DE69421703T2 - Zentrifugal separator - Google Patents

Description

• Die folgende Erfindung bezieht sich auf eine Zentrifuge mit einem um eine Drehachse drehbaren Rotor, in dem eine Einlaßkammer für eine mit der Zentrifuge zu behandelnde Flüssigkeit gebildet ist sowie eine mit der Einlaßkammer verbundene Trennkammer und eine über einen Durchgang mit der Trennkammer verbundene äußere Kammer zum Aufnehmen einer während des Betriebs in der Trennkammer abgetrennten Flüssigkeit, wobei die Auslaßkammer mit einem Auslaß versehen und so ausgestaltet ist, daß die darin befindliche abgetrennte Flüssigkeit während des Betriebs einen rotierenden Flüssigkeitskörper mit einer radial einwärts gerichteten freien Flüssigkeitsoberfläche radial innerhalb des Auslaßes bildet. In der Auslaßkammer sind wenigstens zwei sich radial und axial erstreckende Wandelemente fest mit dem Rotor verbunden und so angeordnet, so daß zwischen ihnen ein Durchgang gebildet wird, um die abgetrennte Flüssigkeit zur Rotation mit dem Rotor mitzureißen und gleichzeitig eine Strömung der Flüssigkeit radial auswärts in die Aulaßkammer zu erlauben.
• In einer bekannten Zentrifuge dieser Art ist die Auslaßkammer von der Trennkammer durch eine Trennwand getrennt, durch die der Durchgang so angeordnet ist, daß er sich radial innerhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche öffnet. Der Auslaß, der mit der Auslaßkammer verbunden ist, wird in der bekannten Zentrifuge in einer stationären scheibenförmigen Auslaßvorrichtung mit einem Abschnitt mit inneren Durchgängen gebildet, die so in der Auslaßkammer angeordnet sind, daß sie sich von einem mittleren Abschnitt der Auslaßkammer radial nach außen zu einem Abschnitt der Auslaßkammer erstrecken, in dem sich der rotierende Flüssigkeitskörper während des Betriebs befindet. In dieser Zentrifuge sind sich axial und radial erstreckende Flügel in der Auslaßkammer angeordnet und fest mit der Trennwand verbunden, um die in der Auslaßkammer befindliche abgetrennte Flüssigkeit zur Rotation mit dem Rotor mitzureißen.
• Die in der Aulaßkammer befindliche Flüssigkeit berührt die Mitreißflügel und den Abschnitt der stationären Auslaßvorrichtung, der sich radial außerhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche des rotierenden Flüssigkeitskörpers erstreckt. Die Auslaßvorrichtung verringert die Rotation des Flüssigkeitskörpers, während die Flügel den Flüssigkeitskörper zur Rotation mit dem Rotor mitreißen. Unterschiedliche Abschnitte des Flüssigkeitskörpers neigen also dazu, bei unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten zu rotieren und deshalb von verschiedenen Zentrifugalkräften beeinflußt zu werden. Das führt zu einer internen Zirkulation in der Auslaßkammer, wobei die abgetrennte Flüssigkeit radial einwärts entlang der äußeren Oberfläche der Auslaßvorrichtung und radial auswärts entlang der Flügel strömt. Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit an der freien Flüssigkeitsoberfläche kann beträchtlich sein, was das große Risiko in sich birgt, daß Luft oder ein anderes Gas, das sich radial innerhalb und in Kontakt mit der freien Flüssigkeitsoberfläche in der Auslaßkammer befindet, in die abgetrennte Flüssigkeit gemischt und in ihre Strömung entlang der Flügel und weiter hinaus durch die inneren Durchgänge in der Auslaßvorrichtung mitgerissen wird.
• Da sich der Durchgang durch die Trennwand radial innerhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche in die Auslaßkammer öffnet, wächst das Risiko einer Beimischung von Luft aufgrund der Kollision, die stattfindet, wenn die abgetrennte Flüssigkeit, die in die Auslaßkammer eintritt, durch die Zentrifugalkraft vom Durchgang radial auswärts entweder in Richtung der freien Flüssigkeitsoberfläche oder in Richtung der Flügel in der Auslaßkammer geschleudert wird, und aufgrund der angehobenen Strömungsgeschwindigkeiten radial auswärts entlang der Flügel an der freien Flüssigkeitsoberfläche, was dadurch verursacht wird, daß die eintretende Flüssigkeit nach außen getrieben wird.
