CH623896A5 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie.

Bei bekannten Anlagen zur Stofftrennung mittels Fliehkraft tritt beim Verlassen des Abtrenngehäuses je nach Art der Anlage eine mehr oder weniger stark drallbehaftete Strömung in die Rohrleitungen ein. Da die Drallenergie innerhalb der Rohrleitung an sich verloren ist, kann es unter Umständen sinnvoll sein, die Drallenergie durch geeignete Einrichtungen zurückzugewinnen. Hierdurch kann der Energiebedarf der Anlage stark gesenkt werden. Es sind auch schon verschiedene bekannt geworden.

Es ist in dem vorliegenden Zusammenhang beispielsweise bekannt, sogenannte Dralldiffusoren zu verwenden. Hier wird die Drallströmung in ein sich erweiterndes Rohr geleitet.

Dabei werden die Umfangs- und die Meridiankomponente der Strömungsgeschwindigkeit infolge der anwachsenden Querschnittsfläche verzögert, so dass Druckenergie zurückgewonnen werden kann. Der Dralldiffusor hat jedoch den Nachteil ungünstiger Strömungsführung. Ausserdem weist die austretende Strömung noch immer einen Restdrall auf. Hierdurch ist ein unmittelbarer Übergang auf eine parallele Rohrströmung nicht möglich.

Eine andere Art der Rückgewinnung von Drallenergie arbeitet mit Hilfe eines Spiralgehäuses. Hier tritt die Drallströmung senkrecht zur Ebene der Spirale in deren Zentrum in das meist flache Gehäuse ein und verlässt dieses durch eine tangentiale Austrittsöffnung. Ein Nachteil derartiger Gehäuse besteht darin, dass die Strömung auf ihrem Weg vom Zentrum der Spirale zu deren Aussenwand ungünstig geführt ist. Hierdurch treten Strömungsverluste auf, durch die die Wirksamkeit des Gehäuses stark herabgemindert wird. Konstruktive Nachteile ergeben sich dadurch, dass Ein- und Austrittskanal einen rechten Winkel bilden.

Ein weiteres Verfahren zur Rückgewinnung von Drallenergie arbeitet mit Hilfe eines Axial-Leitapparates. Hier wird die drehende Rohrströmung durch Anordnung eines Zentralkörpers in eine Ringströmung umgewandelt und dann mit Hilfe eines Leitschaufelkranzes in die Längsrichtung umgelenkt. Hierdurch kann die Umfangskomponente weitgehend abgebaut werden, so dass am Ende des Zentralkörpers eine hinreichend parallele Rohrströmung vorherrscht. Diese Einrichtung arbeitet jedoch bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten mit grösseren Verlusten, da die Umwandlung von Drall- in Druckenergie hier auf sehr kurzem Strömungsweg erfolgt. Ausserdem erfordert die kurze Umwandlungsstrecke eine sorgfältige Anpassung der Leitschaufeln an einen vorgegebenen Betriebszustand. Bei Abweichungen von diesem Betriebszustand arbeitet dieser Apparat immer mit höheren Strömungsverlusten.

Demgemäss liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie zu realisieren, die folgende Haupteigenschaften aufweist:

1. Parallele Rohrströmung am Ausgang der Einrichtung und

2. gute Wirksamkeit auch bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten der Drallströmung.

Erfindungsgemäss wird dies durch eine Ausbildung erreicht, wie sie im Patentanspruch 1 umschrieben ist. Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Fliehkraftabscheider mit zwei erfindungsgemäs-sen Einrichtungen,

Fig. 2 Schnitt A-A aus Fig. 1

Fig. 3 Schnitt B-B aus Fig. 1

Fig. 4 eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Einrichtung ohne Beschleunigung im Führungsbereich und

