DE2743391A1

DE2743391A1 - Wirbelkammer zur trennung von gasgemischen

Info

Publication number: DE2743391A1
Application number: DE19772743391
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr Dr Laussermair; Eberhard Ing Grad Willeitner
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MAN AG
Priority date: 1977-09-27
Filing date: 1977-09-27
Publication date: 1979-03-29
Also published as: SE7809362L; IT1098931B; US4276068A; NL7809756A; GB2004776A; BR7806415A; FR2403830A1; IT7828078A0; ZA785482B

Description

MASCHINENFABRIK AUGSBURG-NÜRNBERG
Aktiengesellschaft

München, den 27. September 1977

Wirbelkammer zur Trennung von Gasgemischen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wirbelkammer zur Trennung von Gasgemischen mit mindestens einer tangential in die Kammer einmündende Einspeiseöffnung für das Gasgemisch, ein vom Bereich der Kammerinnenwand ausgehendes Entnahmeelement für die schwere Gasfraktion und eine vom Innenbereich der Kammer ausgehendes zweites Entnahmeelement für die leichte Gasfraktion.

Unter möglichen Verfahren zur Trennung von Gasgemischen und Isotopengemischen ist ein sogenanntes Wirbelrohrverfahren bekannt geworden. Bei diesem Trennverfahren wird ein Gasstrahl tangential in ein feststehendes Rohr eingeleitet. Bei der Rotation des Gases, unterstützt durch den Potentialwirbeleffekt, werden infolge des Zentrifugaldruckfeldes die schweren Teilchen von den leichteren Teilchen getrennt.

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Zur Durchführung dieses Verfahrens ist eine Wirbelkammer bekannt, die konisch ausgebildet ist und am Ende mit dem größeren Durchmesser eine abschließende Wand hat. An diesem Ende sind schräg tangential zur Stirnwand gerichtete Einlaßöffnungen vorgesehen, durch die das Gasgemisch eingeführt wird. Bedingt durch den kreisrunden Querschnitt der Kammer wird das Medium in Rotation versetzt und strömt zwangsläufig azimutal in Richtung der Kammerachse zum entgegengesetzten Ende ab. An diesem Ende mit dem kleineren Durchmesser wird die schwere Gasfraktion entnommen, während die leichte, auf weiter innenliegenden Bereichen rotierende Gasfraktion in axialer Richtung zurückströmt und über ein Entnahmerohr abgesaugt wird, das durch die Stirnwand der Wirbelkammer durchgeführt ist.

Dieses bekannte Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß infolge der Wandreibung der Drehimpuls abnimmt und außerdem eine turbulente Strömung und damit RückmischungsVerluste erzeugt werden und somit die Trennleistung trotz höherer Gaseintrittsgeschwindigkeit sehr niedrig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wirbelkammer der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der hohe Trennleistungen erzielt werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine aus einem rotationssymmetrischen, drehbar gelagerten Hohlkörper bestehende Wirbelkammer gelöst.

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Die Kammerwand wird hierdurch in Rotationsrichtung des Gases mitgeführt, so daß bei Angleichung beider Geschwindigkeiten die Wandreibung bis auf Null herunter gebracht werden kann. Hierdurch kann eine weitgehend laminare schraubenförmige Strömung mit hoher Drehgeschwindigkeit erreicht werden, die zu einer wirkungsvollen Trennung zwischen den leichten und schweren Gasteilchen führt.

Die Wirbelkammer kann in einer fertigungstechnisch einfachen Form hohlzylindrisch ausgebildet sein. Aufgrund der vernachlässigbaren Wandreibung wird der Gasstrom in seinem Verlauf in der Wirbelkammer seinen Eintrittsdrehimpuls beibehalten. Vorzugsweise wird man aber die Wirbelkammer bzw. den Hohlkörper konisch ausbilden, um durch die Reduzierung des Durchmessers eine Beschleunigung des Gasstromes und damit eine Erhöhung des Drehimpulses zu erreichen, wodurch sich eine weitere Steigerung der Trennleistung erzielen läßt.

