Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur fliehkraftbedingten Abscheidung von Partikeln aus einem Gasstrom, mit einem einen Einströmkanal für das Rohgas aufweisenden Gaseinlass und einem einen Ausströmkanal für das partikelfreie Reingas aufweisen Gasauslass, einer bezüglich einer Drehachse rotierbaren, drehangetriebenen Welle, sowie einem auf der Welle angeordneten, beschaufelten Abscheiderotor, der einen zur Drehachse koaxialen Abscheidekanal mit ringförmigem Querschnitt bildet, wobei sich der Abscheidekanal in Längsrichtung der Drehachse von einem mit dem Gaseinlass strömungsverbundenen Einlassabschnitt zu einem mit dem Gasauslass strömungsverbundenen Auslassabschnitt erstreckt und mantelumfangsseitig Austrittsöffnungen für die abzuscheidenden Partikel aufweist.

Stand der Technik

Zur fliehkraftbedingten Abscheidung von Partikeln aus einem Gasstrom sind beispielsweise aus der DE 69205563 T2 Vorrichtungen bekannt, die eine drehangetriebene Welle sowie einen auf der Welle angeordneten, beschaufelten Abscheiderotor aufweisen. Der Abscheiderotor erstreckt sich dabei in Längsrichtung der Drehachse bzw. in Hauptströmungsrichtung und bildet zwischen einem Gaseinlass und einem Gasauslass einen zur Drehachse koaxialen Abscheidekanal mit ringförmigem Querschnitt. Dies bedeutet, dass Kanalboden und Kanaldecke zumindest abschnittsweise von der Mantelfläche der Welle bzw. vom Außenmantel des Abscheiderotors gebildet werden. Das aufzureinigende Rohgas wird über einen Einströmkanal des Gaseinlasses dem Abscheidekanal zugeführt, wo die im Rohgas enthaltenen Feststoffpartikel durch die Zentrifugalbeschleunigung nach außen befördert werden. Die Partikel werden über mantelumfangsseitige Austrittsöffnungen des Abscheiderotors abgeschieden und der aufgereinigte Gasstrom wird schließlich als sogenanntes Reingas über einen Ausströmkanal des Gasauslasses abgeführt.

Nachteilig an derartigen Vorrichtungen ist allerdings, dass die Abscheidewirkung für kleinere Partikel stark begrenzt ist, zumal die Abscheidewirkung maßgeblich von der Zentrifugalbeschleunigung und damit von der Umfangsgeschwindigkeit des Abscheiderotors abhängt. Um demnach auch kleinere Partikel unter 5 pm zuverlässig abscheiden zu können, müsste die Welle bzw. der Abscheiderotor mit entsprechend höheren Drehgeschwindigkeiten betrieben werden, was in der Praxis allerdings nur begrenzt möglich ist. Folglich führt eine unvollständige Abscheidung kleinerer Partikel dazu, dass diese im Reingas über den Gasauslass abgeführt werden, sodass das Reingas einer zusätzlichen Nachbehandlung, beispielsweise mithilfe von Gewebefiltern oder elektrostatischen Abscheidern, unterzogen werden muss.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art so auszugestalten, dass diese trotz einer kompakten und wartungsarmen Bauweise einen höheren Abscheidungsgrad von Partikeln aus einem Gasstrom ermöglicht, sodass insbesondere auch kleinere Partikel unter 5 pm zuverlässig abgeschieden werden können und eine Nachbehandlung des abgeführten Reingases entfällt.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass dem Abscheiderotor im Auslassabschnitt ein zur Drehachse koaxiales, ringförmiges Strömungsleitelement zur Teilung des Gasstromes in einen partikelbeladenen und einen partikelfreien Teilstrom zugeordnet ist und dass zur Rückführung des partikelbeladenen Teilstromes in den Abscheidekanal der Gasauslass einen zusätzlichen, dem partikelbeladenen Teilstrom zugeordneten Abzweigkanal ausbildet, der mit einem zusätzlichen Rückführkanal des Gaseinlasses strömungsverbunden ist. Klarstellend sei anzumerken, dass als ringförmig im Sinne der Erfindung sowohl beispielsweise Kreis- bzw. Ovalformen, als auch Polygonformen angesehen werden.

