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DE2751167A1 - Vorrichtung zur trennung von gas und fluessigkeit - Google Patents

Vorrichtung zur trennung von gas und fluessigkeit

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DE2751167A1
DE2751167A1 DE19772751167 DE2751167A DE2751167A1 DE 2751167 A1 DE2751167 A1 DE 2751167A1 DE 19772751167 DE19772751167 DE 19772751167 DE 2751167 A DE2751167 A DE 2751167A DE 2751167 A1 DE2751167 A1 DE 2751167A1
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plate
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grooves
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Max Edmund Ellion
John Jerome Montich
John Ward Putt
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Raytheon Co
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Hughes Aircraft Co
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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  • Supplying Secondary Fuel Or The Like To Fuel, Air Or Fuel-Air Mixtures (AREA)
  • Gas Separation By Absorption (AREA)

Description

Anmelderin: Stuttgart, 11« November T)77
Hughes Aircraft Company P Centinela Avenue and Teale ütreet
Culver City, Calif., V.öt.A.
Vertreter:
Kohler - Üchwindling - Späth Patentanwälte
Hohentwielijtraße 41 7OOO Stuttgart 1
Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit, insbesondere bei Fehlen von eine Trennung bewirkenden Gravitationskräften, mit einer wenigstens eine enge Öffnung aufweisenden Uiebanordnung, die nur die Flüssigkeit, aufgrund von deren Oberflächenspannung aber nicht das Gas passieren läßt.
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In rotierenden oder beschleunigten Raumfahrzeugen sind die Kräfte vorhanden, die eine Trennung der Flüssigkeit vom Gas oder Dampf in den Treibstofftanks bewirken. Wenn sich jedoch ein nichtrotierender Körper im freien Fall befindet, müssen spezielle Vorrichtungen angewendet werden, welche die Zufuhr der Flüssigkeit zu Verbrauchastellen gestatten, ohne daß dabei das auf die Flüssigkeit wirkende Druckgas aus dem Tank austreten kann. Zu diesem Zweck wurden mechanische Einrichtungen wie Kolben, Blasen und Faltenbälge, Elastomere und metallische Membranen sowie Rollmembranen in Betracht gesogen und geprüft. Alle diese Einrichtungen haben ihre Vor- und Nachteile, jedoch ist ihnen allen gemeinsam, daß die Pa /bleiae, die ihr Gewicht und ihre Zuverlässigkeit aufwerfen, noch weitere Entwicklungen erfordern, tSobald ein bewegliches Teil vorhanden ist, wie es bei den vorstehend aufgeführten Einrichtungen der Fall ist, iat <iie Zuverlässigkeit vermindert»
Infolgedessen sind auf Kapillarwirkung beruhende Vorrichtungen zur Trennung von Gas und Flüssigkeit in Betracht gezogen wordene üo ist es bekannt, zur Ausnutzung der Oberflächenspannung zur Trennung bei Schwerefeldern von weniger als 10 g ein feinmaschiges Netz aus Doppelköper (double dutch twill) zu benutzen» Die Oberflächen-Spannungskräfte, die aus den mikrometrisch kleinen Öffnungen des Netzes oder Gitters resultieren, wurden dazu benutzt, eine Flüssigkeitsverbindung durch das Netz hindurch herzustellen, während der Durchtritt von Gas
ο/.