Fig. 5 eine weitere Ausgestaltung mit grossem Austrittsquerschnitt.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Wirbelabscheidekammer 1 z. B. nach der DE-OS 21 60 415 mit zwei aufgesetzten erfindungsgemässen Einrichtungen zur Rückverwandlung von Drallenergie in Druckenergie. Die Wirkungsweise der Abscheidekammer 1 wird durch Fig. 2 erläutert. Der Wirbel im Innern der Kammer 1 wird durch die Tangentialströmung x-y und eine Absaugung durch die Tauchrohre 2 angetrieben. Die erfindungsgemässen Einrichtungen sind überall dort einsetzbar, wo

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rückgewinnbare Drallenergie innerhalb strömender Medien anfällt, z. B. auch bei Zyklonen.

In ihren drei, hauptsächlich in den Fig. 1,4 bzw. 5 veranschaulichten Ausführungsformen weist die erfindungsgemässe Einrichtung eine Rohrleitung mit drehsymmetrischer Erweiterung El, E2 bzw. E3 auf, innerhalb welcher koaxial ein drehsymmetrischer Zentralkörper ZI, Z2 bzw. Z3 derart angeordnet ist, dass der verbleibende drehsymmetrische Hohlraum für stromabwärts bewegte Volumenelemente die nachfolgend näher umschriebenen Abschnitte bildet.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 schliesst sich an das Tauchrohr ein Übergangsabschnitt 3 an, dessen Eintrittsteil sich verengt, zufolge eines dort befindlichen, zugespitzten Teiles des Zentralkörpers, und dessen Restteil nach aussen gekrümmt ist, beides um eine Ablenkung der Strömungslinien der Volumenelemente von einem schraubenlinienförmigen Verlauf (der von der Drallströmung im Tauchrohr 2 stammt) in einen wenigstens angenähert nur radial nach aussen gerichteten Verlauf zu bewirken. Die nachfolgenden Abschnitte bestehen aus einem Plattendiffusor 4, einer ringförmigen Umlenkzone 5, einem Führungsbereich 6 zur Erzeugung einer Strömung mit radial nach innen gerichteter Strömungskomponente, einen zweiten, gekrümmten Übergang 7 zur Umwandlung der aus dem Führungsbereich 6 austretenden Strömung in eine axiale Rohrströmung. An diesen Übergangsabschnitt schliesst eine Austrittsleitung 8 an.

Die Strömung innerhalb der Wirbelkammer 1 weist einen sehr hohen Drall auf. Unter dem Einfluss einer Absaugung tritt ein drallbehafteter Medienstrom in das Tauchrohr 2 ein. Nach kurzer axialer Laufstrecke tritt die Drallströmung in den Übergang 3 ein, der die Drallströmung mit geringstmöglichen Energieverlusten in eine ringförmige Drallströmung umwandelt, die schliesslich in radiale Richtung übergeht. In dieser Richtung tritt die Drallströmung bereits mit einem gewissen Rückgewinn an Druckenergie (da sich ja die radiale Distanz bereits geändert hat) in den Plattendiffusor 4 ein, in dem der weitaus grösste Teil der Drallenergie in Druckenergie zurückverwandelt wird. Dies beruht auf der Abnahme der Umfangsgeschwindigkeit u bei zunehmendem Radius r etwa nach der Beziehung

Konst.

