DE2038045A1

DE2038045A1 - Zyklon

Info

Publication number: DE2038045A1
Application number: DE19702038045
Authority: DE
Inventors: Chnstian Dipl Ing 8520 Erlangen Koch
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1970-07-31
Filing date: 1970-07-31
Publication date: 1972-02-10
Also published as: NL7109708A; BE770660A; CA972293A; CH524403A; DE2038045C3; AT319902B; DE2038045B2; GB1314479A; US3850816A; FR2099400A5

Description

Die Erfindung "betrifft einen Zyklon zur Abscheidung von spezifisch schwereren Stoffen aus strömenden Medien mit einem zylindrischen Teil, einem an den zylindrischen Teil anschließenden konischen Teil und einem in den zylindrischen Teil mündenden Einlaufrohr.

Zyklone, auch Fliehkraftabscheider genannt, werden häufig zur Trennung von spezifisch schwereren Stoffen aus strömenden Medien, beispielsweise zur Abtrennung von Staub aus einem Staub-Gas-Gemisch oder von Peststoffen aus einem Feststoff-Flüssigkeits-Gemisch eingesetzt. Bekannte Zyklone besitzen einen zylindrischen Teil, in den ein Einlaufrohr mündet, und einen an den zylindrischen Teil anschließenden konischen Teil. Das strömende Medium, beispi eisweise Luft, wird durch das Einlauf rohr tangential mit großer Geschwindigkeit in den Zyklon geleitet und durch die zylindrische Wandung gezwungen, eine kreisende Bewegung auszuführen. Durch die auftretende Zentrifugalkraft werden die spezifisch schwereren Stoffe, beispielsweise Staubteilchen, an die Wandung geschleudert, wo sie ausgeschieden werden und zum größten Teil in den konischen Teil niedersinken. Das strömende Medium, beispiülsweiee Luft, entweicht in spiralförmiger Bahn nahe der Achse des Zyklons durch ein Austrittsrohr. Derartige Zyklone sind beispielsweise in den Buch von Fritz .Mode, "Ventilaboranlagen" , 3. Auflage, Berlin 1961, Seiten 213 bis 215, näher beschrieben. Wie dort im einzelnen erläutert ist, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Hauptabinessungen eines Zyklons mit einem Entstaubungsgrad von 80 bis 90 fo auf den Durchmesser D des zylindrischen Teiles zu beziehen. Dabei ist D = 1,3^ Vv» wobei D in cm gemessen ist und Y das Volumen der Staubluft in m /Ii bedeutet und eine Eintrittsgeschwindigkeit der Luft von ν ^ 15 m/' Bee angenommen ist. Die Querochnittsflache des Einlaufrohres-

ρ beträgt bei einem derartigen Zyklon etwa 0,1 D . Wie in dem

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erwähnten Buch ferner ausgeführt ist, hatten die bisherigen Versuche ergeben, daß eine Eintrittsgeschwindigkeit von über 25 m/sec keine nennenswerte Verbesserung des Zyklons mit sich bringt. Die erwähnten hohen Entstaubungsgrade von 80 bis 90 # werden bei den bekannten Zyklonen nur für verhältnismäßig große Teilchen erreicht. Pur Teilchengrößen unter 5 /um sinkt dagegen der Entstaubungsgrad bei allen bekannten Zyklonen beträchtlich.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zyklon so auszugestalten, daß die Abscheidung weiter verbessert und insbesondere bei der Abscheidung spezifisch schwererer Stoffe mit einer Teilchengröße von weniger als 5 /U der Abscheidegrad erhöht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Zyklon erfindungsgemäß derart ausgestaltet, daß das in den zylindrischen Teil mündende Ende des Einlaufrohres in Art einer Venturidüse mit einem sich stetig verengenden Teil, einem anschließenden Teil mit gleichmäßigem Querschnitt und einem sich stetig erweiternden Teil ausgebildet ist, daß der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt eine Querschnitts-

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fläche von höchstens 0,05 D aufweist, wobei D der Durchmesser des zylindrischen Teiles ist, und daß wenigstens der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil in Art einer Spirale zur Achse des zylindrischen Teiles hin gekrümmt sind und in etwa tangentialer Richtung in den zylindrischen Teil münden.

