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Vorrichtung zum Abscheiden von festen und/oder flüssigen Partikeln
aus einem Gasstrom durch Anwendung von Massenkräften Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Abscheiden von festen und/oder flüssigen Partikeln aus einem Gasstrom
durch Anwendung von Massenkräften, bestehend aus einem Strömungsgitter mit mehreren
im Abstand nebeneinander angeordneten Kanaiwänden, deren zur Umlenkung des stoßfrei
eintretenden Gasstromes konkav gekrümmte Wandflächen an ihrem Ende mit gegen die
Strömungsrichtung offenen Fangrinnen zum Ableiten
der abgeschiedenen
Partikel versehen sind.
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Derartige Vorrichtungen, die auch als Abscheider oder Tropfenabscheider
bezeichnet werden, dienen zur Reinigung von Gasen, Dämpfen oder #lüssigkeiten sowie
zur Rackgewinnung von Flüssigkeiten aus Gasen.
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Bei der Formgebung des Strömungsgitters wird zweckmäßig davon ausgegangen,
daß der zu reinigende Gasstrom zur Erzeugung von Trägheitskräften so umgelenkt werden
soll, daß Stoßverluste und Strömungsablösungen nach Möglichkeit vermieden werden.
Dies wird bei einer bekannten Vorrichtung dadurch angestrebt, daß bei der gasförmigen
Phase Geschwindigkeitsänderungen in der Richtung vorgenommen, Geschwindigkeitsänderungen
in der Größe aber vermieden werden.
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Diese in der Fachwelt anerkannte Überlegung geht von der Auffassung
aus, daß Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit in Bahnrichtung zu Energieverlusten
führen, ohne daß dabei eine Verbesserung der Abscheideleistung erzielt werden könnte.
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Die Strömungsgitter bestehen daher bei bekannten Anordnungen aus
in Strömungsrichtung aufeinanderfolgenden geraden und gekrümmten Strömungsstrecken
mit jeweils parallelen Kanalwänden. Dabei ist es üblich, im Bereich der Umlenkstellen
Fangrinnen vorzusehen, die gegen die Strömungsrichtung offen sind.
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Ausgehend davon, daß eine scharfe Umlenkung die beste Abscheidung
ergibt, sind die Kanalwände in den Uml otlen bei ulnigen bekannten Anordnungen scharf
und üblicherweise etwa rechtwinklig abgebogen.
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Ein wesentlicher Nachteil der Vorrichtungen besteht darin, daß aufgrund
der scharfen Umlenkung Störungen des Strömungsverlaufs auftreten. Es treten also
Wirbel auf, die hohe Energieverluste verursachen, so daß bei diesen bekannten Vorrichtungen
ein hoher Energieaufwand für die Reinigung eines Gasstromes erforderlich ist.
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Die Gefahr der Wirbelbildung kann bei den bekannten Abscheidern dieser
Art nur dadurch herabgesetzt werden, daß die Höhe der Geschwindigkeit des Gasstromes
begrenzt wird.
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Dadurch wird die Wirkung des Abscheiders beeinträchtigt, weil diese
umso besser ist, je höher die mögliche Geschwindigkeit des Gasstromes liegt. Eine
zu niedrige Geschwindigkeit beeinträchtigt vor allem die Abscheidung kleiner oder
leichter Partikel, so daß die bekannten Abscheider für derartige Einsatzzwecke nur
beschränkt geeignet sind.
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Die Gefahr der Wirbelbildung läßt sich bei einer anderen bekannten
Vorrichtung dadurch verringern, daß das Profil der Kanalwände in den Umlenkzonen
bogenförmig ausgebildet wird und einen etwa sinusförmigen Verlauf erhält.
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Zwar lassen sich mit einem solchen Abscheider aufgrund der Verringerung
der Stoßverluste an der konkaven Wand fläche
einer Umlenkzone höhere
Strömungsgeschwindigkeiten erzielen, jedoch hat sich gezeigt, daß dabei an der konvex
gekrümmten Wand fläche oder anschaulicher ausgedrückt an der Schattenseite der umgelenkten
Gasströmung hinter den Umlenkungen eine Ablösung der Strömung und somit wiederum
eine Wirbelbildung auftritt.
