linje parallell med rotorns (20) axel.

. 3. Anordning enligt patentkravet 2, kännetecknad av att vinkein (a) är mellan 45° och 70° och att vinkein (β) är mellan 30° och 80°. I

· • 4. Anordning enligt patentkravet 1, kännetecknad av att den ihäliga rotorn (20) omfattar en längsträckt, rörformig eller svagt konisk gasavskiljningstrumma (34) med , : väsentligen cirkelformig genomskärning.

* * * ‘ 5. Anordning enligt patentkravet 1, kännetecknad av att den ihäliga rotorn (20) omfattar tvä separat roterbara kroppar, varvid den första av kropparna omfattar ett • · : roterbart inlopp (22) tillsammans med inloppsskovelhjulet (26) och den andra omfattar en • » ( '...: väsentligen rörformig roterbar gasavskiljningstrumma (34). * « » 111873

6. Anordning enligt patentkravet 1, kännetecknad av att rotorns (20) inloppsända omfattar ett strypdon (38) för att fördela ett inkommande flöde av fluid mot rotorns (20) innervägg.

7. Anordning enligt patentkravet 1, kännetecknad av att rotorn (20) i sin utloppsända omfattar en pumpningszon för att pumpa avgasad vätska.

8. Anordning enligt patentkravet 7, kännetecknad av att pumpningszonen innehäller ett turbinhjul (30) som sträcker sig in i utloppet (16).

9. Anordning enligt patentkravet 8, kännetecknad av att turbinhjulet (30) omfattar skovlar (32) mellan vilka bildas böjda kanaler (33) som vid hjulets yttre periferi är trängre än vid dess inre periferi.

10. Anordning enligt patentkravet 1, kännetecknad av att fluidinloppet (14) och vätskeutloppet (16) är förbundna med varandra genom ett rörformigt hölje (12) som bildar ett stationärt slutet utrymme som innesluter rotorn (20). • ( · I

11. Anordning enligt nägot av de föregäende patentkraven, kännetecknad av att en . : vakuumkälla är förbunden med gasutloppet (36).

12. Ett förfarande för att avgasa en fluid genom centrifugering, kännetecknat av att ' . : det omfattar att man: - matar in en fluid, som innehäller en blandning av vätska och gas, tili inloppet av en i roterande ihälig rotor, ’ ·.. * - bringar fluiden att rotera pä rotorns innervägg med en periferihastighet som är högre än * · ' · innerväggens periferihastighet, ·...· - bringar fluiden att strömma axiellt i riktning mot ett vätskeutlopp i rotorns motsatta : ·.. ända, medan man läter gasen separera frän vätskan, • * * :· - matar ut den resulterande, avgasade vätskan i utloppsändan samt - matar ut gasen genom ett centralt gasutlopp. 111873

13. Förfarande enligt patentkravet 12, kännetecknat av att man utför inmatningen och roterandet av fluiden sä, att axialflödet pä den roterande väggen i rotorns inloppsända har ett Froudes tai närä 1, fördelaktigt < 1 och vid rotorns utloppsända har Fr< 1.

14. Förfarande enligt patentkravet 12, kännetecknat av att man matar ut den avgasade vätskan genom en turhin för att ätervinna rotationsenergi frän vätskan.

15. Ett förfarande för tillverkning av papper eller kartong pä en pappersmaskin, vilket förfarande innefattar steg där man tillhandahäller pappersmäld av massa; i ett eller flera steg utspäder mälden med bakvatten dränerat genom en formeringsvira pä pappersmaskinen; matar ut mälden pä formeringsviran genom en inloppsläda pä pappersmaskinen; formerar en hana pä formeringsviran, varvid man läter vatten frän mälden dränera genom viran; matar hanan genom ett pressparti och ett torkparti pä pappersmaskinen för att ästadkomma papper eller kartong, kännetecknat av att man pumpar ätminstone en del av bakvattnet och/eller den utspädda mälden med ätminstone en gasavskiljande centrifugalpumpanordning, som omfattar -en roterbar, ihälig rotor (20) med ett fluidinlopp (14) i sin ena ända, och ett ’ ·, . vätskeutlopp (16) i sin motsatta ända och ett gasutlopp (36) i sin mitt, ,.,.: - och som i inloppsändan har ett löphjul (26) med ett flertal blad som sträcker sig inät • · :‘j·. frän rotorns (20) innervägg för att rotera fluiden i rotorn (20), varvid blade omfattar ett flertal skovlar (24) med en böjd form med en framkant (27), som är riktad mot inloppet (14), och en utloppskant (29), som är riktad mot innerväggen, varvid utloppskanten (29) • > bildar en vinkel med en linje parallell med rotorns (20) axel för att ästadkomma en högre > t » ... · periferihastighet hos flödet av fluid pä innerväggen än innerväggens periferihastighet. * · • t 2i 111873