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durch das Netz verhindert iat· Bei einem Doppelköper ist jeder Schußfaden nacheinander über zwei und unter zwei Kettfäden geführt. Die Schußfäden sind dicht aneinandergerückt und so deformiert· daß die Maschenzahl mehr als doppelt so groß ist wie die Sumrae der Fadenzahl. Die resultierenden Durchlaßöffnungen haben eine dreieckige Gestalt und es sind keine öffnungen sichtbar, außer wenn das Netz unter einem Winkel betrachtet wird. Die Schuß- und Kettfaden haben einen Durchmesser in der Größenordnung von 0,025 hub, während die Poren des fertig gewobenen Netzes eine Größe von etwa 0,010 mm aufweisen. Die mechanische Festigkeit solcher Hetze ist nicht ausreichend, um diese Netze allein anwenden zu können. Die Netze müssen vielmehr unterstützt werden«. Außerdem ist eine sorgfältige Handhabung erforderlich, um ein Biegen und Strecken des Netzes zu verhindern, da ein Offnen der Poren den Differenadruck vermindert, der aufgenommen werden kann. Hinrichtungen, die solche feinen Maschennetze verwenden, sind in einem Aufsatz von S. C. DeBrock et al im "Journal of Spacecraft and Rockets", Vol. 8, Nr. 2, Februar 1971» Seiten 83 bis 98, beschrieben.
Demgemäß besteht ein Bedarf nach einer zuverlässigen Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit, die insbesondere dazu geeignet ist, in Raumfahrzeugen bei sehr geringem, beliebig gerichtetem Schwert ieId eine einwandfreie Trennung eines flüssigen Treibstoffes von einem den Treibstoff unter Druck setzenden Gas zu bewirken. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine solche Vorrichtung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Siebanordnung wenigstens zwei mit je einer Flüche aneinanderliegenden Platten aufweist, von denen die eine in ihrer an der Fläche der anderen Platte anliegenden Fläche mindestens eine gegenüberliegend« Künder der
Platte verbindende Nut aufweist, deren von der Fläche der anderen Platte begrenzter diuerschnitt; die Öffnung der Siebanordnung bildet»
Anders ausgedrückt ist Gegenstand der i-irt'induni, eine Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit, die eine Platte mit einer Aussparung· und eine Deckplatte
umfaßt, um einen engen Kanal zu schaffen, dessen Größe so bemessen ist, daß sie einen kontinuierlichen, gnsfreien Flüssigkeitsstrom zuläßt, auch wenn die Quelle des Stromes eine zweiphasige Flüsaigkei Uj-Dampf-Uiachung ist.
Die erfindungsgemüße Vorrichtung ist zuverlässig und
verursacht nicht die Schwierigkeiten bei ihrer* Behandlung wie die bekannte Vorrichtung mit gewobenem Hetz. Die Erfindung beruht auf der Wirkung der Oberflächenspannung als Trennkraft beim Durchtritt der Flüssigkeit durch enge Kanäle. Von besonderem Vorteil ist, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung bei der Herstellung sehr viel besser reproduzierbar ist als die bekannten feinmaschigen Netze» Bei einer besonders bevorzugten Ausführungaform werden die Kanäle für die Flüssigkeit durch das Ätzen von Nuten in die Oberflächen von Platten hergestellt, die dann zu Plat i;ensätzen gestapelt werden,
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so daß die Vorrichtung eine Vielzahl von Kunälen mit gleichem Querschnitt und gleicher Länge aufweist, deren Oberflächenqualität genau eingehalten werden kann, so daß die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr viel besser vorherbestimmbar sind als es bei den bekannten Netzen der Pail ist·
Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert« Die der Beschreibung und der Zeichnung zu entnehmenden Merkmale können bei anderen Ausführungsformen der Erfindung einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination Anwendung finden» Es zeigen
Fig. 1 die perspektivische, teilweise abgebrochene Darstellung eines Raumflugkörpers, welche die Einrichtungen zur Lagesteuerung des Raumflugkörpers veranschaulicht,
Fig, 2 eine schematische Darstellung der Einrichtung zur Lagesteuerung des Raumflugkörpers nach Fig. 1,
Fig. 3 einen Querschnitt durch den Treibmitteltank, der die Einrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit für das Treibmittel enthält,
Fig. 4 teilweise in Seitenansicht und teilweise im Längsschnitt ein Trennelement der Vorrichtung nach Fig. in vergrößertem Maßstab,
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Figo 5 einen Schnitt längs der Linie Lj--j durch das Element nach Fig. 4· in nochmals vergrößertem Maßstab und
Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie b-ö durch die Anordnung nach Fig. 5 in nochmals vergrößertem Maßstab.
