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Fliehkraft-Staubabscheiderzelle mit axial durchgehender Drallströmung
Die Erfindung betrifft eine Fliehkraft Staubabscheiderzelle mit axialem Durchgang,
bei der das Staubgas tangential in ein zylindrisches Rohr eingeleitet wird, so daß
sich darin eine in axialer Richtung fortschreitende Wirbelströmung ausbildet, wodurch
der Staub in der äußeren Randschicht des Gasstromes angereichert wird und am Auslaßende
des Wirblerrohres aus dessen mittlerem Bereich reines Gas abströmt.
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Obwohl bei derartigen Staubabscheidern das durch die Abscheiderzelle
strömende Gas immer einen stabilen Wirbel bildet, herrschen doch nur bei wenigen
der bekannten Ausführungsformen solche Strömungsverhältnisse, daß mit großer Annäherung
ein echter Potentialwirbel entsteht. Unter einem echten Potentialwirbel soll hier
ein Wirbel verstanden werden, bei dem der statische Druck von der Mitte zum Rand
direkt proportional zu den sich in der Gasströmung einstellenden Zentrifugalkräften
zunimmt und das Gesetz v,, - y = constant gilt, wodurch die Ausbildung
eines glatten und störungsfreien Strömungsverlaufes gefördert wird. Dabei bedeutet
v" die Umfangsgeschwindigkeit (Tangentialgeschwindigkeit) in einem Abstand r (Radius)
von der Drehachse des Wirbels.
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Das Ziel der Erfindung ist nun, in einer Fliehkraft-Staubabsche.iderzelle,
die aus einem zylindrischen Wirblerrohr mit einem Einströmkopf für tangentialen
Staubgaseinlaß und einem am entgegengesetzten Ende konzentrisch hineinragenden,
in der Abströmrichtung konisch erweiterten Reingasauslaßstutzen besteht, eine dem
idealen Potentialwirbel weitgehend angenäherte Drallströmung zu erreichen. Zu diesem
Zweck ist erfindungsgemäß der Einströmkopf derart ausgebildet, daß er die Form eines
in axialer Richtung an das zylindrische Wirblerrohr angesetzten schlanken Hohlkegels
hat, wobei der Grundkreisdurchmesser des Hohlkegels und der Innendurchm:esiser des
Wirblerrohres gleich sind und für den tangentialen Staubgaseinlaß mindestens ein
sich entlang einer Mantellinie des Hohlkegels über dessen ganze Länge erstreckender
Einströmschlitz vorgesehen ist.
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Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert,
und zwar zeigt Fig. 1 zum Teil in der Ansicht und zum Teil im Schnitt eine Reihenanordnung
von erfindungsgemäß ausgebildeten Staubabscheiderzellen, Fig. 2 den Längsschnitt
einer einzelnen Abscheiderzelle der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung mit herausgezogenem
Reingasauslaßstutzen in größerem Maßstab, Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie
III-III der Fig. 2.
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Die Staubabsdheiderzellen weisen je einen Einströmkopf 15 in der Form
eines Hohlkegels und ein als Abscheide- und Trennkammer dienendes Wirblerrohe 25
auf. Diese beiden, mit den Stirnseiten aneinanderstoßenden Teile der Abseheiderzelle
werden in axialer Richtung durchströmt und sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
mittels der Stirnflansche 16 und 26 miteinander verschraubt oder in anderer
Weise aneinander sowie an der Tragplatte 12 befestigt. Die Zelle kann jedoch auch
aus einem Stück bestehen.
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Infolge der Kegelform des Einströmkopfes 15 nimmt dessen Querschnitt
in der Strömungsrichtung zu. In der Zeichnung sind die Mantellinien des Kegels gerade;
sie können aber auch gekrümmt sein. Der Hohlkegel 15 ist an seinem engen Ende durch
einen Zapfen 17 verschlossen, der das Einspannen und Zentrieren des Werkstückes
bei der Bearbeitung erleichtert. An seinem Umfang weist der Einströmkopf längs einer
Mantellinie einen Einströms:ch:litz 18 auf, durch den das Staubgas tangential in
den konischen Raum einströmt, um über dessen gesamte Länge hinweg eine Wirbelströmung
auszubilden und aufrechtzuhalten.