Der Hohlkörper kann vorzugsweise von einem Gasstrahl angetrieben werden, wozu sich insbesondere das Verfahrensgas verwenden läßt. Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Hohlkörper mit einer stationären Wand umgeben ist, in der tangential durchtretende Düsen vorgesehen sind, durch die das Antriebsgas durchströmt und auf die Schlitze oder Schaufeln des Hohlkörpers auftritt.

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Diese Durchtrittsöffnungen können vorteilhaft gleichzeitig die Einspeiseöffnungen für das Speisegas sein. Hierdurch sind einerseits keine getrennten fertigungstechnischen Maßnahmen für Gasführungen notwendig. Auf der anderen Seite wird damit erreicht, daß die Umfangsgeschwindigkeit des Hohlkörpers die Gaseintrittsgeschwindigkeit des Verfahrensgases annimmt.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, ist der Hohlkörper gasgelagert und vorzugsweise in einem den Körpermantel umgebenden Gaspolster gebettet. Diese reibungsfreie Lagerung verhindert eine Reduzierung der Eintrittsenergie des Verfahrensgases, so daß die mitrotierende Wirbelkammer einen bedeutenden Gewinn des Wirkungsgrades gegenüber den bekannten nicht rotierenden Wirbelkammern erbringt.

Wie für den Antrieb kann auch für die Gaslagerung auch das Verfahrensgas verwendet werden, das entweder durch Abzweigung aus dem Frischgas oder durch Abzweigung aus der Wirbelkammer hergeleitet werden kann. Es ist auch möglich, die Beschickung des Lagers durch Kombination dieser beiden Maßnahmen vorzunehmen .

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Zur Verbesserung des An- und Notlaufverhaltens ist eine Gleitschicht, beispielsweise aus Grafit, auf der Innenseite der den Hohlkörper umgebenden, stationären Wand vorgesehen. Eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrades wird darin gesehen, daß die Wirbelkammer al?; Doppelkammer ausgebildet ist und einen gemeinsamen im Mittelbereich angeordneten Gaseinlaß hat. Hierdurch entfällt jeweils eine Stirnwand, wodurch sich der für die Komponententrennung erforderliche Potentialwirbel sich stärker ausbilden kann.

Die Doppelkammer ist vorzugsweise zu den beiden Enden hin konisch auslaufend ausgebildet. Hierdurch wird außer der Erhöhung des Drehimpulses des Wirbelstromes außerdem erreicht, daß die den Hohlkörper umgebende Gaslagerung auch eine axiale Druckkomponente auf den Körper ausübt, so daß ohne der Verwendung eines gesonderten Axiallagers ein ruhiger und stabiler Lauf der Wirbelkammer gewährleistet ist.

Bei der Doppel-Wirbelkammer erfolgt die Entnahme der schweren Gasfraktion an beiden Enden derselben, an denen entsprechende Auslaßöffnungen vorgesehen sind. Die Entnahme der leichten Gasfraktion kann durch Rohre vorgenommen werden, die entweder jeweils von den Stirnseiten des Hohlkörpers in die Kammer eingeführt oder in der Mitte der Kammer angeordnet sind und den axial beiderseitig zur Kammermitte gerichteten Strom der leichten Gasfraktion aufnehmen. Vorteilhaft ist es, wenn die

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Entnahmerohre mit dem Hohlkörper zu einem Bauteil integriert sind und somit mitrotieren. Hierdurch werden Reibverluste am Entnahmesystem ebenfalls verhindert.

Ausführungsbeispxele gemäß der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 und 3 je einen Querschnitt des ersten Ausführungsbeispieles und

Fig. 4 bis 7 je ein weiteres Ausführungsbeispiel.

In Fig. 1 ist eine zylindrische Wirbelkammer mit einer statischen Gaslagerung dargestellt. Die Wirbelkammer hat einen zylindrischen Hohlkörper 10, der in zwei ringzylindrischen Gaslagern 11 gebettet ist. Das Gaspolster befindet sich in der Ausnehmung einer den Hohlkörper 10 umgebenden Wand 12, in der Durchbrüche 13 vorgesehen sind, die den ausgesparten Raum für die Gaslagerung 11 mit der Einspeiseleitung 15 für das zu trennende Gasgemisch verbindet.

