DE3542576A1 - Abscheider fuer im kaltluftstrom der expansionsturbine eines joule-kaelteerzeugers entstehende reif- oder eiskristalle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Abscheider für im Kaltluftstrom der Expansionsturbine eines Joule-Kälteerzeugers entstehende Reif- oder Eiskristalle.

Es ist bekannt, in einem Gasstrom mitgerissene Festkörper-Partikel durch scharfe Umlenkung des Gasstromes und Ausnutzung der sich hierbei auswirkenden höheren Trägheit der Festkörper-Partikel gegenüber den Gasmolekülen, beispielsweise in ei­ nem Zyklonabscheider abzuscheiden. Sofern es sich bei den Festkörper-Partikeln je­ doch um in einem Kaltluftstrom hinter einer Expansionsturbine eines Joule-Kälteer­ zeugers entstehende Reif- oder Eiskristalle handelt, besteht die Gefahr, daß sich diese an der Wand des Abscheiders absetzen und dort einen festen Eispanzer bilden. Hierdurch wird die Funktion des Abscheiders bereits nach kurzer Zeit sehr beein­ trächtigt.

Der hier geoffenbarten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Abscheider zu schaffen, der insbesondere den speziellen Problemen gerecht wird, die das Entstehen von Reif- oder Eiskristallen in einem Kaltluftstrom hinter einer Expansionsturbine eines Joule-Kälteerzeugers mit sich bringen.

Diese Aufgabe wird nach der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß unter einer domartigen Abzugshaube, in die der Gasstrom axial von oben durch eine sich trich­ terförmig erweiternde Leitung eintritt und um den Rand der Leitung aus der Ab­ zugshaube über ein tangential an deren oberen Bereich gelegtes Austrittsrohr abge­ führt wird, ein Behälter angeordnet ist, über dessen Boden sich eine rotierende Schleuderscheibe befindet.

Mit Hilfe der erfindungsgemäß unter der domartigen Absaughaube angeordneten, über dem Boden des Behälters rotierenden Schleuderscheibe wird eine einwandfreie und wirksame Beseitigung der aus dem Kaltluftstrom hinter der Expansionsturbine eines Joule-Kälteerzeugers abgeschiedenen Reif- oder Eiskristalle gewährleistet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist vorgese­ hen, daß die Schleuderscheibe mit ihrer Peripherie in einen den Boden des Behälters umgebenden Ringraum hineinragt.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung des Ringraumes wird erreicht, daß die von der Schleuderscheibe abgeschleuderten Reif- oder Eiskristalle sich in dem Ringraum sammeln, aus dem sie dann auf einfache Weise entfernt werden können.

Eine zusätzliche Verbesserung ergibt sich, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß der Übergang des Behälters in den Ringraum mit einer düsenartigen Verengung versehen ist, in welche die Schleuder­ scheibe mit ihrem Rand hineinragt.

Auf diese Weise lassen sich die in dem Behälter und dem Ringraum herrschenden unterschiedlichen Temperaturverhältnisse ebenso wie die unterschiedlichen atmosphä­ rischen Verhältnisse weitgehend aufrecht erhalten und somit eine gegenseitige Be­ einflussung vermeiden.

Nach einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des Gegenstandes der Erfindung ist vorgesehen, daß der Ringraum spiralig vertieft und an seiner tiefsten Stelle mit ei­ nem einen Heber aufweisenden Ablauf versehen ist.

Bei einem auf diese Weise ausgestalteten Ringraum ist es besonders einfach, den darin angesammelten Reif durch Wärmezufuhr abzuschmelzen und das entstandene Tauwasser abzuführen.

Dieser Ringraum kann nach einer weiteren Verbesserung des Gegenstandes der Er­ findung mit einer Heizvorrichtung versehen sein.

Will man mit Sicherheit vermeiden, daß im Ringraum entstehender Wasserdampf in den Behälter und die Abzugshaube zurück diffundiert, ist nach einer weiteren vor­ teilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß an den Ringraum eine Lei­ tung angeschlossen ist, über die Luft aus dem Ringraum der Saugseite, der der Ex­ pansionsturbine vorgeschalteten Kompressionsturbine direkt zugeführt wird.

Eine zusätzliche Verbesserung ergibt sich schließlich, wenn gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, daß die Drehrichtung der Schleuderscheibe entgegengesetzt zu der durch die tangentiale Einführung des Aus­ trittsrohres induzierte Zirkulationsströmung angetrieben ist.

Hierdurch wird vermieden, daß die durch die tangentiale Abführung des Kaltluft­ stromes induzierte Zirkulationsströmung beim Betrieb der Schleuderscheibe zu stark beschleunigt wird.