Durch die Ausbildung des in den zylindrischen Teil mündenden Endes des Einlaufrohres in Art einer Venturidüse wird erreicht, daß die Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Einlaufrohres und damit die Eintrittsgeschwindigkeit in den zylindrischen Teil stark erhöht wird. Da der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt, der gleichzeitig der Teil mit dem engsten Querschnitt ist, nur

ρ eine Querschnittsfläche von höchstens 0,05 D aufweist, werden bei im übrigen üblicher Bemessung des Zyklons Strömungsgeschwindigkeiten von30 m/sec und mehr erzielt. Der sich verengende Teil bewirkt dabei die Beschleunigung des strömenden Mediums. Der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt dient zur Ausbildung einer gebündelten, weitgehend laminaren Strömung. Durch den anschließenden, sich stetig erweiternden Teil werden Abreißwirbel am Ende

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dieses Teiles und damit Stoßverluste, welche die Wirksamkeit des Zyklons einschränken könnten, weitestgehend vermieden. Durch die spiralförmige Krümmung wenigstens des Teiles mit gleichmäßigem Querschnitt und des Teiles mit sich erweiterndem Querschnitt wird bereits im Einlaufrohr eine Verdichtung der spezifisch schwereren Stoffe durch die auftretende Zentrifugalkraft erreicht, die durch die hoho Strömungsgeschwindigkeit noch erhöht wird.

Mit dem erfindungsgemäß ausgebildeten Zyklon können für Teilohengrößen von 5 /um und darunter wesentlich erhöhte Abscheidungsgrade erzielt werden. In Verbindung mit der besonderen Ausgestaltung des Einlaufrohres des Zyklons führen somit überraschenderweise Strömungsgeschwindigkeiten von 30 m/sec und mehr noch zu erheblichen Verbesserungen. Dies war keineswegs zu erwarten. d Wie bereits erwähnt, war man bisher der Auffassung, daß Strömungsgeschwindigkeiten über 25 m/sec nicht zu weiteren Verbesserungen führen würden.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Zyklons ist auch bereits der sich stetig verengende Teil des Einlaufrohres gekrümmt. Dies hat den Vorteil, daß bereits in diesem Teil des Einlaufrohres eine Vorverdichtung der spezifisch schwereren Stoffe stattfindet.

Ferner ist «. vorteilhaft, wenn wenigstens der Teil mit gleichmäßigen Querb^i^ixtt und der sich stetig erweiternde Teil des Endes des Einlaufrohres einen rechteckigen Querschnitt haben. d Durch diese Ausbildung de3 Zyklons kann erreicht v/erden, daß sich die aus dem Einlaufrohr in den zylindrischen Teil übertretenden spezifisch schwereren Stoffe über den ganzen Querschili fet der Austritts, öffnung des Einlaufrohres hin eng an die Wand des zylineerförmigen Teiles anschmiegen. Der Teil des Einlaufrohres mit sieh stetig verringerndem Querschnitt kann ebenfalls einen rechteckigen Querschnitt haben, oder von einem anderen, beispielsweise einem kreisförmigen Querschnitt in einen rechteckigen Querschnitt übergehen. Dadurch wird beispielsweise der Anschluß von Schlauchleitungen erleichtert.

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Als besonders günstig hat es sich erwiesen, einen solchen Zyklon derart auszubilden, daß die Außenwand des Endes des Einlaufrohres spiralförmig an die Wand des zylindrischen Teiles herangeführt ist und tangential in diese übergeht und daß die Innenwand des Endes des Einlaufrohres im wesentlichen der Wand des zylinderförmigen Teiles entspricht und in dem sich stetig erweiternden Teil in den zylindrischen Teil hineingezogen ist. Bei dieser Bauart werden die Strömungsverhältnisse im zylindrischen Teil nicht durch etwa störende Einbauten beeinträchtigt.

Ferner hat es sich gezeigt, daß der Abscheidungsgrad insbesondere für Teilchen sehr kleinen Durchmessers weiter verbessert werden kann, wenn der in cm gemessene Durchmesser D des zylindrischen Teiles etwa D = YT⁷ISt, wobei Y die den Zyklon durchströmende Menge des strömenden Mediums in m /h ist. Gegenüber bekannten Zyklonen wird bei einer solchen Bemessung des Durchmessers des . zylindrischen Teiles die auf dem spezifisch schwereren Stoff wirkende Kraft noch weiter erhöht.

Anhand einiger Figuren und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Zyklons verkleinert im Längsschnitt. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den zylinderförmigen Teil des Zyklons nach Fig. 1 und durch das in diesen zylinderförmigen Teil mündende Einlaufrohr in Originalgröße.