• Um die abgetrennte Flüssigkeit in der Auslaßkammer auf sanfte Art mitzureißen, ist, wie in der WO 9080/03250 A1 gezeigt, vorgeschlagen worden, Mitreißelemente in der Form von wenigstens einer fest mit dem Rotor verbundenen Scheibe vorzusehen. Dadurch wird die radial nach außen gerichtete Strömung in große Schichten verteilt, wodurch die Strömungsgeschwindigkeiten an der freien Flüssigkeitsoberfläche kleiner werden und so das Risiko einer Beimischung von Luft sinkt. Die Fähigkeit der Scheiben, die abgetrennte Flüssigkeit in der Auslaßkammer zur Rotation mit dem Rotor mitzureißen, ist oft unzureichend.
• Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine eingangs beschriebene Zentrifuge vorzusehen, in der eine abgetrennte Flüssigkeit sanft aber effektiv mitgerissen wird und bei einem geringen Risiko einer Beimischung von Luft aus der Auslaßkammer ausgegeben werden kann.
• Nach der Erfindung wird das dadurch erzielt, daß eine Zentrifuge vorgesehen wird, in der jedes Wandelement einen Abschnitt aufweist, der sich vom radialen Ort der freien Flüssigkeitsoberfläche zu einem radialen Ort außerhalb des Auslasses erstreckt und der sich zwischen diesen radialen Orten in Umfangsrichtung erstreckt, die, radial auswärts gesehen, in der Rotationsrichtung vorwärtsgerichtet ist.
• Mit dieser Konstruktion tritt die radial nach außen gerichtete Strömung der abgetrennten Flüssigkeit im rotierenden Flüssigkeitskörper von der freien Flüssigkeitsoberfläche zum Auslaß hauptsächlich entlang des in Rotationsrichtung gesehen hinteren Wandelementes der beiden einen Durchgang bildenden Wandelemente auf.
• Vorteihafterweise sind die Wandelementabschnitte in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gekrümmt und haben eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung, die mit dem Radius anwächst.
• Die Wandelemente nach der Erfindung können direkt auf der Trennwand angeordnet sein, können aber auch in solcher Weise radial von ihr beabstandet angeordnet sein, daß ein ringförmiger Spalt, der die Rotationsachse umgibt, zwischen dieser Trennwand und den Wandelementen gebildet wird. Ein die Rotationsachse umgebendes winkliges Ablenkblech ist dann geeigneterweise in der Auslaßkammer angeordnet, um sich vom Durchgang radial auswärts in den Spalt zu erstrecken, so daß die abgetrennte in die Auslaßkammer strömende Flüssigkeit radial auswärts in den Spalt in Richtung der freien Flüssigkeitsoberfläche geleitet wird.
• In einer anderen Ausführungsform der Erfindung öffnet sich der Durchgang in die Auslaßkammer in einer Richtung axial zum Aulaß.
• In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Abdeckvorrichtung fest an jedem der Wandelemente an der von der Trennwand entfernten Seite befestigt, die mit dem Durchgang versehen ist, wobei die Abdeckvorrichtungen den Durchgang an der entfernten Seite der Wandelemente begrenzen.
• Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun in größerem Detail unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 einen schematischen axialen Querschnitt durch einen Teil der Zentrifuge nach der Erfindung zeigt;
• Fig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie II-II durch einen Teil der Zentrifuge aus Fig. 1;
• Fig. 3 einen schematischen axialen Querschnitt entlang der Linie III-III durch den Teil in Fig. 2 und
• Fig. 4 einen schematischen axialen Querschnitt durch einen Teil der Zentrifuge nach einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung.
• Der in Fig. 1 gezeigte Teil einer Zentrifuge nach der Erfindung umfaßt einen Rotor, der einen unteren Teil 1 und einen oberen Teil 2 aufweist, die durch einen Verschlußring axial miteinander verbunden sind. Innerhalb der als Beispiel gezeigten Zentrifuge ist ein axial beweglicher Ventilschieber 4 angeordnet. Dieser Ventilschieber 4 begrenzt zusammen mit dem oberen Teil 2 eine Trennkammer 5 und ist so angeordnet, um einen ringförmigen Spalt in Richtung am Rande befindlicher Auslaßöffnungen 6 zur Ausgabe einer Substanz, die während des Betriebs im Rotor abgetrennt wurde und sich am Rand der Trennkammer 5 angesammelt hat, zu öffnen und zu schließen. Der Ventilschieber 4 begrenzt zusammen mit dem unteren Teil 1 eine Schließkammer 7, die mit einem Einlaß 8 und mit einem gedrosselten Auslaß 9 für eine Schließflüssigkeit versehen ist.