Der Erfindung liegt zunächst die Überlegung zugrunde, dass die wesentliche Abscheideursache bei Fliehkraftabscheidern die Überschreitung der sogenannten Grenzbeladung des Gasstromes ist und die Partikel im Abscheidekanal solange an der Außenwand aufkonzentriert werden, bis die Grenzbeladung erreicht ist. Dabei kann davon ausgegangen werden, dass sämtliche Partikel abgeschieden werden, die eine bestimmte charakteristische Länge überschreiten. Diese charakteristische Länge ist abhängig von den Abmessungen des Abscheiderotors bzw. der Welle, der axialen Strömungsgeschwindigkeit des Gases bzw. der Verweildauer des Gases sowie der Zentrifugalbeschleunigung im Abscheidekanal. Die physikalische Grundlage dieses Zusammenhangs lässt sich in erster Näherung auf das Gesetz von Stokes, angewandt auf die Absinkgeschwindigkeit eines Partikels in einem Fluid, zurückführen.

Vor diesem Hintergrund wird zufolge der erfindungsgemäßen Merkmale der Gasstrom im Auslassabschnitt über den Strömungsteiler in einen radial äußeren partikelbeladenen Teilstrom, welcher sich an der dem Abscheiderotor zugeordneten Außenwand des Abscheidekanals ausbildet, und einen radial inneren partikelfreien Teilstrom, der sich zwischen dem radial äußeren partikelbeladenen Teilstrom und der Mantelfläche der Welle bzw. der radial inneren Wand des Abscheiderotors ausbildet, aufgeteilt. Während der partikelfreie Teilstrom im Sinne eines Reingases über den Ausströmkanal abgeführt wird, strömt der partikelbeladene Teilstrom über den Abzweigkanal aus. Schließlich wird der partikelbeladene Teilstrom über den Rückführkanal dem Abscheidekanal wieder so zugeführt, dass der partikelbeladene Teilstrom wieder unmittelbar an der Außenwand des Abscheidekanals entlangströmen kann. Unter einem partikelbeladenen Teilstrom ist ein solcher Gasstrom zu verstehen, der noch nicht abgeschiedene Partikel enthält, die gleich oder größer einer vorgegebenen charakteristischen Länge sind und die im Zuge des Abscheidungsprozesses noch aus dem partikelbeladenen Teilstrom abgeschieden werden können. Demgegenüber ist unter einem partikelfreien Teilstrom im Sinne der Erfindung ein solcher Gasstrom zu verstehen, der im Wesentlichen keine abzuscheidenden Partikel mehr enthält oder höchstens nur solche Partikel, die kleiner als die entsprechend vorgegebene charakteristische Länge sind. Aufgrund der erfindungsgemäßen Merkmale wird trotz einer kompakten Bauweise erreicht, dass sich besonders günstige Strömungsbedingungen und nur geringe Druckverluste im Abscheidekanal einstellen, sodass ein besonders hoher Abscheidegrad bei gleichzeitig hoher Trennschärfe in Bezug auf die Partikelgröße erreicht wird. Die gewünschte charakteristische Länge lässt sich zudem anhand der gewählten Drehgeschwindigkeit und der Dimensionierung bzw. Ausgestaltung der entsprechenden Bauteile zuverlässig einstellen. Der Abzweigkanal und der Rückführkanal kann über einen Verbindungskanal strömungsverbunden sein. Zwischen Abzweigkanal und Rückführkanal kann je nach Bedarf auch ein zusätzliches Gebläse zwischengeschaltet sein. Weiters kann zwischen Abzweigkanal und Rückführkanal eine zusätzliche Abscheidevorrichtung angeordnet sein, sodass beispielsweise auch Feinststaubpartikel zuverlässig abgeschieden werden, welche unter Umständen nicht über die Austrittsöffnungen des Abscheidekanals abgeführt werden können. Um außerdem besonders günstige Strömungsbedingungen zu schaffen, können die Laufschaufeln des beschaufelten Abscheiderotors grundsätzlich derart ausgeformt sein, dass diese etwaige Druckverluste im Abscheidekanal kompensieren.