Der Hohlkörper 10 weist im Mittelbereich Exnspeiseöffnungen, die unten näher beschrieben werden auf und hat offene Stirnseiten, die als Austrittsöffnungen 17 für die schwerere Gas-

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fraktion dienen. Für die Entnahme der leichteren Gasfraktion sind rohrförmige Entnahmeelemente 18 vorgesehen, die jeweils durch die offene Enden des Hohlkörpers 10 in den Kammerinnenraum 20 axial hineinragen. Das gesamte System ist in einem Gehäuse 24 angeordnet, das Gasführungen 25 bis 29 enthält, die in mit den entsprechenden Einspeise- und Entnahmeöffnungen verbundene Ringkanäle 30 bis 33 und 15 einmünden.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch den Einspeisebereich 27, 15, 16 dargestellt. Das Frischgas wird durch die tangential in die Ringkammer 15 einmündende Gasführung 27 des Gehäuses 24 eingeführt. Hierdurch wird das Gas im Ringkanal 15 in eine Zirkularströmung versetzt, dabei dringt das Gas durch tangentiale Düsen 40, wodurch es beschleunigt auf den Hohlkörper 10 tangential auftrifft, dabei diesen in Rotation versetzt und durch die Einspeiseöffnungen 16 in den Kammerraum 20 ebenfalls zirkulierend einströmt. Um einen effektiven Antrieb des Hohlkörpers zu gewährleisten, sind die im Prinzip schräg durch die Hohlkörperwand durchführenden öffnungen 16 mit einer annähernd radial verlaufenden Stoßwandung für den Antriebsgasstrom ausgebildet. Es ist auch möglich, zu diesem Zwecke den Hohlkörper 10 mit Laufschaufeln auszurüsten.

Das in die Kammer 20 einfließende Gas strömt symmetrisch mit schraubenförmiger Zirkularströmung zu den beiden Wirbelkammerenden, wobei infolge der Zentrifugalkraft die schwereren

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Partikeln sich in der Kammerwandnähe und die leichteren Partikeln sich mehr in einem inneren Bereich der Kammer verteilen.

Durch die in den periphären Bereich einmündenden Ringkanälen 31 und 32 wird die schwere Gasfraktion abgesaugt. Während der etwas weiter innen fließende Strom gegen eine konkave Wandung 44 auftrifft und zur Kammermitte hin umgelenkt wird. Die konkaven Wandungen 44 sind durch Ringansätze der Entnahmeelemente 18 gebildet, so daß eine kontinuierliche Führung von diesem Ansatz und dem Rohrmantel, der konisch ausgebildet ist, gewährleistet ist, die eine regelmäßige Rückführströmung erlaubt, ohne daß dabei Turbulenz auftritt. Dieses schraubenförmig zurückgeführte Gas wird über die Entnahmeelemente 18, den Ringkanälen 30 und 33 abgesaugt.

In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch eine Entnahmestelle der schweren Fraktion gezeigt, wobei ein ebenfalls tangential verlaufender Austritt 28 vorgesehen ist.

Es ist auch möglich, den Hohlkörper 10 in ein dynamisches Gaslager zu betten. Eine Auführung hierzu ist in Fig. 4 gezeigt, bei der der Hohlkörper 50 mit mehreren Durchlässen 51 versehen ist, durch die das Verfahrensgas zur Bildung eines Gaspolsters zwischen dem Hohlkörper und einer diesen umgebenden Wandung 52 durchströmt.

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In diesem Fall wird ein Teil der schweren Fraktion über diese Öffnungen 51 und dem Gaslager in den Ringkanal 32 bzw. 31 geführt. Die Wandung 52 sowie die des entsprechenden statischen Lagers bestehen aus einem gleitfähigen Material wie z.B. Graphit, die in einem Bauteil 53 festgehalten ist.