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wobei der Exponent m einen Wert um 1 annehmen kann. An seinem Umfang mündet der Plattendiffusor in die strömungstechnisch günstig geformte Umlenkzone 5. Hier wird die Strömung weiter verzögert, gleichzeitig umgelenkt in die Richtung radial nach innen und dabei wieder etwas beschleunigt, was geringere Umlenkverluste ergibt. In der Wirbelzone (Kammer) 5 wirkt sich deren Rotationssymmetrie auf das Strömungsfeld verlustmindernd aus. An jeder Stelle des Umfangs herrscht gleichartige, also quasi zweidimensionale Strömung. Nach der Umlenkung um 180° oder etwa um 180° nach innen gelangt die Strömung in den Führungsbereich 6. Hier sind Leitschaufeln 9 mit radial nach innen ausgerichteten stromabwärtigen Endteilen angeordnet, wie dies aus Fig. 3, einem Schnitt vorwiegend durch den Führungsbereich, zu ersehen ist. Die radialen Leitschaufeln sind im dargestellten Beispiel mit stumpfen Vorderkanten versehen. Hierdurch sollen eventuelle Umfangs-komponenten der Strömungsgeschwindigkeit mit möglichst geringen Strömungsablösungen in den Nasenbereichen in Radialkomponenten verwandelt werden. Die Schaufeln 9 sind hier am Beispiel einer einfacheren Einrichtung gerade ausgeführt. Zwecks besserer Anpassung an besondere Strömungsbedingungen sind auch gekrümmte Schaufeln 9 mit schärferen Nasen denkbar. Die Anzahl der Schaufeln 9 ist nicht durch das dargestellte Beispiel festgelegt, sondern ergibt sich aus den jeweiligen Auslegungskriterien. Nach dem Verlassen des Führungsbereiches 6 mit den Schaufeln 9 gelangt die Strömung in den Ubergangsbereich 7, wo sie als reine Meridianströmung in die parallele Rohrströmung 8 umgewandelt wird.

In der Ausführungsform nach Fig. 4 bildet der zwischen E2 und Z2 verbleibende Hohlraum den Übergangsabschnitt 21, den Plattendiffusor 22, die Umlenk- und Verzögerungszone 23, den Führungsbereich 24 und den Übergangsbereich 25, an den sich die Austrittsleitung 26 anschliesst. Hier ist die Strömung gegenüber der vorbeschriebenenBeispielsausführung ab Austritt Plattendiffusor derart verändert, dass sowohl in der Umlenk- und Verzögerungszone 23 als auch im Führungsbereich 24 keine nennenswerte Beschleunigung mehr stattfindet. Durch geeignete Auslegung des Strömungsquerschnitts m. a. W., der im Radialschnitt gemessenen Hohlraumweite, kann hier die Meridiangeschwindigkeit konstant gehalten oder sogar verzögert werden, so dass diese Bereiche ebenfalls als Diffusor wirken. Die im Führungsbereich 24 angeordneten Leitschaufeln können in der Gestaltung dem vorherrschenden Strömungsfeld angepasst werden. An den stromabwärtigen End teilen müssen die Schaufeln jedoch in Meridian-Richtung ausgerichtet sein, damit die abfliessende Strömung keine Umfangskomponente aufweist. Nach der sanften Umlenkung innerhalb des Übergangsbereiches 25 gelangt das strömende Medium drallfrei in die Austrittsleitung 26. Zum weiteren Druckrückgewinn kann noch ein hier nicht dargestellter Rohrdiffusor nachgeschaltet werden.

In der Ausführungsform nach Fig. 5 bildet der zwischen E3 und Z3 verbleibende Hohlraum den am Tauchrohr 30 angeschlossenen Ubergangsabschnitt 30a, den Plattendiffusor 31, die Umlenkzone 33, den Führungsbereich 34, den die Form eines Diffusore aufweisenden und an die Austrittsleitung 36 angeschlossenen Übergang 35. Diese Form der Einrichtung ergibt sich, weil hier die Aussenwand E3 der Einrichtung nach Fig. 4 ab der Umlenkzone 23 bis zur Austrittsleitung 26 auf den konstanten Durchmesser d aufgeweitet und der Zentralkörper Z3 stromabwärts verlängert wird. Hier erfolgt der Strömungsverlauf vom Tauchrohr 30 bis zur Umlenkzone 33 wie z. B. bei der Einrichtung nach Fig. 4. An die Umlenkzone 33 schliesst sich der mit Leitschaufeln ausgestattete Führungsbereich 34 an, der unmittelbar in den Diffusor 35 mit vorwiegend axialer Strömung übergeht. Der Diffusor 35 stellt gleichzeitig einen sanften Übergang vom Führungsbereich 34 auf die axiale Strömung innerhalb der Austrittsleitung 36 dar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der sich stromab verjüngende Teil des Zentralkörpers Z3 in einfacher Weise durch eine Kegelfläche gebildet deren Mantellinie mit a bezeichnet ist. Der Wirkungsgrad des Diffusore kann erhöht werden,

wenn der Zentralkörper anstatt dessen eine allmählich abnehmend zur Zentralachse geneigte Mantellinie b hat.