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Diese Erscheinung ist dadurch zu erklären, daß sich in der Umlenkzone
des Strömungsgitters auf der inneren Strombahn zwangsläufig die Geschwindigkeit
des Gasstromes erhöht und beim Eintreten des Gasstromes in die an die Umlenkzone
anschließende gerade Strömungsstrecke wieder vermindert. Somit werden in diesem
Fall die in der Umlenkzone auftretenden Geschwindigkeit# änderungen nach der Umlenkung
wieder rückgängig gemacht.
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Diese Verringerung der Geschwindigkeit führt aber nach den Gesetzen
der Strömungsmechanik notwendig zu einem Anstieg des statischen Druckes in der Grenzschicht
des Gasstromes an der innenliegenden konvex gekrümmten Schattenseite der Strömungsstrecke
und damit zu einer Ablösung der Grenzschicht, so daß bei den bekannten Abscheidern
eine Wirbelbildung nicht verhindert werden kann.
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Dieses hat zur Folge, daß bei der Reinigung feststoffhaltiger Luft-
oder Gas ströme Ablagerungen der Feststoffpartikel
an den Schattenseiten
der Strömung nicht verhindert werden können, wenn diese Partikel zum Haften oder
Kleben neigen, wie dies z.B. bei der Naßentstaubung der Fall ist.
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Durch diese Ablagerungen kommt es zu Verkrustungen der Profile des
Strömungsgitters, welches dadurch verstopft wird und sich nach und nach zusetzt.
Zwar ist es bekannt, die Gefahr der Verstopfung infolge Verkrustung durch Vergrößerung
der Profilabstände bzw. der Teilung des Strömungsgitters herabzusetzen, jedoch kann
das Verstopfen des Abscheiders durch diese Maßnahme nicht verhindert werden. Diese
Maßnahme ist außerdem ungünstig für die Wirkung des Abscheiders, die bei kleineren
Kanalbreiten wegen der dabei kürzeren Flugbahnen abzuscheidender Partikel besser
ist.
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Aufgrund dieser Beeinträchtigung der Abscheiderwirkung arbeiten nahezu
alle bekannten Vorrichtungen mit mehreren Umlenkungen des Gasstromes. Dadurch wird
zwar einerseits die Gesamtabscheidung verbessert, andererseits jedoch die Gefahr
der Verkrustung erhöht, und zwar deshalb, weil die im Gas enthaltene Flüssigkeitsmenge
bei jeder nachfolgenden Umlenkung kleiner wird. Dadurch wird die Bildung eines Flüssigkeitsfilms
an der konkaven Wandfläche der Umlenkung mehr und mehr verhindert. Die Feststoffpartikel
jedoch, die kleiner oder leichter sind als die in Form ein fließfähigen Filmes ausgeschiedenen
Tropfen, fliegen weiter im Gasstrom mit und setzen sich dann auch an der konkav
gekrümmten Wandfläche der Umlenkzone fest.
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Die Verstopfung des Kanals erfolgt somit bei Vorrichtungen mit mehreren
Umlenkungen noch schneller.
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Der Erfindung lag nunmehr die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung
der Nachteile bekannter Vorrichtungen dem Profil des Strömungsgitters einer Abscheidevorrichtung
eine solche Form zu geben, daß bei gleichzeitiger Verbesserung der Wirkung des Abscheiders
die Abscheidevorrichtung auch zur Reinigung von solchen Gasen verwendet werden kann,
in denen Feststoffpartikel mit Neigung zur Verkrustung enthalten sind bei deren
Reinigung in bekannten Vorrichtungen ein Zusetzen der Gitterprofile nicht verhindert
werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs erwähnten Art
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Anfangsbereich der Umienkzone beginnend bis
zum Kanalende der Krümmungshalbmesser und/oder der Abstand jeweils benachbarter
Kanalwände in Strömungsrichtung stetig abnimmt.
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Bei der erfindungsgemäßen Abscheidungsvorrichtung wird in vorteilhaft
einfacher Weise allein durch die Formgebung eine Ablösung der Grenzschicht des Gasstromes
an der konvex gekrümmten Schattenseite des Gasströmungskanals und die dadurch verursachte
nachteilige Wirbelbildung mit Sicherheit vermieden.
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Dies wird dadurch erreicht, daß der statische Druck in der inneren
Grenzschicht stetig fällt. Das bedeutet, daß entgegen den bisherigen Forderungen
die Geschwindigkeit des Gasstromes von Anfang an, also unmittelbar beim Eintritt
in das Strömungsgitter , bis zum Verlassen des Strömungsgitters zunimmt.