In den beschriebenen Beispielen sind die Entnahmelemente 18 für die leichte Gasfraktion gestellfest am Gehäuse 24 befestigt. Diese Elemente können aber auch mitrotierend mit der Wirbelkammer verbunden werden, entweder als getrenntes an die Wirbelkammer befestigstes Bauteil oder als ein mit der Wirbelkammer zusammen hergestelltes Bauelement.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem das Entnahmeelement 60 mit dem Hohlkörper 61 in einer Baueinheit integriert ist. In diesem Fall sind für die Entnahme der schweren Gasfraktion Öffnungen 62 im Mantelbereich des Wirbelrohres 61 vorgesehen.

Es ist ferner auch möglich, die Absaugung der leichten Gasfraktion von der Wirbelkammermitte aus vorzunehmen.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel hierzu, bei dem ein rohrförmiges Entnahmeelement 70 mit dem Hohlkörper 71 hergestellt ist. Das Entnahmeelement 70 hat im Mittelbereich mehrere in einen Ringkanal 72 des Gehäuses 24 einmündende

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Austrittsöffnungen 73. Symmetrisch hierzu sind zu beiden Seiten die Einspeiseöffnungen 74 für das Mischgas angeordnet.

In Fig. 7 ist eine Wirbelkammer gezeigt, die dem Beispiel aus Fig. 6 entspricht, jedoch mit konisch ausgebildeten Enden 80 des Hohlkörpers 81 ausgerüstet ist. Die Verjüngung der Kammer in Richtung des Wirbelstromes dient dazu, die Drehgeschwindigkeit und damit den Drehimpuls zu vergrößern.

In der Fig. 7 ist ferner die Verschaltung von zwei Wirbelkammern gezeigt. Hierzu ist ein gemeinsames zylindrisches Gehäuse 82 vorgesehen, in dem zwei oder mehrere Wirbelkammern axial nebeneinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführung, in der die Abnahme der leichten Gasfraktion aus der Wirbelkammermitte und die der schweren Fraktion an den Enden erfolgt, brauchen die Wirbelkammern lediglich nebeneinandergelegt werden. Hierbei, münden die Entnahmeöffnungen 83 von zwei benachbarten Wirbelkammern in einem gemeinsamen Ringraum 48 des Gehäuses 82, von wo aus diese aus den beiden benachbarten Kammern austretende Fraktion abgesaugt wird. Die Einspeisung und die Entnahme der leichten Gasfraktion erfolgt über die den einzelnen Wirbelkammern getrennt zugeordneten Speise- und Entnahmeelemente 74 bzw. 73. Für die Zusammenschaltung von Wirbelkammern gemäß Fig. 1 ist lediglich eine Umkehr der Gasabsaugung der beiden Fraktionen vorzusehen. In diesem Fall

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mündet jeweils ein Element für die leichte Fraktion von zwei benachbarten Wirbelkammern in den gemeinsamen Ringraum 84, während die schwere Gasfraktion in diesem Fall für jede Kammer individuell abgezogen werden muß.

Um die Beschreibung nicht übermäßig ausdehnen zu müssen, sind hier lediglich sogenannte Doppelwirbelkammer beschrieben. Diese haben den Vorteil, daß durch ihre Achssymmetrie eine ausgezeichnete Kombination zwischen Gaseinspeisung, Antrieb und Lagerung mittels des Prozeßgases hergestellt werden kann, und zwar mit einem Miniyünum an erforderlichen fertigungstechnischen Maßnahmen und einem Minimum an erforderlicher Baugröße. Weiterhin sind auch ausschließlich gas- gelagerte und -angetriebene Wirbelkammern als Ausführungsbeispiele gezeigt. Auch diese Faktoren tragen zur Vereinfachung des Systemes durch die Möglichkeit der Nützung des ohnehin vorhandenen Gasstromes bei, wozu natürlich außerdem deren Vorteile bezüglich der geringen Reibungsverluste und die damit verbundene Erhöhung des Wirkungsgrades in Betracht gezogen werden müssen. In dieser Beziehung bietet die Kombination des Gaslagers mit dem Verfahrensgas eine weitere wesentliche Vereinfachung der Wirbelkammer, in dem im gesamten System nur ein Gas zirkuliert und damit keine Dichtungsprobleme sowie Mischungsprobleme zwischen zwei getrennten Gasen erforderlich sind.