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Die Breite des Einströmschli.tzes18 nimmt vom engen Ende des Hohlkegels
zu der breiten Stirnseite hin keilförmig zu. Das Steigungsverhältnis der Keilschlitzränder
ist vorzugsweise so gewählt, daß sich über der gesamten Länge des Hohlkegels an
jedem Querschnitt etwa das gleiche Verhältnis von Schlitzfläche zu Konusfläche ergibt.
Abweichend von der Zeichnung kann der Schlitz in. axialer Richtung statt des geraden
auch einen gekrümmten Verlauf haben.
Die Schlitzränder sind zweckmäßigerweise
mit nach außen voneinander abgebogenen Führungslippen 19 und 20 versehen, so daß
sich der Schlitz in der tangentialen Richtung, in der das Staubgas einströmt, kelchartig
verengt. Dabei bildet die eine Lippe 20 eine tangential in die konische Wand des
Hohlkegels 15 übergehende Leitfläche. Es liegt im Rahmen der Erfindung, auch mehrere
solcher gleichartiger Einströmschlftze 18 über den Umfang des Einströmkopfes 15
verteilt anzuordnen.
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Die lichten Innendurchmesser der aneinanderstoßenden Stirnseiten des
Einströmkopfes 15 und des Wirblerrohres 25 sind; gleich, um schroffe Querschnittsänderungen
zu vermeiden, durch welche der Strömungsverlauf gestört werden könnte.
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Das Wirblerrohr 25 ist an der Abströmseite mit einem weiteren Tragflansch
27 versehen, der einen Sitz 28 aufweist. Unmittelbar vor diesem Tragflansch sind
im Wirblerrohrmantel zwei einander gegenüberliegende Öffnungen 29 für den Staubaustrag
ausgeschnitten. In dem Sitz 28 des Tragflansches ist mittels eines Flanschringes
37 der sich in der Durchströmrichtung konisch erweiternde Reingasauslaßstutzen geführt,
der bis über die, Staubaustragöffnungen in das Wirblerrohr axial hineinragt und
darin eine stromabwärts sich verjüngende Austragringkammer 30 abteilt. An dem gegen
die Strömung gerichteten Rand des Reingasau:slaßrohres 35 ist ein nach außen überstehender
Ablenkbund 36 angeordnet. Die Ringflansche 27 und 37 sind miteinander und mit der
Gehäusetrennwand 13 verschraubt.
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Das Staubgas tritt tangential durch den Einströmschlitz 18 in die
Abscheiderzelle ein und erzeugt im Hohlkegel 15 einen Wirbel, der sich in
das Wirblerrohr 25 hinein fortsetzt und die vom Gas mitgeschleppten Staubteilchen
einer kräftigen Zentrifugalwirkung unterwirft. Infolgedessen sammeln sich die meisten
Teilchen, während sie sich in Richtung auf das Auslaßende des Wirblerrohres 25 hin
bewegen, in der äußeren Umfangsschicht des Gasstromes. Die Länge des Wirblerrohres
25 ist so bemessen, daß den Teilchen genügend Zeit bleibt, in die Umfangsschicht
zu wandern, bevor sie die Trennebene am Anfang der Ringkammer 30 erreichen. Hier
erfolgt dann die Trennung in der Weise, daß der mittlere gereinigte Gasstrom durch
das Auslaßrohr 35 abströmt, während die mit Staub angereicherte äußere Randschicht
des Gasstromes durch die Ringkammer 30 abgezweigt und durch die Öffnungen
29 in einen Sammelkanal ausgetragen wird. Das Staubgut wird hier in bekannter Weise
durch einen Gebläseabscheider ausgeschieden und in einen Bunker geleitet, und der
nun weitgehend entstaubte abgezweigte Teilgasstrom wird in die Staubgas-Einlaßleitung
zurückgeführt.