• Innerhalb der Trennkammer 5 befindet sich ein Scheibenstapel 10, der aus einer Anzahl von konischen Trennscheiben besteht, die sich zwischen einem Verteiler 11 und dem oberen Teil 2 befinden. Der obere Teil 2 bildet wie gezeigt an seinem oberen Ende eine Auslaßkammer 12, in die in diesem Fall eine relativ leichte abgetrennte Flüssigkeit aus der Trennkammer 5 durch einen Mitteldurchgang 13 strömen kann. Die in der Auslaßkammer 12 befindliche Flüssigkeit bildet während des Rotorbetriebs einen rotierenden Flüssigkeitskörper mit einer radial einwärts freien Flüssigkeitsoberfläche 14.
• Durch die Auslaßkammer 12 erstreckt sich mittig ein stationäres Einlaßrohr 15, das sich in eine Einlaßkammer 16 im Inneren des Verteilers 11 öffnet. Neben dem Einlaßrohr 15 ist ein stationäres Auslaßrohr 17 für eine spezifisch leichtere Flüssigkeit in der Kammer 12 angeordnet. In der Kammer 12 ist um das Einlaßrohr 15 herum eine Auslaßvorrichtung 18 angeordnet und mit dem Auslaßrohr 17 verbunden. Die Auslaßvorrichtung 18 ist stationär, in einer alternativen Anordnung des Auslasses könnte eine ähnliche Auslaßvorrichtung so angeordnet sein, daß sie bei einer geringeren Geschwindigkeit als der Rotationsgeschwindigkeit des Rotors rotiert.
• Die Auslaßvorrichtung 18 erstreckt sich radial auswärts in die Auslaßkammer 12 und weist einen Abschnitt auf, der außerhalb des radialen Ortes der freien Flüssigkeitsoberfläche 14 angeordnet ist. Die Auslaßvorrichtung 18 hat mindestens einen Auslaßkanal 20, der mit einer außerhalb des radialen Pegels der freien Flüssigkeit befindlichen Einlaßöffnung versehen ist und den Auslaß 19 der Auslaßkammer 12 bildet. Der Auslaßkanal 20 ist mit dem Inneren des Einlaßrohres 17 verbunden.
• Der Durchgang 13 ist mittig in einer Trennwand 21 angeordnet. In der Auslaßkammer ist eine Anzahl von Wandelementen um die Drehachse herum angeordnet. Die Wandelemente 22 bilden die Durchgänge 23 (Fig. 2), um die in der Auslaßkammer 12 befindliche Flüssigkeit mitzureißen und sie radial auswärts in Richtung zum Auslaß 19 zu leiten. Wenigstens ein Abschnitt der Wandelemente 22 erstreckt sich radial zwischen dem radialen Ort 14, an dem sich die freie Flüssigkeitsoberfläche befindet, und einem Ort radial außerhalb des Auslasses 19.
• In Fig. 2, die einen schematischen Querschnitt entlang der Linie II-II durch einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Zentrifuge zeigt, wird die Ausgestaltung der in der Trennwand 21 angeordneten Wandelemente und die Art, wie zwischen ihnen die Durchgänge 23 gebildet werden, deutlicher. Jedes Wandelement 22 ist auf solche Weise ausgerichtet, daß es eine Komponente in Umfangsrichtung hat, die, radial auswärts gesehen, in der Rotationsrichtung vorwärtsgerichtet ist. Die Rotationsrichtung ist im Uhrzeigersinn, wie es durch den Pfeil 24 angedeutet ist. Weiterhin sind die Wandelemente 22 in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse gekrümmt und haben eine Komponente in Umfangsrichtung, die mit dem Radius anwächst.
• Fig. 3 zeigt einen axialen Querschnitt durch den Abschnitt aus Fig. 2. Die in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigten Durchgänge 23 haben einen anwachsenden Querschnitt in der Richtung des Auslasses 19.
• Eine andere Ausführungsform des Abschnittes der Zentrifuge nach der Erfindung nach den Fig. 2 und 3 ist in Fig. 4 gezeigt. Wie in Fig. 3 zeigt Fig. 4 einen axialen Querschnitt durch den Abschnitt. Die Ausführungsform nach Fig. 4 unterscheidet sich von der Ausführungsform in den Fig. 1, 2 und 3 dadurch, daß die Wandelemente 22 axial beabstandet von der Trennwand 21 in solcher Weise angeordnet sind, daß sich zwischen ihnen ein Spalt 25 bildet. Eine Abdeckvorrichtung 26 ist fest mit jedem der Wandelemente 22 auf der von der Trennwand 21 entfernten Seite verbunden. Weiterhin ist ein ringförmiges Ablenkblech 27, das die Drehachse umgibt, im Bereich des Durchgangs 13 angeordnet. Das Ablenkblech leitet die abgetrennte Flüssigkeit in einer solchen Weise radial auswärts in den Spalt in Richtung der freien Flüssigkeitsoberfläche, daß sie während der Strömung radial nach außen nicht mit den radial innerhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche angeordneten Wandelementen 22 kollidiert.