Die in den Figuren 1 und. 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform des Zyklons besteht im wesentlichen aus einem zylindrischen Teil 1, in den ein Einlaufrohr 2 mündet und an den mit Hilfe von Flanschen 3 ein konischer Teil 4 angesetzt ist. Der konische Teil 4 ist unten mit einer Öffnung 5 versehen, an die beim Betrieb des Zyklons ein in Fig. 1 nicht dargestellter Auffangbehälter für die abgeschiedenen Stoffe angeschlossen werden kann. In den zylindrischen Teil 1 des Zyklons ist ferner ein Austrittsrohr 6 eingesetzt, durch das das strömende Medium, beispielsweise Luft, aus dem Zyklon entweichen kann. Das Gemisch, aus dem die spezifisch schwereren Stoffe abgeschieden· vvyrden sollen, wird durch das Einlaufrohr 2 in den zylindrischen Teil 1 eingeleitet.

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Das in Fig. 2 besonders gut au erkennende Ende des Einlaufrohres 2 ist in Art einer Venturidüse ausgebildet. An einen sich, stetig verengenden Teil 7 schließt sich ein Teil 8 mit gleichmäßigem Querschnitt an. Auf diesen Teil 8 folgt ein sich, stetig erweiternder !eil 9·.Alle Teile des Endes des Einlaufrohres 2 sind in Art einer,Spirale zur Achse des zylindrischen Teiles hin gekrümmt und münden durch, die Öffnung 10 in der Wand des zylindrischen Teiles 1 etwa in tangentialcr !Richtung in diesen zylindrischen Teil. Der sich verengende Teil 7 des Einlaufrohres 2 hat am Einlaßende 11 einen kreisförmigen Querschnitt, der bis zum Anfang des Teiles 8 in einen rechteckigen Querschnitt übergeht. Die Teile 8 und 9 haben jeweils rechteckigen Querschnitt. Die Außenwand 12 des Endes des Einlaufrohres 2 ist spiralförmig an die Wand des zylindrischen Teiles 1 herangeführt und geht tangential in diese über. Die Innenwand 13 des Endes des Einlaufrohres 2 ist ™ gleichzeitig die Wand des zylinderförmigen Teiles 1, die bei 14 zur einfacheren Erzielung des gewünschten Querschnitts des Ein- · laufrohreo lediglich etwas verstärkt ausgebildet ist. Am Ende des sich stetig erweiternden Teiles 9 des Einlaufrohres ist die innere Wand 13 an der Stelle 15 leicht in das Innere des zylinderförmigen Teiles hineingezogen. ■

Der in den Figuren 1 und 2 dargestellte Zyklon 1st insbesondere zur Abscheidung von feinen Stäuben aus Staub-Luft-Gemisohen bestimmt. Der Durchmesser D des zylindrischen Teiles 1 in cm ist vorteilhaft so gewählt, daß etwa D =T V, im speziellen Pail D = 0,96 ΐίΨΙ ist, wobei Y den Durchsatz an Staub-Luft-Gemiseh M durch den Zyklon in nr/h bedeutet, Die Länge des zylindrischen Teile« 1 beträgt vorteilhaft etwa 1,5 D> die Länge des konischen Teiles-etwa 2,5 D und der Durchmesser des Austrittsrohres 6 etwa 0,5 D. Die Öffnung 5 des konischen Teiles hat vorteilhaft einen Durchmesser von etwa 0,48 D. Der Querschnitt des Teiles 7 des Einlaufrohres 2 verringert sich bei der dargestellten Ausführungs-

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form von etwa 0,1 D an der Eintrittsöffnung 11 auf etwa 0,034 D an der Übergangsstelle ziim Teil 8. Der Teil 8 hat einen gleich-

mäßigen Querschnitt von 0,034 D^w. Der Querschnitt des Teiles 9 erweitert sich von 0,034 -D² um etwa 10 % bis auf 0,0374 D².

