DE2738649A1 - Vorrichtung fuer filtereinrichtungen zur abscheidung feinster magnetisierbarer teilchen - Google Patents

Description

• Vorrichtung für Filtereinrichtungen zur Abscheidung feinster
• magnetisierbarer Teilchen.
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung fur Filtereinrichtungen zur Abscheidung feinster magnetisierbarer Teilchen bis zu Teilchengrößen unter 1 µm aus einem gasförmigen oder flüssigen Medium. das in ein von einem Magnetfeld durchsetztes Arbeitsvolumen eingebracht ist.
• Bei magnetischen Filtereinrichtung wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, daß in einen geeigneten Magnetfeld ein magnetisierbares Teilchen eine Kraft erfährt, die es gegen weitere en ihm angreifende Kräfte wie beispielsweise die Schwerkraft oder die in einem flüssigen Medium an ihm angreifenden hydrodynamischen Reibungskräfte bewegt bzw. festhält. Entsprechende Abscheideverfahren können beispielsweise für Dampf- oder Kühlwasserkreisläufe in konventionellen wie auch nuklearen Kraftwerken verwendet werden. In dem flüssigen oder gasförmigen Medium dieser kreisläufe sind nämlich feinste Teilchen suspendiert, die ii allgemeinen durch Korrosion ntstanden sind. Diese Teilchen sind ferromagnetisch wie beispielsweise Magnetit (Fe3O4), teils antiferromagnetisch wie zum Beispiel Hämatit (α-Fe2O3) oder paramagnetisch wie Kupferoxid (C@O). Die Magnetisierbarkeit dieser Teilchen, die darüber hinaus in verschiedener Teilchengröße auftreten, ist somit verschieden stark.
• Größe und/oder stark magnetische, d.h. ferromagnetische Teilchen können beispielsweise mit magnetischen Kugelfiltern abgeschieden werden. Eine entsprechende Filtereinrichtung ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 277 488 bekannt und enthalt einen zylinderförmigen Filterbehälter, der mit Weicheisenkugeln gefüllt ist, die in einem von einer den Filterbehälter umgebenden elektrischen Spule erzeugten magnetischen Gleichfeld angeordnet sind. Durch dieses Magnetfeld erhält an in Verbindung nit den Kugeln ausreichend hohe Feldstärkegradienten, um die in einer den Filter durchfließenden Fltissigkeit nittransportierten ferromagnetischen Teilchen an den magnetischen Polen der Kugeln antzlagern. FUr eine Reinigung dieses Filters können die kugeln abmagnetisiert werden.
• Feinste ferropmagnetische Teilchen nit einen Durchmesser in der Größenordnung von 1 /ua oder auch schwach magnetische, d.h.
• antiferro- bzw. paramagnetische Teilchen sind jedoch nit dieser bekannten Vorrichtung kaun abscheidbar, da die an den Weicheisenkugeln hervorgerufenen Magnetfeldgradienten hierfür zu gering sind. Der Abscheidegrad dieser Filtervorrichtung ist also fur diese Teilchenarten zu klein. Unter den Abscheidegrad versteht an dabei die Differenz 1-p, bei der die Durchlässigkeit der Filterstruktur nit p bezeichnet wird. Diese Durchlässigkeit ist als das Verhältnis der Konzentration an noch vorhandenen Schwebe stoffen in den Medium nach Passieren der Filterstruktur zu der entsprechenden Konzentration vor Eintritt in die Filterstruktur definiert.
• Eine Filtereinrichtung zur Äbscheidung solcher kleinsten ferromagnetischen oder auch paramagnetischen Teilchen ist aus der US-Patentschrift 3 567 026 bekannt. Diese Filtereinrichtung enthält eine Filterstruktur mit ferromagnetischer, nichtkorrodierender Stahlwolle, die in einem starken magnetischen Gleichfeld angeordnet ist, dessen magnetische Flußdichte in dem Filtervolumen mindestens 1,2 Tesla beträgt. Um mit einem solchen Magnetfilter der sogenannten Hochgradienten-Magnettrenntechnik einen vrhältnismäßig hohen Abscheidegrad zu er- reichen, Bussen die Drähte der Welle einerseits sehr dtlnn sein.
• Die an ihren Oberflächen hervorgerufenen Magnetfeldgradienten sind dann nämlich entsprechend groß. Andererseits Bussen aber auch die mischen den Drähten ausgebildeten Strömungskanäle ausreichend groß bemessen sein, uM ao Verstopfungen nit abge schiedenen Material zu vermeiden und den Strömungswiderstand des Filters und somit den durch es hervorgerufenen Druckabfall nicht zu groß werden zu lassen. Eine Stahlwolle für dieses Magnetfilter, die diesen Forderungen genügt, ist jedoch verhältnismäßig schwierig herzustellen. Außerdem ist mit diesem bekannten Magnetfilter ein verhältnismäßig hoher Abscheidegrad nur nit einen entsprechend großen Filtervolumen zu erreichen.