• Beim Start der Zentrifuge wird der Rotor in eine Rotation versetzt und die Trennkammer 5 wird durch die Zufuhr einer Schließflüssigkeit an die Schließkammer 7 durch den Einlaß 8 geschlossen. Ist die Trennkammer 5 geschlossen, kann die zu behandelnde Flüssigkeit der Trennkammer durch das Einlaßrohr 15 und die Einlaßkammer 16 zugeführt werden. Ist die Trennkammer 5 aufgefüllt, erreicht der Rotor die Betriebsgeschwindigkeit und die Bedingungen innerhalb der Trennkammer stabilisieren sich. Die Komponenten der zugeführten Flüssigkeit werden aufgrund des Einflusses der Zentrifugalkräfte getrennt.
• Die Trennung findet hauptsächlich in den Räumen zwischen den konischen Scheiben im Scheibenstapel 10 statt. Während der Trennung bewegt sich die spezifisch schwerere Komponente radial nach außen und sammelt sich am radial äußersten Teil der Trennkammer, wohingegen eine spezifisch leichtere Flüssigkeit radial nach innen in die Räume zwischen den konischen Scheiben strömt.
• Die spezifisch schwerere Komponente wird zwischendurch ausgelassen, indem der Ventilschieber 4 bewegt wird, um die Auslaßöffnungen 6 am Rand zu öffnen. Die spezifisch leichtere Flüssigkeit strömt aus der Trennkammer 5 durch die Durchgänge 13 zur Auslaßkammer 12, in der sie einen rotierenden Flüssigkeitskörper mit einer radial einwärts gerichteten freien Flüssigkeitsoberfläche bildet. Die in der Auslaßkammer 12 befindliche Flüssigkeit wird durch den Auslaß 19 ausgegeben und weiter hinaus durch den Auslaßkanal 20 in der stationären Auslaßvorrichtung 18.
• Das Mitreißen der in der Auslaßkammer 12 befindlichen Flüssigkeitskomponente wird durch die Wandelemente 22 bewerkstelligt, die mit dem Rotor rotieren, und durch die begrenzenden Oberflächen der Auslaßkammer.
• Die Flüssigkeit, die sich am nähesten an der Auslaßkammervorrichtung 18 befindet, wird durch den Kontakt mit den Auslaßoberflächen der Auslaßvorrichtung 18 verlangsamt. Unterschiedliche Abschnitte des in der Auslaßkammer 12 befindlichen Flüssigkeitsvolumens erfahren daher unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten. Der Kontakt zwischen der Flüssigkeit und den äußeren Oberflächen der Auslaßvorrichtung 18 führt dazu, daß eine Zirkulationsströmung in der Auslaßkammer 12 erzeugt wird; die Flüssigkeit strömt radial einwärts entlang der äußeren Oberflächen der Auslaßvorrichtung 18 und radial auswärts zum Auslaß hauptsächlich entlang des in Rotationsrichtung gesehen hinteren Wandelementes der beiden Wandelemente, die den Durchgang bilden, durch den die Flüssigkeit strömt. Die Luft oder das Gas, das in die zirkulierende abgetrennte Flüssigkeit gemischt und mitgerissen wird, hat eine geringere Dichte als die abgetrennte Flüssigkeit selbst. Das führt dazu, daß in der mitgerissenen Flüssigkeit oder in dem mitgerissenen Gas Blasen einer relativ hohen radial einwärts gerichteten Kraft ausgesetzt werden, die in Richtung des in Rotationsrichtung gesehen vorderen Wandelementes der beiden den Durchgang bildenden Wandelemente wirkt. Die Luft- oder Gasblasen verlassen daher das hintere Wandelement, entlang dessen sie radial einwärts in Richtung der freien Flüssigkeitsoberfläche strömen, ohne daß sie durch Scherkräfte aufgrund der radial auswärts strömenden abgetrennten Flüssigkeit beeinflußt werden, wodurch die meiste Luft oder das meiste Gas, das in die abgetrennte Flüssigkeit hineingemischt und mitgerissen wurde, von ihr getrennt wird, bevor die Flüssigkeit den Auslaß aus der Auslaßkammer erreicht.
• Dieser Effekt wird durch die vorliegende Erfindung auch erzielt, wenn der Durchgang wie in den Figur gezeigt radial innerhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist, was in vielen Fällen wünschenswert ist, um ein gutes Trennresultat zu erzielen, was aber zu einem Anwachsen der radial nach außen gerichteten Strömung führt.