Fig. 1 veranschaulicht einen Raumflugkörper 10 in Form eines Nachrichten-Satelliten, der externe Tafeln mit Sonnenzellen aufweist und die zum Empfang und V/iederabstrahlen von Radiowellen erforderlichen elektronischen Einrichtungen und Antennen aufweist. Der dargestellte Raumflugkörper ist bezüglich seiner drei Hauptachsen stabilisiert und befindet sich auf einer Umlaufbahn, auf der er die Bewegung des freien Falles ausführt. Die Orientierung bezüglich seiner drei tmuptuchsen erfolgt durch selektives Feuern von Lagedüsen, von denen zwei Sätze 12 und 14 dargestellt sind. Ls ist eine ausreichend große Anzahl von Lagedüsen in einer solchen Ausrichtung vorgesehen, daß dem Raumflugkörper bei Bedarf eine Lugekorrektur um jede seiner drei Achsen erteilt werden kann.
Das schematische Diagramm nach Fig. 2 zeigt einen Treibmittel-Tank 16, der eine Entlüftung^leitung 18 aufweist,, durch die liindurch Gas aus dem Tank entweichen kann und die es ermöglicht, den gefüllten Tank unter Druck zu setzen» Eine Fülleitung 20 ist mit einem geeigneten Füll-.ventil versehen, welches es ermöglicht, ein System von
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Verteilungsrohren zu füllen und dadurch dem Tank zum Füllen Flüssigkeit zuzuführen. Während des Füllens entweichen Dämpfe aus dem Tank durch die Entlüftungsleitung 18, die auch als Einlaß für ein Druckgas dient, nachdem der Tank vollständig gefüllt und entlüftet worden ist. Die Entlüftungsleitung 18 ist zu ihrer Befeutigunt·; mechanisch mit einem Verteiler 4-0 verbunden, dient jedoch nur zur Entlüftung des Tankes 16 und steht nicht mit dem Inneren der Verteilungsrohre in Verbindung«,
Die Fülleitung dient auch dazu, Flüsuigkeit durch Treibmittel-Leitungen 24 und 26 sowie titeuorventile 2ö und $0 den Lagedüsen 12 und 14 zuzuführen.
Fig. 3 ist ein üchnitt durch den Tank 16, der die Verteilungsrohre für das flüssige Treibmittel veranschaulicht. In diesem Fall sind vier bogenförmige Verteilungarohre 32, 34, 36 und 38 dargestellt. Diese Verteilungsrohre sind im Scheitelpunkt des üystems durch den Verteiler miteinander verbunden, der mechanisch von der daran angebrachten Entlüftungsleitung getragen wird. Die Verteilungsrohre sind so gebogen, daß sie der Innenseite der Wand des Tankes 16 dicht benachbart sind. Aa ihrem Auslaßende sind die Verteilungsrohre an das Gehäuse 42 einer Blasenfalle 44 angeschlossen. Dabei münden die Verteilungsrohre nahe dem Boden des Gehäuses. Die Blasenfalle ist in dem Tank eingeschlossen und weist als Auslaß die Fülleitung 20 auf.