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Die Kegelform des Einlaßkopfes gemäß der Erfindung schafft die Voraussetzungen
dafür, daß die Gasströmung in der Abscheiderzelle einem echten Potentialwirbel nahekommt.
Die Axialgeschwindigkeit der in dem Hohlkegel 15 herrschenden Gasströmung läßt sich
nur unter großen Schwierigkeiten exakt messen oder in anderer Weise bestimmen. Es
kann jedoch angenommen werden, daß sie in der Randschicht längs der Umfangswand
der Zelle annähernd konstant ist, während sie im Wirbelkern etwa bis zum weiten
Ende des Hohlkegels zunächst zunimmt und anschließend wieder abnimmt. Die Rotationsgeschwindigkeit
im Wirbelkern nimmt in axialer Richtung durch den Hohlkegel 15 stetig zu, in der
Umfangsschicht bleibt sie aber ebenfalls konstant. Infolge der Zunahme der Rotationsgeschwindigkeit
im Innern des Gaswirbels steigt auch der Einfluß der Zentrifugalkräfte auf die Staubteilchen.
Der statische Druck im Wirbelkern fällt in Richtung der Gasströmung, während er
am Umfang im wesentlichen konstant bleibt; d. h. mit anderen Worten, daß die Differenz
zwischen dem statischen Druck in der Randschicht und im Wirbelkern in der Achsrichtung
der Wirbelströmung zunimmt.
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Bei einer glatten Innenwand des Hohlkegels 15 treten nur geringe oder
gar keine Hindernisse für die Gasströmung auf, so daß sich gute Bedingungen für
die Strömung ergeben und nur kleine Energieverluste auftreten. Durch die erfindungsgemäße
Ausbildung des Einströmkopfes sind die Voraussetzungen für eine weitgehend geglättete
Strömung geschaffen, wodurch die Auswärtsbewegung der Staubteilchen gefördert und
die Möglichkeit für ein Einwärtsschleppen des Staubes sehr gering gehalten wird.
Außerdem haben die am engen Ende des Hohlkegels durch den Einströmschlitz eintretenden
Staubteilchen ausreichend Zeit, sich zur Umfangswand zu bewegen, während das nach
dem weiten Kegelende hin einströmende Gas im wesentlichen die äußere Randschicht
des Gaswirbels bildet, so daß auch das in diesen Teil des Hohlkegels zugeführte
Staubgut überwiegend im Umfangsbereich verbleiben wird.
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Beispiel Mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Staubabscheiderzelle
folgender Abmessungen wurden ausgezeichnete Ergebnisse erzielt: Die Neigung des
Hohlkegels 15 betrug etwa 6°, seine axiale Länge zwischen 35,6 und 38 cm. Die Breite
des Einströmschlitzes 18 nahm von 8,3 mm am engen Ende des Kegels bis auf 22,2 mm
am weiten Ende und der Innendurchmesser des Hohlkegels 15 von 25 mm auf 100 mm zu.
Das Wirblerrohr 25 hatte einen Innendurchmesser von ebenfalls 100 mm und eine Gesamtlänge
von 297 mm. Die Länge der Staubaustragöffnungen 29, gemessen in axialer Richtung,
war 46 mm, die lichte Weite des konischen Reingasauslaßstutzens vorn 75 mm und hinten
100 mm.
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Bei diesen Abmessungen betrugen das Beschickungsvolumen 565 m3/Std.,
die Eintrittsgeschwindigkeit in dem 356 mm langen Einströmschlitz etwa 32 m/Sek.,
die durchschnittliche Axialgeschwindigkeit durch den Hohlkegel und das Wirblerrohr
21 m/Sek., die axiale Ausströmgeschwindigkeit im engsten Querschnitt des Reingasauslaßstutzens
34,5 m/Sek., das Volumen des gereinigten Gases 510 m3/Std. und der Gesamtdruckabfall
115 mm WS. Unter diesen Bedingungen lag der Abscheidegrad für Flugasche mit einer
durchschnittlichen Teilchengröße von 11 #t (Mikron) zwischen 83 und 87%.