Der erfindungsgemäße Abscheider für im Kaltluftstrom der Expansionsturbine eines Joule-Kälteerzeugers entstehende Reif- oder Eiskristalle ist in der nachfolgenden Beschreibung anhand eines in der beigefügten Zeichnung vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert.

Der in der einzigen Figur schematisch im Schnitt dargestellte Abscheider 10 weist eine domartige Absaughaube 11 auf, welche rotationssymmetrisch in Form eines Ke­ gelmantels ausgebildet ist. In diese Absaughaube 11 tritt axial von oben eine Zu­ führungsleitung 12 ein, welche nach unten trichterförmig erweitert ist und einen Rand 13 aufweist. Dieser Rand 13 der Zuführungsleitung 12 liegt nur wenig oberhalb des unteren Randes der Absaughaube 11. Im oberen Bereich ist in die Absaughaube 11 ein Austrittsrohr 14 tangential eingeführt. Die Absaughaube 11 verschließt einen Behälter 15, welcher in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls rotations­ symmetrisch ausgebildet ist und über seinem Boden 16 eine Schleuderscheibe 17 aufweist. Die Schleuderscheibe 17 ist mit einer zentral im Boden 16 des Behälters 15 senkrecht gelagerten Antriebswelle 18 versehen, welche über einen nicht darge­ stellten Antriebsmotor antreibbar ist.

Mit Hilfe der mit hohen Drehzahlen angetriebenen Schleuderscheibe 17 werden aus dem Behälter 15 die in der Absaughaube 11 aus dem Kaltluftstrom ausgeschiedenen Reif- oder Eispartikel in einen den Boden 16 des Behälters 15 umgebenden Ring­ raum 19 befördert. Der Ringraum 19 ist spiralig vertieft und an seiner tiefsten Stelle mit einem einen Heber 21 aufweisenden Ablauf 22 versehen. Der Ringraum ist ferner mit einer Heizvorrichtung 23 ausgestattet und an eine Leitung 24 ange­ schlossen, über die Luft aus dem Ringraum 19 auf die Saugseite der nicht darge­ stellten, der Expansionsturbine des Joule-Kälteerzeugers vorgeschalteten Kompres­ sionsturbine zugeführt werden kann.

Die Drehrichtung der Schleuderscheibe 17 ist entgegengesetzt zu der durch die tan­ gentiale Einführung des Austrittsrohres 14 induzierten Zirkulationsströmung angetrie­ ben.

Die Funktion des beschriebenen und dargestellten Abscheiders für im Kaltluftstrom der Expansionsturbine eines Joule-Kälteerzeugers entstehende Reif- oder Eiskristalle ist im nachfolgenden erläutert.

Die aus der nicht dargestellten Expansionsturbine des Joule-Kälteerzeugers austre­ tende kalte Luft wird mit den darin bei der Expansion und der sich daraus ergeben­ den Temperaturabsenkung der Luft entstehenden Reifkristallen senkrecht von oben durch das Zuführungsrohr 12 in die Absaughaube 11 des Abscheiders 10 eingeführt. Durch die trichterförmige Erweiterung des Zuführungsrohres 12 wird die Luftge­ schwindigkeit beim Eintritt in den Abscheider 10 verlangsamt und anschließend deren Strömungsrichtung um 180° um den Rand 13 wieder nach oben umgelenkt. Bedingt durch die Trägheits- und Erdanziehungskräfte werden dabei die Reif- oder Eiskri­ stalle abgeschieden. Sie fallen nach unten auf die am Boden 16 des Behälters 15 angeordnete Schleuderscheibe 17, während der umgelenkte Kaltluftstrom nach tan­ gentialer Absaugung über das Austrittrohr 14 aus dem Abscheider 10 abgeführt wird. Durch die tangentiale Absaugung am oberen Ende der Absaughaube überlagert sich die Luft-Aufwärtsbewegung einer Kreiskomponente, wodurch der Abscheideweg ver­ längert wird. Auf diese Weise strömt die Luft getrocknet durch das Austrittsrohr 14 ab.

Die Schleuderscheibe 17, welche vorzugsweise aus einem Werkstoff mit geringen Ad­ häsions-Eigenschaften gegenüber Reif oder Eis, beispielsweise aus einem hochpoly­ meren Kunststoff besteht, dreht sich von der im Boden 16 gelagerten Antriebswelle 18 angetrieben mit hoher Drehzahl. Da sie sich im Strahlungs- und Wärmekonvek­ tionstausch mit den kalten Teilen des Abscheiders 10 befindet, ist ihre Temperatur geringer als 0°C. Daher bleiben die auf sie niederfallenden Reifteile in fester Form erhalten und werden von der sich drehenden Schleuderscheibe 17 nach außen in den Ringraum 19 abgeschleudert. Sofern dabei die Heizvorrichtung 23 wirksam ist, schmelzen sie dort, wobei das Schmelzwasser in dem spiralig vertieften Ringraum an dessen tiefster Stelle gesammelt wird und bei Erreichen einer bestimmten Höhe über den Heber 21 durch den Ablauf 22 abgeführt wird.