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In jedem Verteilungsrohr sind ein oder Mehrere Vorrichtungen zur Trennung von Gas und Flüssigkeit ungeordnet. Das Verteilungsrohr 32 enthält vier solcher Vorrichtungen 46, 48, 50 und 52« Die anderen Verteilungsrohre enthalten die gleiche Anzahl solcher Vorrichtungen, obwohl sie an anderen Stellen längs dieser Verteilungsrohre angeordnet sein können. Fig« 4 veranschaulicht die zur Trennung von Gas und Flüssigkeit dienende Vorrichtung 48 im einzelnen*
Wie aus Fig. 4 ersichtlich, weist die Vorrichtung 48 einen Kern 5^- auf, der im wesentlichen die i-orm eines zylindrischen Rohres hat. An den unden des Kernes 54 sind Aussparungen 58 und 60 vorhanden, in welche die Rohre hineinpassen, welche die die Vorrichtungen verbindenden Abschnitte der Verteilungsrohre bilden» Die Verbindung zwischen dem Kern und den Hohrabschnitten kann beispielsweise durch Schweißen erfolgen» An einem Ende des Kernes ist eine Schulter 6<? angebracht, die sich außerhalb eines mit Perforationen versehenen Abschnittes des Kernes befindet.
Auf den Kern ist eine Anzahl Scheiben oder Platten 64 aufgesteckt, von denen die äußerste an der Schulter anliegt. Durch einen auf den Kern 54 aufgeschobenen Ring 66 wird der Stapel der Platten 64 zusammengepreßt. Wenn der gewünschte Druck erreicht isb, wird der Ring auf dem Kern durch Schweißen oder Klemmen befestigt. Danach sind die Platten 64 auf dem Kern mit dem gewünschten Axialdruck sicher gehalten.
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Wie Fig. 5 veranschaulicht, handelt ea sich bei den Platten 64- um kreisförmige Scheiben, die eine ringförmige Innenfläche 68 und eine ringförmige Außenfläche 70 aufweisen, die beide zur gleichen Achse konzentrisch angeordnet sind«, Die Platten sind ferner durch senkrecht zur Achse stehende, ebene Stirnflächen begrenzt. Eine dieser Stirnflächen ist glatt, während die andere radiale Nuten 72 aufweist, die in Pig. 6 vergrößert dargestellt sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben die Nuten in Radialrichtung zwischen den ringförmigen Innen- und Außenflächen eine Länge von 1,25 v^* an der ringförmigen Außenfläche in Umfangsrichtunß eine Breite von 0,5 mm und in Axialrichtung eine Tiefe von 0,01 mm.
Am Umfang der Platten 64 angebrachte Ohren 76 und 76* erlauben eine Ausrichtung der einzelnen Platten bezüglich ihrer Winkellage um ihre gemeinsame Achse in solcher Weise, daß die zwischen den Nuten vorhandenen Stege im Stapel übereinanderstehen und die Platten den beim Zusammenpressen des Stapels ausgeübten Druck aufnehmen können, ohne daß sich die Platten verziehen. Der Durchmesser der Innenfläche 78 ist ausreichend größer als der Außendurchmesser des Kernes 5^, daß ein die Nuten zwischen benachbarten Platten durchströmendes Medium sich an der Außenseite des Kernes sammeln und von dort durch die Perforationen in das Innere des Kernes gelangen kann.
Die von den Nuten gebildeten Kanäle bilden eine Struktur, die bewirkt, daß Druckdifferenzen, die ausgeübt werden,
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um Flüssigkeit von der sich im Tank befindenden Flüssij-;-keits-Dampf-Mischung in das System der Verteilungsrohre zu drücken, nur Flüssigkeit durch diese Kanäle fordert, während ein Durchtritt von Gas durch die Wirkung der Oberflächenspannung an allen Gas-Flüssi^keits-Grenzflächen innerhalb der Kanäle verhindert wi.rde Wenn also die Verteilungsrohre mit Flüssigkeit gtU'iilit und von Gas oder Dampf frei sind, nehmen sie nur noch Flüssigkeit aus dem Tank auf. Die Länge der Kanäle iut in Verbindung mit ihrer Tiefe eine Funktion der Vibrationen, denen die Anordnung ausgesetzt werden kann, ohneJdaß ein Gasdurchbruch stattfindet. Durch richtige Wahl der Abmessungen der Kanäle kann daher gewährleistet werden, daß bei den herrschenden Betriebsbedingungen den Verteilungsrohren ausschließlich Flüssigkeit zugeführt wird.