• Die Magnetspulen zur Erzeugung der erforderlichen hohen Magnetfelder Bussen dementsprechend groß bemessen sein. Bei der bekannten Filtereinrichtung können deshalb in allgemeinen nur supraleitende Magnete verwendet werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Filtereinrichtungen zur Abscheidung kleinster ferromagnetischer oder schwach magnetisierbarer Teilchen nit einer Teilchengröße bis unter 1 /un dahingehend zu verbessern, daß ihr Abscheidegrad weiter erhöht ist, ohne daß eine entsprechende Erhöhung der Magnetfeldgradienten der bekannten Filtereinrichtungen erforderlich wird.
• Diese Aufgabe wird fUr eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Arbeitsvolumen in einen manetischen Drehfeld angeordnet ist.
• Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß ich bowegliche, magnetisierbare Teilchen in einem Magnefeld gegenseitig anziehen und sich kettenartig in Richtung des magnetischen Feldes anordnen. Dabei können die so zusammengesetzten Ketten das Vielfache der ursprünglichen Teilchengröße annehmen. Bringt an z B. eine 04- Wassersuspension nit kleinsten magnetischen Teilchen, deren Größe einige µm oder weniger beträgt, in ein magnetisches Gleichfeld, so bilden sich unzählige feinste laden von ca. 50 bis 100 /Un Länge aus, die langsam in Feldrichtung triften. Ist nun gemäßn der Erfindung statt des Gleichfeldes ein magnetisches Drehfeld vorgesehen, dann rotieren diese feinen Fäden mit der Drehfeldfrequenz und bilden durch Zusammenfügen von mehreren laden und Teilchen aus der niheren Umgebung kompakte, längliche Gebilde itt Durchmessern, die ein Vielfaches der ursprünglichen Zeilchengröße ausmachen. Diese um ihren Schwerpunkt rotierenden Gebilde wandern nur sehr langsam durch das von den Drehfeld durchsetzte Arbeitsvolumen aufgrund zufälliger Zusammenstöße.
• Bei der rotierenden Bewegung werden praktisch alle sich in der näheren Umgebung dieser Gebilde befindenden kleinsten magnetisierbaren Teilchen eingefangen und zu einen einzigen Gebilde angelagert.
• Die magnetische Feldstärke des Drehfeldes in den Arbeitsvolumen kann dabei verhältnismäßig gering sein und beispielsweise in der Größenordnung von 0,1 Tesla liegen. Das Drehfeld kann deshalb mit einer Magneteinrichtung, die der Ständerwicklung eines Drehstrommotors entspricht L, erzeugt werden.
• Die Vorteile der Vorrichtung nach der Erfindung bestehen also insbesondere darin, daß die in den verhältnismäßig schwachen Drehfeld aus einzelnen Teilchen entstandenen, verhältnismäßig großen magnetischen Gebilde nun itt einer bekannten Filtereinrichtung Bit entsprechend größeren Abscheidegrad herausgefiltert werden können. Eine solche Filtereinrichtung kann beispielsweise dem Arbeitsvolumen nachgeordnet sein.
• Vorteilhaft kann aber auch in dem Arbeitsvolumen selbst eine Filterstruktur der Filtereinrichtung angeordnet werden. Als Filterstruktur kann eine von Magnetfiltern der Hochgradienten-Magnettrenntechnik bekannte Struktur vorgesehen sein. Die Vorteile einer solchen Anordnung bestehen insbesondere darin, daß für eine Abscheidung von kleinsten magnetisierbaren Teilchen Bit hohen Abscheidegrad in Gegensatz zu den bekannten Filtern nur vergleichsweise kleine magnetische Feldstärken und/oder Filterstrukturen aus der ursprünglichen Teilchengröße nicht angepaßten, d.h. verhältnismäßig dicken Drähten erforderlich sind. Außerdem ist in Gegensatz zu den bekannten Filtereinrichtungen mit Gleichfeldmagneten eine besonders Entmagnetisierung der Filterstruktur zu ihrer Reinigung nicht notwendig.
• Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteranspruches gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die schematische Darstellung der Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 eine Vorrichtung nach der Erfindung angedeutet ist. Fig. 2 zeigt eine weitere solche Vorrichtung mit einem besonders gestalteten Arbeitsvolumen. In den Fig. 3 und 4 sind zwei verschiedene Anwendungsmöglichkeiten der Vorrichtung nach der Erfindung angedeutet.
• Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird in allgemeinen so angeordnet, daß ihr in der Figur dargestellter Querschnitt in einer horizontalen Ebene liegt. Die Vorrichtung enthält einen ständer 2 einer Drehfeldmaschine, der aus einem zylinderförmigen Blechpaket 3 besteht, in den eine zentrale Bohrung 4 vorgesehen ist. An der Innenseite dieses in Querschnitt somit ringförmig ausgebildeten Blechpaketes ist eine vorbestimmte Anzahl von Nuten 5 vorgesehen, in die eine Drehstromwicklung 6 eingelegt ist. Durch die Bohrung 4 ist ein rohrförmiger Körper 8 aus nicht-magnetischem Material gesteckt, dessen von der Wicklung umgebener Innenraum ein Arbeitsvolumen 9 darstellt. Vird nun die in Ständer angeordnete Wicklung 6 Bit Drehstrom gespeist, dann ruft diese in den zentralen Arbeitsvolumen 9 ein Drehfeld # hervor, dessen Feldlinien in der Figur durch drei gepfeilts, gestrichelte Linien angedeutet ist. dieses Drehfeld läuft mit einer Winkelgeschwindigkeit # um eine zentrale Achse 10 der Vorrichtung um und ist in wesentlichen radial bezüglich dieser Achse gerichtet. Dabei gilt für die Winkelgeschwindigkeit # = 2# . f/p wobei f die Frequenz des Drehstromes und p die Polpaarzahl der Ständerwicklung 6 ist.
• In das zylindrische Arbeitsvolumen 9 wird ein gasförmiges oder flüssiges Medium eingeleitet, in dem feinste magnetsierbare Teilchen suspendiert sind. Solche Teilchen sind beispielsweise Magnetit-Teilchen mit Teilchengrößen bis 1 µm oder auch kleinste Hämatit- oder CuO-Teilchen. Das von der Ständerwicklung 6 hervorgerufene rotierende Magnetfeld #, dessen magnetische Induktion in dem Arbeitsvolumen 9 beispielsweise nur etwa 0,1 Tesla beträgt, durchdringt die Suspension Uber die ganze axiale Länge der Ständerwicklung. Dabei entstehen unzählige und gleichaäßig über das ganze Arbeitsvolumen 9 verteilte Gebilde aus diesen magnetisierbaren Teilchen. In der Figur sind nur einige dieser Gebilde, die beispielsweise das Hundertfache der Größe der einzelnen Teilchen haben können, vergrößert angedeutet und mit 12 bezeichnet. Diese Gebilde rotieren in dem Drehfeld # um ihren Schwerpunkt. Aufgrund dieser Rotation wird die nähere Ungebung eines solches Gebildes weitgehend von den feinsten Teilchen gesäubert. Durch zufälliges Zusanenstoßen wandern die Gebilde 12 nur langsam durch das Arbeitsvolumen 9.
• In Fig 2 ist eine der Vorrichtung nach Fig. 1 im wesentlichen entsprechende Vorrichtung als Querschnitt nur teilweise ausgeführt. In ihrem hohlzylinderförmigen Arbeitsvolumen ist jedoch konzentrisch zu der Achse 10 der Vorrichtung ein Zylinder 14 aus eines magnetischen Material eingesetzt. Bs entsteht so ein von dem Drehfeld # durchsetztes Arbeitsvolumen 15 mit im Querschnitt ringförmiger Gestalt. Äuf diese Weise kann ian eine gegenüber der Vorrichtung gemäß Fig. 1 höhere magnetische Induktion in dem Arbeitsvolumen 15 und damit eine weitere Vergrößerung der Gebilde aus den einzelnen Teilchen erreichen.
• Bei den Vorrichtungen nach den Figuren 1 und 2 ist es möglich, die in ihnen entstandenen, verhältnismäßig größen magnetisierbaren Gebilde 12 nach des Abschalten des Drehfeldes durch Sedimentation abzuscheiden. Däruber hinaus kann sich an eine Vorrichtung nach der erfindung aber auch eine bekannte Filtereinrichtung anschließen , mit der diese Teilchengebilde aus dem Medium herausgefiltert werden. Eine entsprechende Anordnung ist in Fig. 3 schematisch als Längsschnitt angedeutet. Die mit 11 bezeichnete Vorrichtung, die beispielsweise der Vorrichtung nach Fig. 1 entspricht, enthält ein Arbeitsvolumen 9, in das ein Medium M lit den abzuscheidenden Teilchen über eine Rohrleitung 18 eingeleitet wird. Die Teilchen sind dabei durch einzelne Punkte angedeutet, und die Strömungsrichtung des Mediums ist durch einen Pfeil veranschaulicht.
• Da das Arbeitsvolumen 9 von einem durch eine Drehfeldwicklung 6 hervorgerufenen Drehfeld durchsetzt ist, lagern sich in ihn die in dos Medium M suspendierten Teilchen zu größeren magnetisierbaren Gebilden an. Diese magnetisierbaren Teilchengebilde sind dabei in der Figur durch einzelne, in Vergleich zu den in dem Medium M suspendierten Teilchen vergrößerte Punkte veranschaulicht, während das diese Teilchengebilde lit sich fuhrende, aus dei Arbeitsvolumen wieder austretende Medium mit M' bezeichnet ist. Bs wird in eine sich an die Vorrichtung 17 anschließende, an sich bekannte Filtercinrichtung 20 eingeleitet. Diese Filtereinrichtung ist beispielsweise ein Filter der sogenannten Hochgradienten-Magnettrenntechnik, das in allgeneinen eine Filterstruktur 21 enthält, die aus feinen Drähten aus ferromagnetischem Material aufgebaut ist. Die Filterstruktur befindet sich dabei innerhalb eines starken magnetischen Gleichfeldes, das von einer Magnetwicklung 22 hervorgerufen wird, welche die Filterstruktur konzentrisch umgibt. Statt eines solchen Filters 20 itt einer Filterstruktur 21 können jedoch auch strukturlose magnetische Gleichfeld-Filter zur Entfernung der verhältnismäßig größen magnetisierbaren Gebilde vorgesehen werden.