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Es ist selbstverständlich auch möglich, die Gaslagerung und/oder den Gasantrieb mit Fremdgas zu erzeugen. Die erfxndungsgemäße Wirbelkammer kann aber auch in jeder der in der Technik bekannten Art gelagert und angetrieben werden. Auch ist die beschriebene Gaslagerung sowie der Antrieb für asymmetrische Wirbelrohre anwendbar, bei denen beispxelsweise das Gas an einem Ende eingespeist wird und nur in einer Richtung strömt.

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Claims

Patentansprüche

. Wirbelkammer zur Trennung von Gasgemischen mit mindestens einer tangential in die Kammer einmündende Einspeiseöffnung für das Gasgemisch und ein vom Bereich der Kammerinnenwand ausgehendes Entnahmeelement für die schwere Gasfraktion und eine vom Innenbereich der Kammer ausgehendes zweites Entnahmeelement für die leichtere Gasfraktion, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer aus einem roationssymmetrischen, rotierbar gelagerten Hohlkörper (10) besteht.

2. Wirbelkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer ein rotierbar gelagerter Hohlzylinder ist.

3. Wirbelkammer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer ein rotierbar gelagerter konischer Hohlkörper ist.

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4. Wirbelkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (10) mit
Schlitzen oder Schaufeln (41) ausgerüstet ist und von einem Gasstrahl des Verfahrensgases angetrieben wird.

5. Wirbelkammer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (10) mit einer stationären Wand
(53) umgeben ist, in der tangential durchtretende
Düsen (4 0) vorgesehen sind, durch die das Antriebsgas durchströmt und auf die Schlitze oder Schaufeln (41) des Hohlkörpers auftrifft.

6. Wirbelkammer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchtrittsöffnungen für das Antriebsgas die
Einspeiseöffnungen (16) für das Speisegas bilden, und daß das Speisegas gleichzeitig den Hohlkörper antreibt.

7. Wirbelkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (10) gasgelagert ist.

8. Wirbelkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper (10) in einem um den Körpermantel
angeordnetes Gaspolster (11) gebettet ist.

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9. Wirbelkammer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Gaslagerung (11) das Verfahrensgas verwendet wird.

10. Wirbelkammer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein dynamisches Gaslager (Fig. 4) für den Hohlkörper (50) vorgesehen ist.

11. Wirbelkammer nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gaslager vom Prozeßgas aus der Wirbelkammer (2 0) beschickt wird, daß durch Durchbrüche (51) in der Hohlkörperwandung austritt.

12. Wirbelkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeiseöffnung an einem Ende der Wirbelkammer einmündet und das Entnahmeelement der schweren Gasfraktion am anderen Kammerende angeordnet ist.

13. Wirbelkammer nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einspeiseöffnung (16) im Mittelbereich der Wirbelkammerwandung angeordnet ist, und daß an den Kammerenden je ein Entnahmeelement (17, 23) der schweren Gasfraktion vorgesehen ist.

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14. Wirbelkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Entnahme der leichten Gasfraktion ein Rohr (18) vorgesehen ist, daß in den Mittelbereich des Kammerinnenraumes (20) mündet.

15. Wirbelkammer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Entnahmerohr (18) stirnseitig in die Wirbelkammer eingeführt ist.

16. Wirbelkammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Entnahmerohr (60 oder 70) mit dem rotierbar gelagerten Hohlkörper (61 bzw. 71) fest verbunden ist.

17. Wirbelkammer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Entnahmerohr (18) für die leichte Gasfraktion konisch ausgebildet ist und mit dem Ende kleineren Durchmessers in die Wirbelkammer einmündet.

18. Wirbelkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer zu beiden Enden hin konisch verjüngend ausgebildet ist.

19. Wirbelkammer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Wirbelkammern axial hintereinandergereiht in einem gemeinsamen Gehäuse (82) angeordnet sind.

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