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Wichtig ist dabei vor allem die stetige Beschleunigung der Grenzschicht
auf der Schattenseite der Strömung, welche bei der Auslegung und Formgebung bisher
bekannter Strömungsgitter nicht oder zumindest nicht genügend beachtet wurde.
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Das Hauptaugenmerk wurde bei den bekannten Vorrichtungen viel mehr
auf die konkave Wandfläche der Umlenkzonen gerichtet, die jedoch wegen des dort
vorhandenen fließfähigen Films der abgeschiedenen Flüssigkeitstropfen verhältnismäßig
unkritisch ist.
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Die erfindungsgemäße Abscheidevorrichtung arbeitet also mit einer
stetigen Beschleunigung auf der inneren Strombahn des Gases, was bei sämtlichen
bisher bekannten Vorrichtungen wegen der dadurch befürchteten Energieverluste bewußt
vermieden wurde. Es hat sich jedoch überraschend gezeigt, daß die Druckverluste
bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit Beschleunigung des Gasstromes arbeitet,
so gering sind, daß die Abscheideleistung bezogen auf die Druckverluste im Vergleich
zu bekannten Anordnungen sogar verbessert werden konnte.
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Aus diesem Grunde weisen die Wandflächen des Strömungsgitters bei
einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung nur eine Umlenkung auf.
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Dies ist möglich, da die Reinigungswirkung bei der Erfindung in einem
solchen Maße verbessert werden konnte, daß mit dieser außerdem vorteilhaft einfachen
und somit preisgünstigen Konstruktion die gleiche Reinigungsqualität erzielt werden
kann, wie sie sonst nur mit mehreren Umlenkungen
möglich ist. Da
bei konstantem m Krümmungshalbmesser der statische Druck einer Strömung an der inneren
Grenzschicht zunächst so lange absinkt , bis der Potentialwirbel entstanden ist,
ist es möglich, den Krümmungshalbmesser der Strombahn für diese Strecke konstant
zu halten, bevor dann anschliessend die Verringerung des Krümmungshalbmessers oder
die Kanalverengung vorgenommen wird.
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Obgleich die Abscheidewirkung, bezogen auf die Druckverluste im Vergleich
zu bekannten Anordnungen besser geworden ist, ist es denkbar, daß für einige Anwendungsfälle
eine einzige Umlenkung nicht ausreicht, um die geforderte Reinheit eines Gasstromes
zu erreichen.
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Um auch solchen erhöhten Anforderungen gerecht zu werden, ist es
ohne weiteres möglich, mehr als eine der erfindungsgemäßen Vorrichtungen hintereinander
anzuordnen, wobei in Strömungsrichtung ein solcher Abstand zwischen den einzelnen
Vorrichtungen vorgesehen sein muß, daß für den Eintritt des Gasstromes auch fürdie
nachgeschaltete Vorrichtung die gleichen Verhältnisse wie für eine Einzelstufe bestehen.
Strömungstechnich bedeutet dies, daß eine solche Anordnung aus getrennten Einzelstufen
zusammengesetzt ist, zwischen welchen keine Wechselwirkung besteht.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist es außerdem möglich, ein
Profil mit zwei Umlenkungen derart vorzusehen, daß der Gasstrom wiederum vom Eintritt
in das Strömungsgitter bis zu seinem Austritt stetig beschleunigt wird.
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Auch bei dieser Weiterbildung der Erfindung muß somit die
Forderung
erfüllt sein, daß der sta-tische Druck in der Grenzschicht der Strömung insbesondere
an den jeweiligen Schattenseiten der gekrümmten Umlenkstrecken stetig fällt.
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Die Erfüllung dieser Forderung bei der er£indungsgemäßen Vorrichtung
setzt selbstverständlich eine entsprechende Bemessung der Verringerung des Krümmungshalbnessers
bzw.
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der Kanalverengung voraus, wobei diese Mabnahmen einzeln oder in Kombination
anwendbar sind.
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Die für den einzelnen Anwendungsfall günstigste Bemessung kann ohne
weiteres rechnerisch oder auch auf dem Verstichswege ermittelt werden.