• Neben dieser in Fig. 3 gezeigten Anordnungsmöglichkeit einer Vorrichtung nach der Erfindung,bei der eine Filtereinrichtung nachzuordnen ist, kann man auch diese Vorrichtung direkt mit einer Filtereinrichtung kombinieren. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 4 als Längsschnitt angedeutet. Die mit 24 bezeichnete Vorrichtung enthält in ihrem Arbeitsvolumen 25 eine Filterstruktur 26, die aus feinen Drähten aus ferromagnetischem Material aufgebaut ist.
• Entsprechende Filterstrukturen bestehen beispielsweise aus einer Stahlwolle oder enthalten eine Vielzahl von einzelnen, in FluBrichtung des Mediums M hintereinander angeordnete Netze. Um das arbeitsvolumen 25 ist konzentrisch eine Drehfeldwicklung 6 angeordnet. Mit dieser, mit einen Filter kombinierten Vorrichtung nach der Erfindung werden also die in den Medium M suspendierten Teilchen nicht nur zu drößeren magnetisierbaren Teilchengenbilden zusammengefaßt, sondern diese Teilchenbilde können zugleich auf magnetischem Wege aus dem Medium herausgefiltert werden.
• Gegebenenfalls kann bei dieser Anordnungsmöglichkeit der Vorrichtungen nach der Erfindung, in deren Arbeitsvolumen sich eine feststehende,ferromagnetische Filterstruktur befindet, außer der in Fig. 4 angedeuteten Drehfeldwicklung 6 zusätzlich noch eine Gleichfeld-Magneteinrichtung vorgesehen sein, Bit deren Hilfe in der Filterstruktur große Magnetfeldgradienten erzeugt werden. Ei ne entsprechende zusätzliche Magneteinheit 28, die in der Figur gestrichelt angedeutet ist, kann beispielsweise die Drehfeldwicklung 6 konzentrisch umgeben. Es ist jedoch auch möglich, um das Arbeitsvolumen 25 Bit der Filterstruktur 26 zunächst die Gleichfeldwicklung 28 anzuordnen und um diese Wicklung außen die Drehfelrwicklung 6 anzubringen. Den Gleichfeld dieser Magneteinrichtung ist somit das Drehfeld der Drehfeldwicklung überlagert. Mit einer solchen Vorrichtung können insbesondere sehr schwach magnetisierbare Teilchen mit hohem Abscheidegrad aus einen Medium noch herausgefiltert werden.
• Den Ausführungsbeispielen gesäß den Fig. 1 bis 4 ist ein von der Ständerwicklung eines Drehstrimmotors Drehfeld zugrundegelegt. lin für die Vorrichtung gemäß der Erfindung geeignetes Drehfeld kann jedoch auch durch um das Arbeitsvolumen sich drehende Dauermagnete oder auch entsprechende gleichstromgespeiste Magnetspulen hervorgerufen werden.
• Ferner ist bei den Ausführungsbeispielen angenommen, daß das die abzuscheidenden Teilchen enthaltende Medium durch das Arbeitsvolumen kontinuierlich mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit hindurchgeleitet wird. Es ist jedoch ebensogut ein intermittierender Betrieb der Vorrichtung möglich. Dabei wird das Medium eine vorbestimmte Zeit lang in dem Arbeitsvolumen, das beispielsweise durch ein nach unten geschlossenes Gefäß gebildet wird, belassen und dann wieder abgeführt. Daran anschließend kann eine neue, durch das Arbeitsvolumen festgelegte Menge des Mediums in das Arbeitsvolumen eingeleitet werden. Mit entsprechenden Vorrichtungen, die zugleich mit einer Filterstruktur versehen sind, können beispielsweise kleine Mengen von Suspensionen, wie sie z.B. bei Blutuntersuchungen in labors anfallen, durch Trennung in magnetisierbare und nicht magnetisierbare Teilchen Bit einfachen Geräten ohne Durchfluß untersucht werden.
• Auch kann aufgrund der Anlagerung von einzelnen Teilchen zu größeren Teilchengebilden in dem Drehfeld die magnetische Verunreinigung eines vorbestimmten Volumens oder Durchflusses soweit konzentriert werden, daß eine Suszeptibilitätsmessung möglich ist. Damit lassen sich Verunreinigungen z.fl. in Kraftwerkswäs sern kontinuierlich überwachen.
• 10 Patentansprüche 4 Figuren L e e r s e i t e