Bei der beschriebenen Anordnung wird der Blusenfalle *tA blasenfreie Flüssigkeit zugeführt» Die blasenfalle 44- ist als sekundäre Bicherheits-Trennvorrichtung vorgesehen, die unter normalen Arbeitsbedingungen keine Dampf- oder Gasbläschen empfängt. Sie ist normalerweise voller Flüssigkeit und wird beim ersten Füllen des Tankeu mitgefüjlt und von Gas befreit. Der zusammen mit der Flüssigkeit vorliegende Dampf kann der Dampf der gleichen Flüssigkeit, aber auch ein anderes Gas sein, das zur Druckerzeugung, Unterdrückung einer Dampfbildung, zur Steuerung der Entflammbarkeit oder dgl. dient.
Der Separator HO besteht ebenfalls aus einem Kern mit einer Schulter und einem King und einem zwischen Schulter
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und Hing eingespannten Scheiben- oder Plattenstapel, Die gestapelten Platten sind ebenso ausgebildet wie die Platten 64, so daß durch ihre Kanäle nur Flüssigkeit vom Äußeren zum Inneren des Separators 80 gelangen kann. Die Fülleitung 20 ist an das Innere dea Separators angeschlossen, so daß eine zweite Trennung stattfindet, wenn sie benötigt wird.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel macht verständlich, daß eine nach der Erfindung hergestellte Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit mit gut reproduzierbaren -Eigenschaften hergestellt werden kann. Das feine Gitternetz, das nach dem Stand der Technik verwendet wird, ist der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt, die durch eine prüfende Betrachtung oder Sichtprüfung nur schwer festzustellen sind. Die Schaden bestehen in einer Vergrößerung der Poren infolge der Herstellungs- und Handhabungs-Vorgänge. Da der Trenndruck durch die größten Poren bestimmt wird, muß sehr große Sorgfalt aufgewendet werden, um eine betriebsfähige Vorrichtung zu erhalten. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Nuten oder Kanäle durch einen chemischen Ätzvorgang hergestellt und daher sehr viel gleichförmiger gestaltet werden. Weiterhin werden kritische Größen, wie Oberilächengüte und Kanalquerschnitt mit engen Toleranzen eingehalten. Infolgedessen sind die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtung besser vorhersagbar· Weiterhin kann die erfindungßgemäße Vorrichtung frei von Verunreinigungen montiert und auch leichter gereinigt werden, wenn sie je verunreinigt werden sollte. Da die zur Trennung von Gas
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und Flüssigkeit dienenden, im Querschnitt rechteckigen Kanäle von zwei Bauteilen begrenzt werden, ist es möglich, diese Bauteile vor der Montage getrennt auf die bestmögliche Weise zu reinigen. Während der Herstellung der V\ ,"richtung ist eine weitere Behandlung der einander gegenüberstehenden Flächen nicht erforderlich. Im Gegensatz dazu werden bei feinen Maschen- oder Gitternetzen Verunreinigungen zwischen den Lagen der in der Webstruktur enthaltenen Fäden oder Drähte gefangen»
Nach der Montage ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit mechanisch stabiler und infolgedessen während der weiteren Behandlung, der"~Prüfung und des Betriebes weniger der Gefahr von Beschädigungen ausgesetzt» Weiterhin kann die erfindungogemäße Vorrichtung aus dem gleichen Material hergestellt werden wie der Tank. Die bekannten feinmaschigen Netze sind auf Materialien beschränkt, die verwebt werden können. Das einzige feinmaschige Netz, das zur Verfügung üteht und einen ausreichend hohen Differenzdruck liefert, ist aus rostfreien Stahldrähten gewebt. Daher muß der Tank aus rostfreiem Stahl bestehen, wenn die Herstellung mechanischer Verbindungen erleichtert und eine galvanische Korrosion vermieden werden soll. Dagegen kann die erfindungngemäße Vorrichtung aus Titanium bestehen, wodurch bezüglich des Treibmittel-Tankes und der erfindungsgemäßen Voi"richtung Gewichtseinsparungen möglich sind» Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in der Lage, die Flüssigkeit in den Verteilungsrohren auch dann zu halten, wenn Belastungen durch
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starke Vibrationen auftreten, die größer aind als sie bei Anwendung der bekannten gewobenen Hetze zuläü3ig waren und wie sie beispielsweise beim Einschießen des Satelliten in die Umlaufbahn auftreten.