Dor Querschnitt des Einlaufrohrea kann gegenüber den angegebsnc;n ϊ/erten xiafcurlivh auch variiert werden. Wesentlich isb jedoch,

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daß der Querschnitt .des Teiles S nicht größer- als 0,05 D² ist» Ferner sollte in der Regel der Querschnitt des Teiles 8 auch -'

nicht kleiner als etwa 0*008 D sein, da bei Unterschreiten dieses Wertes eine stärkere·Verwirbelung zu befürchten ist. Gegen-"-über dem Querschnitt des Teiles; 8 sollte siehder Querschnl-fet des Teiles 9 etwa um 5 bis 20 $ erweitern» damit die St&ßver-<^{; ;} luste so weit wie möglich vermieden werderi. Außerdem"sollte aus diesem Grunde der Wandteil 15 nicht mehr als 6 von der an der Übergangsstelle zwischen den Teilen 8 und-9 an die Innenwand dös Teiles 8 angelegten Tangente abweichen,-

Pie Bogenlänge der Innenwand der Teile 8 und 9 beträgt bei der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform des Zyklons jeweils etwa 0,2 D. Die rechteckige lichte Quersohnittsfläche des Teiles 8 hat vorteilhaft eine Höhe von etwa 0,24 D vtnd eine Breite von etwa 0,1 D. Im Teil 9 erweitert sich'die Breite auf ' etwa 15,11 D, während die Höhe die gleiche bleibt wie beim Teil Der kreisförmige lichte Querschnitt an der Einlaß ö ff nuiag 11 des Teiles 7 hat einen Durchmesser von etwa 034 D. '

Bei einem"speziellen für einen Staub-Luft-Gemiseh-Durchsatz yon 108 nr/h = 30 l/see ausgestalteten Ausführungsbeispiel hat der zylindrische Teil einen Durchmesser von etwa ΐθ/ cm, -Die übrigen ^v Maße bestimmen sich nach den angegebenen Beziehungen. Das Staub-Luft-Gemisch wurde mit Hilfe eines an das. Austrittsrohr 6 angeschlossenen Ventilators durch das Einlaßrohr 2 in den Zyklon eingesaugt. Die Strömungsgeschwindigkeit an der kreisförmigen Einlaßöffnung 11 betrug etwa 33 m/sec. In dem sich verengenden Teil 7 wurde das Gemisch auf eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 88 m/sec beschleunigt, durchströmte mit dieser Geschwindigkeit den Teil 8 und trat am Ende des Teiles 9 mit einer Geschwindigkeit von etwa 80 m/sec in tangentialer Richtung in den zylindrischen Raum ein. Der Abscheidungsgrad für in dem benutzten Stciub-Luft-Gemisch enthaltene Staubteilchen mit einem Durohme ωser von etwa 4 /um und weniger lag erheblich über 90 ί°* Der Druckverlust steigt infolge der speziellen Ausführungsform des Endes des Einlaufrohres gegenüber bekannten Zyklonen leicht an, i£jt jedoch so gering, daß der kleine Mehraufwand an Yerdichtungsarbeit in Anbetracht des hohen Abschbi-degrades insbesondere boi

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Zyklonen kleiner und mittlerer. Größe praktisch nicht ins Gewicht

Bei einem weiteren Versuch wurde mit dem beschriebenen Zyklon (D-IO cm) auch Flüssigkeit aus einem Flüssigkeit-Luft-Gemischr., abgeschieden. Zu diesem Zweck wurde die Einlaßöffnung 11 des Einlaufrohres 2 über einen Schlauch mit einer normalen Staub;-saugerdüse verbunden. Das Wasser wurde durch die Staubsaugerdüse rasch, und vollständig aufgesaugt und im Zyklon praktisch voll-., ständig aus dem Wasser-Luft-Gemisch abgeschieden. -

Die hohe Geschwindigkeit der in den Zyklon eingesaugten flüssigen bzw. festen Teilchen erlaubt sogar ein Arbeiten des Zyklons . im Liegen.

Der erfindungsgemäße Zyklon kann gegenüber der in den .Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsform in verschiedener Hinsicht abgewandelt werden. Beispielsweise kann die Querschnittserweiterung des Teiles 9 des Einlaufrohres auch, dadurch erreicht werden, daß man die Höhe des lichten Querschnittes des Teiles 9 etwas vergrößert. Es ist dann nicht erforderlich, die Innenwand 13 des Teiles 9 an der Stelle 15 in den zylindrischen Teil 1 .hineinzuziehen. Ferner kann beispielsweise bei einem Zyklon, bei dem wenigstens der Teil mit gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil des Endes des Einlaufrohres einen rechteckigen Querschnitt haben, auch die Außenwand des Endes des Einlaufrohres spiralförmig an die Y/and des zylindrischen Teiles herangeführt sein und tangential in diese übergehen, während die Innenwand des Teiles mit gleichmäßigem Querschnitt und des Teiles mit sich erweiterndem Querschnitt in den zylindrischen Teil hineingezogen ist. Durch diese Bauart kann der Krümmungsradius des Endes des Einlaufrohres weiter verringert und die.auf die festen bzw. flüssigen Teilchen wirkende Zentrifugalkraft noch weiter erhöht werden.