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Eine bekannte Ausführungsform eines Abscheideprofils sowie mehrere
Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher erläutert. Dabei zeigen jeweils als Querschnittsdarstellung:
Fig. 1 ein Strömungsgitter einer bekannten Vorrichtung mit geraden und gekrümmten
Strömungsstrecken, Fig. 2 ein Strömungsgitter einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
mit im wesentlichen parallel angeordneten Profilplatten mit einer Umlenkung, gleichbleibendem
Krümmungshalbmesser und abnehmender Kanalbreite,
Fig. 2 areinen
vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2, Fig. 3 ein ',trömungsgi-tter einer anderen Ausführungsform
der Erfindung mi t paraLlelparallel paraLlelparallel angeordneten Profilplatten
mit einer Um%cn-Umi£nk Um%cn-Umi£nk ung und stetig abnehmendem KrümmungshalbmesieabnehmendernKrümmungshalb#e##;#
abnehmendem KrümmungshalbmesieabnehmendernKrümmungshalb#e##;# L' Fig. 4 ein Strömungsgitter
mit; schräger Stalfelung der Profilplatten mit einer Umlenkung, abnehmender Kanalbreite
und gleichbleibendem Krümmungshalbmesser für eine erfindurigsgemäl#e Vorrichtung,
bei welcher der gesamte Gasstrom um 900 umgelenkt wird, Fig. 5 ein Strömungsgitter
mit 450 - Staffelung der Profilplatten mit einer Umlenkung, abnehmender Kanalbreite
und gleichem Erümmungshalbmesser für eine andere Ausführungsform der Erfindung mit
900 - Umlenkung des Gasstromes und Fig. 6 ein Strömungsgitter für eine Weiterbildung
der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit parallelen Profilplatten mit zwei Umlenkungen,
gleichbleibenden Krümmungshalbmessern und abnehmendem Abstand der Kanalwände.
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Fig gleiclleg#eäci### gleiclleg#eäci### otler ähnliche Teile sind
in sämtlichen Figuren die -leicen NugsaiffernrJlei(hen ]se7ugsziffern -leicen
NugsaiffernrJlei(hen ]se7ugsziffern verwendet.
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l)ie gezeigten Strtjmungsgitter sind senkrecht stehend im Gasstrom
angeordnet, von welchem sie jeweils in Richtung des feilcsI'feiles feilcsI'feiles
cfr , der die Einstrc#mgeschwindigkeit des Gasstromes schematisch andeuten soll,
horizontal durchströmt werden. Es hat sich in einzelnen Fällen aber auch als zweckmäßig
erwiesen, derartige Strömungsgitter etwas zur Strömungsrichtung geneigt anzuordnen.
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I)ie Profilplatten bzw. die Teilkanalwände des in Fig. 1 dargestellten
Strömungsgitters einer bekannten Vorrichtung sind mit 1 bezeichnet. Es sei vermerkt,
daß derart aufgebaute bekannte Vorrichtungen im allgemeinen mit mehreren Umlenkungen
arbeiten, während die dargestellte Ausführungsform nur eine für die Abscheidung
wirksame Umlenkung aufweist.Fangrinnen 2 sind Jeweils im Scheitel dieser annähernd
sinusförmig gekrümmten Umlenkzonen vorgesehen. Bei dieser bekannten Formgebung eines
Strömungsgitters lassen sich Strömungsablösungen an den Schattenseiten der geraden
Strömungsstrecken hinter den Umlenkungen nicht vermeiden, wie in der Einleitung
ausführlich erläutert wurde.
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Im linken Teilkanal sind mit 3 bezeichnete Verkrustungen schematisch
dargestellt, die aufgrund der Ablösung der Hauptströmung und der sich daraus ergebenden
Wirbelbildung an den betroffenen Stellen nicht verhindert werden können, wenn der
beispielsweise zu reinigende Gasstrom BeststoffpartikelFeststo£fpartikel BeststoffpartikelFeststo£fpartikel
enthält, die zur Verkrustung neifrerl.
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i in Fig. 2 - 6 dargestellten Strömungsgitter für erfindungsgeucibeerfindungsgemäi#e
erfindungsgeucibeerfindungsgemäi#e Vorrichtungen sind von Anfang an gekrümmt.
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Für den stoßfreien Eintritt des Gasstromes können die Strömungsgitter
ggfs. aber auch noch eine vorgeschaltete gerade Eintrittszone aufweisen, in der
die Profilplatten parallel zur Gasströmung ausgerichtet sind.