Die Erfindung wurde vorstehend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, l£s versteht sich, daß die Erfindung nicht auf dieses Ausführung.sbtiiapiel beschränkt ist, sondern auch in Form viele anderer, abgewandelter i*.usführungsbeiapiele verwirklicht werden kann, die von den Merkmalen der folgenden Ansprüche Clubrauch iaachen.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    r\ Λ Vorrichtung zur Trennung \ron Gas und Flüssigkeit, insbesondere bei Fehlen von eine Trennung bewirkenden Gravitationskräften, mit einer wenigstens eine enge Öffnung aufweisenden Siebanordnung, die nur die Flüssigkeit, aufgrund von deren Oberflächenspannung aber nicht das Gas passieren läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Siebanordnung wenigstens zwei mit Je einer Fläche aneinanderliegende Platten (64) aufweist, von denen die eine in ihrer an der Fläche der anderen Platte anliegenden Fläche mindestens eine gegenüberliegende Ränder der Platte verbindende Nut (72) aufweist, deren von der Fläche der anderen Platte begrenzter Querschnitt die Öffnung der Siebanordnung bildet.
    2· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ^kennzeichnet, daß die aneinanderliegenden Flächen der beiden Platten (64) im wesentlichen eben ausgebildet sind.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Platte (64) in ihrer an der anderen Platte anliegenden Fläche eino Vielzahl von nebeneinander angeordneten Nuten (72) aufweist, von denen jede eine öffnung der Siebanordnung bildet.
    4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (64) mit geätzten Nuten (72) versehen sind.
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    ORIGINAL INSPECTED
    Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An dadurch gekennzeichnet, daß die Händer der einen Platte die Form konzentrisch zueinander angeordneter Kreisringe haben und eine innere bzw. äußere, zu einer gemeinsamen Achse konzentrische Uingfläche definieren und die Flächen der Platten (64) zu der gemeinsamen Achse senkrecht stehen,
    Vorrichtung nach Anspruch b, dadurch gekennzeichnet,, daß längs der Achse eine Vielzahl von Platten (64) nebeneinander angeordnet ist und jede Platte eine glatte und eine mit Nuten (72) versehene ütirnfLaoh*.· aufweist, die jeweils an der glatten stirnfläche der benachbarten Platte anliegt.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (64) auf einem perforierten Hohr (Kern 54) angeordnet sind»
    8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, jeweils aus einem perforierten Hohr unii darauf angeordneten Platten (64) bestehende Baueinheiten (46, 48, 5O1 52) zu einem üammelrohr (32) vereinigt sind, das sich in einem Flüssigkeitsbehälter (16) befindet und zum Abfahren von Flüssigkeit aus dem Behälter eingerichtet ist.
    9· Vorrichtung nach Anspruch B, dadurch gekennzeichnet, daß die Baueinheiten (46, 4«, ^O, ^?) aus dem gleichen Material bestehen wie der Flüssigkeitsbehälter (16).
    809823/OSO?
DE2751167A 1976-12-06 1977-11-16 Vorrichtung zur Trennung von Gas und Flüssigkeit Expired DE2751167C3 (de)

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DE2751167B2 DE2751167B2 (de) 1978-12-14
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