Besonders gute Abscheidebedingungen ergeben sich, wenn dem Abscheiderotor im Einlassabschnitt ein weiteres zur Drehachse koaxiales, ringförmiges Strömungsleitelement zugeordnet ist. Dadurch wird ein zuverlässiges Einströmen des über den Rückführkanal geführten, partikelbeladenen Teilstrom in den Abscheidekanal entlang der Außenwand ohne Vermischung mit dem Rohgas ermöglicht.

Das wenigstens eine Strömungsleitelement kann grundsätzlich Teil des Stators sein. Beispielsweise kann das wenigstens eine Strömungsleitelement Teil des Gaseinlasses bzw. des Gasauslasses sein. Um trotz kompakter Bauweise eine besonders hohe Trennschärfe bei gleichzeitig guter Abscheidewirkung zu ermöglichen, empfiehlt es sich jedoch, dass der Abscheiderotor im Einlassabschnitt oder / und im Auslassabschnitt drehfest sowohl mit der Welle als auch mit dem jeweiligen Strömungsleitelement verbundene Laufschaufeln aufweist. Vorzugsweise kann zumindest der Abscheiderotor gemeinsam mit dem wenigstens einen Strömungsleitelement und den entsprechenden Laufschaufeln einstückig ausgebildet sein.

Es kann auch vorgesehen sein, dass das jeweilige Strömungsleitelement die ihm zugeordneten Laufschaufeln bezüglich seiner Längserstreckung in Richtung der Drehachse beidseits überragt. Dadurch wird ein Verwirbeln und folglich ein Vermischen der beiden zu trennenden Gasströme im Bereich der Laufschaufeln verhindert.

Um den Abscheidegrad noch weiter zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass der Abscheiderotor ausschließlich mantelumfangsseitige Austrittsöffnungen im Bereich des Auslassabschnittes aufweist. Dadurch, dass zufolge dieser Maßnahme der Außenmantel des Abscheiderotors nur im Bereich des Auslassabschnittes Austrittsöffnungen für die abzuscheidenden Partikeln aufweist, wird die Anzahl der potenziellen Störstellen für die Strömung verringert und somit Strömungsverwirbelungen reduziert, welche die Abscheidewirkung negativ beeinflussen könnten. Im Bereich des Auslassabschnittes bedeutet, dass sich jener Bereich im dem Auslassabschnitt zugewandten letzten Viertel, vorzugsweise im letzten Fünftel des Abscheidekanals bezogen auf dessen Länge befindet. Die Austrittsöffnungen können grundsätzlich so angeordnet sein, dass die diesbezügliche Abscheidung der Partikel vor oder nach der Trennung des radial inneren und radial äußeren Teilstromes geschieht.

Damit die für einen hohen Abscheidegrad erforderlichen Strömungsbedingungen weiter verbessert werden, empfiehlt es sich, dass der Durchmesser der radial inneren Wand des Abscheidekanals mindestens 1/3 des lichten Durchmessers des Abscheidekanals beträgt. Der Durchmesser der radial inneren Wand des Abscheidekanals kann beispielsweise der Durchmesser der Welle im Bereich des Abscheidekanals bzw. der Durchmesser der radial inneren Wand des Abscheiderotors sein.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Abscheidekanal zwischen Einlassabschnitt und Auslassabschnitt einbautenfrei ausgeführt sein. Dadurch werden im Abscheidekanal unerwünschte Radialströmungen weitgehend unterbunden, die die Partikel entgegen der Zentrifugalkraft wieder in den radial inneren Bereich des Abscheidekanals befördern und somit einer Trennung des Gasstromes in einen partikelbeladenen und einen partikelfreien Teilstrom entgegenwirken würden.

Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur fliehkraftbedingten Abscheidung von Partikeln aus einem Gasstrom, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dabei wird aufzureinigende Rohgas über einen Einströmkanal des Gaseinlasses dem Abscheidekanal zugeführt und der Gasstrom im Auslassabschnitt über den wenigstens einen Strömungsteiler in einen radial äußeren partikelbeladenen Teilstrom und einen radial inneren partikelfreien Teilstrom aufgeteilt. Der partikelfreie Teilstrom wird über den Ausströmkanal im Gasauslass abgeführt und der partikelbeladene Teilstrom wird über den Abzweigkanal sowie über den mit dem Abzweigkanal strömungsverbundenen Rückführkanal dem Abscheidekanal wieder so zugeführt, dass der partikelbeladene Teilstrom wieder unmittelbar an der Außenwand des Abscheidekanals entlangströmen kann. Die abzuscheidenden Partikel werden über die Austrittsöffnungen des Abscheiderotors abgeschieden und beispielsweise einem Sammelbehälter zugeführt.