Als Heizvorrichtung können entweder entsprechende elektrische Heizelemente ver­ wendet werden, es kann aber auch zweckmäßig sein, Teile des dem Kompressor des Joule-Kälteerzeugers nachgeschalteten Wärmetauschers zu verwenden.

Da wegen des Partialdruckes von H₂O-Dampf über dem Wasser in dem Ringraum ein gewisses Partialdruckgefälle in die Kaltluft im Innern des Behälters 15 besteht, ist unter Umständen sogar eine erneute Reif-Kristallbildung in der Beruhigungszone im Behälter 15 möglich. Dieser Effekt kann jedoch durch ein getaktetes Einschalten der Heizvorrichtung 23 verringert werden, da hierdurch der durchschnittliche Dampfdruck des Wassers abgesenkt wird. Hierbei stellt sich dann ein integraler Mittelwert zwischen den Heizperioden und den ungeheizten Perioden mit Reifabschleuderung ein. Hierbei bietet sich eine zeitliche Taktung an, die so abgestimmt ist, daß die Heiz­ vorrichtung erst bei Erreichen einer vorbestimmten Reifansammlung eingeschaltet wird.

Eine noch bessere Möglichkeit zur Verhinderung des unerwünschten Effektes der Rückdiffusion bietet sich dadurch an, daß ein Teil des Luftstromes aus dem Ring­ raum 19 über eine Leitung 24 abgeführt und im Bypaß zu dem Kompressor des Jou­ le-Kälteerzeugers zurückgeführt wird. Hierbei erfolgt die Auslegung der düsenartigen Verengung 20 so, daß sich im engsten Radialquerschnitt eine so hohe Konvektions- Geschwindigkeit der Luft nach außen ausbildet, daß die Rückdiffusionsrate des Was­ serdampfes aus dem Ringraum zu den kalten Teilen in dem Behälter 15 merklich gesenkt oder gar durch diese Konvektionsgeschwindigkeit unterbunden wird.

Ein derart ausgebildeter Abscheider bedarf wegen seiner kontinuierlichen Arbeitswei­ se im Prinzip keiner Steuerung. Es ist hierbei eine Feuchteregelung der aus dem Austrittsrohr 14 austretenden Luft durch Regelung der Drehzahl der Schleuderschei­ be oder der Heizleistung der Heizvorrichtung 23 oder des Luftstromes durch die Lei­ tung 24 möglich.

Wie eingangs bereits gesagt, empfiehlt es sich, die Drehrichtung der Schleuderschei­ be 17 entgegen der durch die tangentiale Absaugung in der Absaughaube 11 verur­ sachte Drehrichtung zu legen, um dadurch ein zu schnell drehendes Luftwirbelfeld in der Beruhigungszone im Behälter 15 zu vermeiden.

Claims (7)

1. Abscheider für im Kaltluftstrom der Expansionsturbine eines Joule-Kälteerzeu­ gers entstehende Reif- oder Eiskristalle, dadurch gekennzeich­ net, daß unter einer domartigen Absaughaube (11) in die der Kaltluftstrom von oben durch eine trichterförmig erweiterte Leitung (12) eintritt und um den Rand (13) der Leitung (12) aus der Absaughaube (11) über ein tangential in deren oberen Bereich gelegtes Austrittsrohr (14) abgeführt wird, ein Behäl­ ter (15) angeordnet ist, über dessen Boden (16) sich eine rotierende Schleu­ derscheibe (17) befindet.

2. Abscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleuderschei­ be (17) mit ihrer Peripherie in einen den Boden (16) des Behälters (15) um­ gebenden Ringraum (19) hineinragt.

3. Abscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang des Behälters (15) in den Ringraum (19) mit einer düsenartigen Verengung (20) versehen ist, in welche die Schleuderscheibe (17) mit ihrem Rand hineinragt.

4. Abscheider nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring­ raum (19) spiralig vertieft und an seiner tiefsten Stelle mit einem einen He­ ber (21) aufweisenden Ablauf (22) versehen ist.

5. Abscheider nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (19) mit einer Heizvorrichtung (23) versehen ist.

6. Abscheider nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ringraum (19) eine Leitung (24) angeschlossen ist, über die Luft aus dem Ringraum (19) der Saugseite einer Expansionsturbine vorgeschalteten Kompressionsturbine zugeführt wird.

7. Abscheider nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehrich­ tung der Schleuderscheibe (17) entgegengesetzt zu der durch die tangentiale Einführung des Austrittsrohres (14) induzierten Zirkulationsströmung angetrieben ist.