Da die Umlenkverluste durch die Schaufeln bei zunehmender Strömungsgeschwindigkeit v mit vv anwachsen, ist es zweckmässig, die Schaufeln in einen Bereich mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit zu legen. Dies ist in allen gezeigten Beispielausführungen der Fall. Eine weitere Massnahme zur Verringerung der Umlenkverluste besteht darin, dass die Schaufeln in einem Bereich mit beschleunigter Strömung, d. h. mit negativem Druckgradienten angeordnet werden, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist. Hierdurch werden Strömungsverluste infolge Strömungsablösung weitgehend vermieden. Unter bestimmten Umständen kann es zweckmässig sein, dass man einen gewissen Anteil von Drallenergie in der die Einrichtung verlassenden Strömung toleriert, um zu einfacheren Ausführungen zu gelangen. In diesen Fällen können die Schaufeln weggelassen werden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Einrichtung zur Rückverwandlung von Drallströmungsenergie in Druckenergie, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen drehsymmetrischen Zentralkörper (ZI; Z2; Z3) aufweist, welcher derart innerhalb einer drehsymmetrischen Erweiterung (El; E2; E3) einer Rohrleitung angeordnet ist, dass zwischen dem Zentralkörper und der genannten Erweiterung in der Rohrleitung ein drehsymmetrischer Hohlraum besteht, der für stromabwärts bewegte Volumenelemente eines strömenden Mediums nacheinander folgende Abschnitte bildet:

   a) einen Übergangsabschnitt (3, 21, 30a), der aus einem sich stromabwärts verengenden Eintrittsteil sowie einem nach aussen gekrümmten Restteil besteht und der in seinem Innern eine Umwandlung der Strömung der Volumenelemente von einem schraubenlinienförmigen Verlauf deren Stromlinien in einen wenigstens angenähert geradlinigen, radial nach aussen gerichteten Verlauf derselben bewirkt,

   b) einen Plattendiffusor (4, 22, 31);

   c) eine ringförmige Umlenkzone (5, 23, 33),

   d) einen Führungsbereich (6,24,34) zur Erzeugung einer Strömung mit radial nach innen gerichteter Strömungskomponente und e) einen zweiten Übergangsabschnitt (7, 25, 35) zur Umwandlung der aus dem Führungsbereich austretenden Strömung in eine axiale Rohrströmung.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Führungsbereiches (6, 24, 34) Leitschaufeln angeordnet sind, deren stromabwärts liegende Endteile radial angeordnet sind.
3. 3. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Radialschnitt betrachtet die Hohlraumweite innerhalb des Führungsbereiches (24, 34) stromabwärts zunimmt (Fig. 4,5).
4. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Radialschnitt betrachtet die Hohlraumweite innerhalb des Führungsbereiches (6) stromabwärts konstant bleibt (Fig. 1).
5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Übergangsabschnitt die Form eines Diffusors (35) aufweist, der zwischen der Erweiterung (E3) und einem wenigstens angenähert die Form eines Kegels aufweisenden Teil des Zentralkörpers (Z3) gebildet ist, und dass der Führungsbereich (34) unmittelbar in den Diffusor (35) übergeht.
6. 6. Einrichtung nach den Ansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des genannten Teils des Zentralkörpers (Z3) stromabwärts abnimmt und dass die Mantellinien (b) dieses Teils zu der Achse des Zentralkörpers (Z3) hin gekrümmt sind.