Claims (10)

Patentanspruch.

1. Vorrichtung für Filtereinrichtungen zur Abscheidung feinster magnetisierbarer Teilchen bis zu Teilchengrößen unter 1µm aus einem gasförmigen oder flüssigen Medium, das in ein von einem Magnetfeld durchsetztes Arbeitsvolumen eingebracht ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Arbeitsvolumen (9, 15, 25) in einem magnetischen Drehfeld (#) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Arbeitsvolumen (9, 15, 25) in form eines Zylinders, das an seiner Mantelfläche von einer Magneteinrichtung zur Erzeugung eines zumindest annähernd radial bezüglich der Achse (10) des Zylinders gerichteten, ul diese Achse rotierenden Drehfeldes (#) umgeben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das zur Erzeugung des Drehfeldes (#) eine Matneteinrichtung vorgesehen ist, die der Ständerwicklung (6) eines Drehstromrotors entspricht (Fig. 1).

4. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsvolumen (9) die Filtereinrichtung (20) nachgeordnet ist (Fig. 3).

5. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbitsvolumen (25) eine Filterstruktur (26) der Filtereinrichtung angeordnet ist (Fig. 4).

6. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbeitsvolumen (9, 15, 25) mindestens ein Körper aus ferromagnetischen Material angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Arbeitsvolumen (15) ein ferromagnetischer Zylinder (14) längs der Drehachse (10) des Magnetfeldes ( # ) angeordnet ist (Fig. 2).

8. Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium (X) mit den in ihn suspendierten Teilchen kontinuierlich das Arbeitsvolumen (9, 15, 25) mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit durchfließt.

9. Verfahren zu Betrieb der Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium nit den in ihn suspendierten Teilchen eine vorbestimmte Zeit lang in den Arbeitsvolumen (9, 15) gehalten wird und daran anschließend aus den Arbeitsvolumen abgeleitet wird.

10. Verwendung der Vorrichtung nach einen der Anspruche 1 bis 7 für Filtereinrichtungen der Hochgradienten-Magnettrenntechnik.