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Dabei nimmt bei der Ausführungsfõrm nach Fig. 3 der Krümmungshalbmesser
der Strombahn in Strömungsrichtung stetig ab, während bei den Ausführungsformen
nach Fig. 2, 4 und 5 die Kanalbreite bei gleichbleibendem Krümmungshalbmesser stetig
kleiner wird.
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Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführung bleibt der Halbmesser an der
konvex gekrümmten Wandfläche, das heißt an der Innenbahn an der Schattenseite der
Strömung gleich, während der Halbmesser der konkav gekrümmten Außenseite abnimmt,
wobei gleichzeitig eine Kanalverengung auftritt.
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Fig. 4 und 5 zeigen außer den Profilplatten 1 mit den Fangrinnen
2 auch Seitenwände 4 und 5 des Gasströmungskanals bzw. des Gehäuses einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei welcher der gesamte Gasstrom um 900 umgelenkt wird. Die Seitenwände
4 und 5 bilden hierbei einen Teil des Strömungsgitters, wobei es zweckmäßig sein
kann, die Kanalverengung für den durch die Seitenwände begrenzten Gesamtstrom über
die Strömungsstrecke durch die Profilplatten 1 hinaus weiterzuführen, wie aus Fig.
4 deutlich zu erkennen ist.
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Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform eines Strömungsgitters
für eine Vorrichtung mit 2 Umlenkungen des Gasstromes sind die Profilplatten 1 derart
ausgebildet, daß die Kanalverengung bei gleichbleibendem Krümmungshalbmesser erreicht
wird.
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Die Fangrinnen 2 für die erste Umlenkung sind dabei derart angeordnet
und ausgebildet, daß ihre konkav gekrümmten äußeren Wandflächen gleichzeitig die
innere Kanalwand der zweiten Umlenkung bilden. Diese vorteilhafte Ausbildung ermöglicht
außerdem eine äußerst einfache Konstruktion, für deren Aufbau nur zwei verhältnismäßig
einfach geformte Profilteile erforderlich sind.
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Die in Fig. 2 - 6 gezeigten Ausführungsbeispiele von Stromgittern
erfindungsgemäßer Vorrichtungen zeigen die Vielzahl möglicher Formen, die geeignet
sind, erfindungsgemäß ein stetiges Fallen des statischen Druckes in der Grenzschicht
der Strömung an der kritischen 3ahninnen-bzw. schattenseite und somit eine stetige
Beschleunigung dieser Grenzschicht zu erzielen.
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Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in Fig. 2 im linken Teilkanal die Bewiegung des Gasstromes durch einige gestrichelt
dargestellte Stromlinien angedeutet.
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Fig. 2 a zeigt vergrößert den Bereich der Fangrinne.
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Aus dieser Darstellung läßt sich erkennen, daß bei einer derartigen
ßusführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zwar eine Ablösung des Gasstromes bzw.
der Hauptströmung von der Wand eintritt, und zwar an der konkav gekrümmten Wandfläche,
wobei gleichzeitig in der durch die Fangrinne gebildeten Tasche auch ein Wirbel
des Gasstromes entsteht. Diese Darstellung zeigt jedoch andererseits deutlich, daß
eine Wirbelbildung an dieser Stelle die Wirkung des Abscheiders keinesfalls beeinträchtigt,
weil sich hier die abzuscheidenden
Flüssigkeitstropfen in Form
eines fließfähigen Films F ansammeln, dem der entstehende Gaswirbel entgegenläuft.
Gegebenenfalls im Gaswirbel enthaltene Feststoffpartikel können sich daher nicht
ablagern oder festsetzen, sondern werden mit dem Flüssigkeitsfilm zusammen abgeleitet.
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Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein optimaler Verlauf
der Hauptströmung zweckmäßigerweise dadurch sichergestellt, daß die gegen die Strömungsrichtung
weisende Außenwand der Fangrinne mit der Grenzschicht des an der zugehörigen konkav
gekrümmten Wandfläche umgelenkten Gasstromes fluchtet.
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Durch diese Art der Führung an der verhältnismäßig unkritischen Außenwand
der Strömung wird die Wirkung des Abscheiders aus den bereits vorher erwähnten Gründen
nicht beeinträchtigt.
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- Ansprüche -