Claims (10)

1. Zentrifuge mit einem um eine Drehachse drehbaren Rotor, in dem

- eine Einlaßkammer (16) für eine mit der Zentrifuge zu behandelnde Flüssigkeit gebildet ist sowie

- eine mit der Einlaßkammer (16) verbundene Trennkammer (5) und

- eine über einen Durchgang (13) mit der Trennkammer (5) verbundene Auslaßkammer (12) zum Aufnehmen einer während des Betriebs in der Trennkammer (5) abgetrennten Flüssigkeit, wobei die Auslaßkammer mit einem Auslaß (19) versehen und so ausgestaltet ist, daß die darin befindliche abgetrennte Flüssigkeit während des Betriebs einen rotierenden Flüssigkeitskörper mit einer radial einwärts gerichteten freien Flüssigkeitsoberfläche (14) radial innerhalb des Auslasses (19) bildet,

wobei wenigstens zwei sich radial und axial erstreckende Wandelemente (22) fest mit dem Rotor verbunden und so in der Auslaßkammer (12) angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein Durchgang (23) gebildet wird, um die abgetrennte Flüssigkeit zur Rotation mit dem Rotor mitzureißen und gleichzeitig eine Strömung der Flüssigkeit radial auswärts in die Aulaßkammer (12) zu erlauben, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Wandelement (22) einen Abschnitt aufweist, der sich vom radialen Ort der freien Flüssigkeitsoberfläche (14) zu einem radialen Ort außerhalb des Auslasses (19) erstreckt und der sich zwischen diesen radialen Orten in Umfangsrichtung erstreckt, die, radial auswärts gesehen, in der Rotationsrichtung vorwärtsgerichtet ist.

2. Zentrifuge nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelementabschnitte in einer Ebene senkrecht zur Drehachse gekrümmt sind und eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung haben, die mit dem Radius anwächst.

3. Zentrifuge nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trennwand (21) die Auslaßkammer (12) von der Trennkammer (5) trennt und ein Durchgang (13) durch die Trennwand (21) hindurchführt.

4. Zentrifuge nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (13) so angeordnet ist, daß er radial innerhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche (14) liegt.

5. Zentrifuge nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandelemente (22) auf der Trennwand (21) befestigt sind.

6. Zentrifuge nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiger Spalt (25) die Drehachse umgibt und radial zwischen der Trennwand (21) und den Wandelementen (22) angeordnet ist.

7. Zentrifuge nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein ringförmiges Ablenkblech (27) in der Auslaßkammer (12) angeordnet ist und sich ein Durchgang (13) radial auswärts in den Spalt (25) erstreckt.

8. Zentrifuge nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchgang (23) axial in Richtung des Auslasses (19) in die Auslaßkammer (12) hinein geöffnet ist.

9. Zentrifuge nach einem der Ansprüche 4-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abdeckvorrichtung (26) fest mit jedem der Wandelemente (22) auf der von der Trennwand (21) entfernten Seite befestigt ist, wobei die Abdeckvorrichtung den Durchgang (23) zur Auslaßkammer (12) an der entfernten Seite der Wandelemente (22) begrenzt.

10. Zentrifuge nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (19) in einem stationären Auslaß (18) gebildet ist, der sich in die Auslaßkammer (12) bis zu einem radialen Ort erstreckt, der sich während des Betriebs außerhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche (14) befindet.