Bei dem im einzelnen erläuterten Ausfülirungs bei spiel wurde das Staub-Luft-Gemisch durch einen an das Austrittsrohr 6 angeschlossenen Ventilator durch den Zyklon hindurchgesaugt. Statt dessen kann der Ventilator auch vor das Einlaufrohr 2 geschaltet

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werden und das Staub-Luft-Gemisch durch den Zyklon hindurchdrücken.

Ferner kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehrere der erfindungsgemäßen Zyklone strömungsmäßig zu einer Zyklonbatterie parallel' zu schalten. Die Einlauf- und Austrittsrohie der einzelnen Zyklone werden zu diesem Zweck vorteilhaft an ein gemeinsames Zuführungsrohr für das zu trennende Gemisch bzw. an ein gemeinsames Abführungsrohr für den Teil des Gemisches, aus dem die spezifisch schwereren Stoffe abgetrennt sind, angeschlossen. Der Ventilator, der das Gemisch durch die Zyklone saugt, kann dabei vorteilhaft in dem gemeinsamen Abführungsrohr angeordnet sein. Bei solchen Zyklonbatterien' sind ganz besonders, hohe Abscheidungsgrade zu erwarten. ■ .

Der erfindungsgemäße Zyklon ist insbesondere als Aerozyklon zur Abtrennung von Feststoffen bzw. Flüssigkeiten aus Feststoff-Gasoder Flüssigkeits-Gas-Gemischen geeignet. Auch bei Hydrozyklonen zur Abscheidung von Feststoffen aus Feststoff-Flüssigkeit-Gemischen oder zur Abscheidung der spezifisch schwereren Flüssigkeit aus Flüssigkeitsgemischen sind von der erfindungsgemäßen Ausgestaltung erhebliche Vorteile zu erwarten. Bevorzugte Anwendungsgebiete für den Aerozyklon sind beispielsweise Haushaltsund Industriestaubsauger sowie industrielle Abscheider zur Abscheidung von feinen Stäuben insbesondere aus kleinen Gasmeiigen. Der erfindungsgemäße Zyklon eignet sich dabei besonders für solche Fälle, in denen eine Feinstabscheidung ohne einen Elektrofilter durchgeführt werden muß.

5 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

1 .: Zyklon zur Abscheidung spezifisch schwererer Stoffe aus strömenden Medien mit einem zylindrischen Teil, einem sich an den zylindrischen Teil anschließenden konischen Teil und einem in den zylindrischen Teil mündenden Ei.nlaufrohr, dadurch gekennzeichnet, daß das in den zylindrischen Teil (1) mündende Ende des Einlaufrohres (2) in Art einer Venturidüse mit einem sich stetig verengenden Teil (7), einem anschließenden Teil (8) mit gleichmäßigem Querschnitt und einem sich stetig erweiternden-Teil (9) ausgebildet ist, daß der Teil (8) mit gleichmäßigem Querschnitt eine Querschnittsfläche von

höchstens 0,05 D aufweist, wobei D der Durchmesser des zylindrischen Teiles (1) ist, und daß wenigstens der Teil (-8) mit gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil (9) in · Art einer Spirale zur Achse des zylindrischen Teiles (1) hin ge- " krümmt sind und in etwa tangeritialer Richtung in den zylindrischen Teil (1) münden. ·
2. Zyklon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch der sich stetig verengende Teil (7) des Einlaufrohres (2) gekrümmt ist.
3. Zyklon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Teil (8) mit gleichmäßigem Querschnitt und der sich stetig erweiternde Teil (9) des Endes des Einlaufrohres (2) einen rechteckigen Querschnitt haben.
4. Zyklon nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwand (12) des Endes des Einlaufrohres (2) spiralförmig an die Wand m des zylindrischen Teiles (1) herangeführt ist und tangential in diese übergeht und daß die Innenwand (13) des Endes des Einlaufrohres (2) im wesentlichen der Wand des zylinderförmigen Teiles (1.) entspricht und in dem sich stetig erweiternden Teil (9) in den zylindrischen Teil (1) hineingezogen ist.
5. Zyklon nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser D des zylindrischen Teiles (1) in cm etwa D = 7T⁷ is"t> wobei V die den Zyklon durchströmende Menge des strömenden Mediums in m /h ist.

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