Kurze Beschreibung der Erfindung

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform, Fig. 2 eine schematische Stirnansicht eines erfindungsgemäßen Abscheiderotors und

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer weiteren Ausführungsform.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Gaseinlass 1 , einen Gasauslass 2, eine bezüglich einer Drehachse 3 rotierbaren, drehangetriebenen Welle 4, sowie einem auf der Welle 4 angeordneten, beschaufelten Abscheiderotor 5 auf. Der Gaseinlass 1 weist einen Einströmkanal 6 für das Rohgas 7 auf, wohingegen der Gasauslass 2 einen Ausströmkanal 8 für das Reingas 9 umfasst. Der Abscheiderotor 5 bildet einen zur Drehachse 3 koaxialen Abscheidekanal 10 mit ringförmigem Querschnitt. Der Abscheidekanal 10 erstreckt sich in Längsrichtung der Drehachse 3 von einem mit dem Gaseinlass 1 strömungsverbundenen Einlassabschnitt 11 zu einem mit dem Gasauslass 2 strömungsverbundenen Auslassabschnitt 12. Darüber hinaus weist der Abscheiderotor 5 mantelumfangsseitig Austrittsöffnungen 13 für die abzuscheidenden Partikel auf. Die abgeschiedenen Partikel werden über eine Sammeleinrichtung 14 abgeführt. Wie in Fig. 1 gut zu erkennen ist, weist der Abscheiderotor 5 in der gezeigten Ausführungsform ausschließlich mantelumfangsseitige Austrittsöffnungen 13 im Bereich des Auslassabschnittes 12 auf.

Dem Abscheiderotor 5 ist sowohl im Einlassabschnitt 11 , als auch im Auslassabschnitt 12 jeweils ein zur Drehachse 3 koaxiales, ringförmiges Strömungsleitelement 15, 16 zur Teilung des Gasstromes in einen radial äußeren partikelbeladenen Teilstrom 17 und einen radial inneren partikelfreien Teilstrom 18 zugeordnet. Der partikelfreie Teilstrom 18 strömt über den Ausströmkanal 8 als Reingas 9 ab. Zur Rückführung des partikelbeladenen Teilstromes 17 in den Abscheidekanal 10 bildet der Gasauslass 2 einen zusätzlichen, dem partikelbeladenen Teilstrom 17 zugeordneten Abzweigkanal 19 aus, der mit einem zusätzlichen Rückführkanal 20 des Gaseinlasses 1 strömungsverbunden ist. Zwischen Abzweigkanal 19 und Rückführkanal 20 kann ein Gebläse 21 zwischengeschaltet sein.

Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist der Abscheiderotor 5 im Einlassabschnitt 11 und im Auslassabschnitt 12 Laufschaufeln 22 auf, die drehfest sowohl mit der Welle 4 als auch mit dem jeweiligen Strömungsleitelement 15, 16 verbunden sind. Dies ist in der in Fig. 2 gezeigten schematischen Stirnansicht des Abscheiderotors 5 ebenfalls gut ersichtlich. Der Durchmesser d1 der radial inneren Wand des Abscheidekanals 10 beträgt zudem mehr als 1/3 des lichten Durchmessers d2 des Abscheidekanals 10. In der gezeigten Ausführungsform entspricht der Durchmesser d1 beispielsweise dem Durchmesser der Welle 4 im Bereich des Abscheidekanals 10.

Gemäß der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform bilden der Gaseinlass 1 bzw. der Gasauslass 2 die jeweiligen Strömungsleitelemente 15, 16, welche somit nicht rotierbar sind. Diese Strömungsleitelemente 15, 16 sind folglich nicht mit dem Abscheiderotor 5 bzw. mit dessen Laufschaufeln 23 verbunden.