Zyklotrone sind bekannt, z.B. aus Third International Conference on
Multiphase Flow, ICMF 98, Lyon, France, June 8-12, 1998, CD-ROM Proceeedings, Paper
No. 217. Sie bestehen aus einem Zyklotronabscheider, in dem die Partikel aus einem
Gas- Partikel-Gemisch getrennt werden sollen, aus einem Ansaugkanal, über den das
Gemisch dem Zyklotronabscheider zugeführt wird, und einem Absaugkanal, über den
das gereinigte Gas abgesaugt wird.
In einem solchen Zyklotronabscheider wird das zu reinigende Gas, z.B.
Luft, in Rotation versetzt. Durch die entstehenden Zentripedalkräfte auf die in
dem Gas enthaltenen Partikel findet eine Entmischung des angesaugten Gases statt,
die Partikel, z.B. Schmutzteilchen, werden abgeschieden, das gereinigte Gas verlässt
das Zyklotron. Dieses gereinigte Gas enthält bei bekannten Zyklotronen noch immer
einen, wenn auch sehr geringen, Anteil an Partikeln, welcher üblicherweise durch
ein Feinfilter aus Gewebematerial, typischerweise aus Stoffgewebe, Filz oder Papier,
abgeschieden wird. Das Feinfilter kann im Absaugkanal angeordnet werden. Ist das
Feinfilter nach einer bestimmten Betriebszeit gefüllt, muss es gereinigt oder getauscht
werden.
Mit einer Erhöhung der Abscheiderate (= prozentuale Anteil der abgeschiedenen
Partikelmenge zur ursprünglichen Partikelmenge), also mit einer Reduzierung des
Partikelanteils im Gas, welcher das Zyklotron verlässt, erhöht sich die Einsatzdauer
des nachgeordneten Feinfilters und damit die Wirtschaftlichkeit des Gerätes.
Den bisher bekannten Zyklotronabscheidern ist gemein, dass im Ansaugrohr
die Partikel im Gasstrom statistisch gleich verteilt sind, die Abscheidung der Partikel
somit erst mit dem Eintritt in den Zyklotronabscheider beginnt. Insbesondere Partikel
mit geringem Masse-Volumenverhältnis (Dichte) werden unzureichend abgeschieden und
gelangen in den Absaugkanal.
Das von der Erfindung zu lösende Problem besteht darin, den Wirkungsgrad
des Zyklotrons zu erhöhen, also die Menge an abgeschiedenen Partikeln aus dem Gemisch
zu erhöhen.
Dieses Problem wird gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Ansaugkanals wird eine Schichtung
(Vortrennung der Partikel) im Gemisch noch vor Eintritt in den Zyklotronabscheider
erzeugt, mit der das Gemisch in den Zyklotronabscheider gelangt und damit die Wirksamkeit
des Zyklotronabscheiders verbessert.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das Ziel der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Ansaugkanal
vor dessen Eintritt in den Zyklotronabscheider gekrümmt ist. Dann werden die Partikel
bereits in der Krümmung des Ansaugkanals vorgetrennt. Wenn der Ansaugkanal derart
ausgeführt ist, dass diese Vortrennung bis in den Eintritt des Gemisches in den
Zyklotronabscheider aufrechterhalten wird, kann das durch Partikel angereicherte
Gas zum Randbereich des Zyklotronabscheiders geleitet werden, wo die Partikel auf
übliche Weise nach unten abgeführt werden.
Eine optimale Trennung wird dann erreicht, wenn der Krümmungsradius
des Ansaugkanals parallel zum Radius der Innenwand des Zyklotronabscheiders liegt,
da dann das Gemisch tangential in den Zyklotronabscheider geleitet wird.
Die Krümmung des Ansaugkanals sollte möglichst nahe dem Eintritt des
Ansaugkanals in den Zyklotronabscheider liegen. Wenn dies nicht angestrebt wird,
kann die gleiche Wirkung dadurch erreicht werden, dass nach der Krümmung im Ansaugkanal
eine Trennwand angeordnet wird, die dafür sorgt, dass der mit Partikel angereicherte
Gasanteil zur Innenwand des Zyklotronabscheiders geführt wird. Bei dieser Ausführung
der Erfindung ist es dann möglich, die Geometrie des Ansaugkanals weitgehend frei
zu gestalten.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ergibt sich dann, wenn
der Ansaugkanal um einen Winkel gegenüber der Mittelachse des Zyklotronabscheiders
derart verkippt ist, dass das Gemisch nach Eintritt in den Zyklotronabscheider eine
spiralförmige Bewegung zum Boden des Zyklotronabscheiders hin erfährt.
Der Querschnitt des Ansaugkanals kann frei gewählt werden. Er kann
kreisförmig, oval oder rechteckig sein. Z.B. ist es auch möglich, dass der Ansaugkanal
vor der Krümmung einen kreisförmigen Querschnitt hat, der sich bis zum Eintritt
des Ansaugkanals in den Zyklotronabscheider in einen rechteckigen Querschnitt ändert.
An Hand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt
sind, wird die Erfindung weiter erläutert.
Es zeigen:
1 die Funktionsweise eines Zyklotrons;
2 den prinzipiellen Aufbau eines bekannten
Zyklotrons,
3 die Lage des Ansaugkanals zum Zyklotronabscheider
beim bekannten Zyklotron;
4 mögliche Querschnitte des Ansaugkanals;
5 den Aufbau des Zyklotrons nach der
Erfindung und dessen Funktionsweise;
6 die geometrischen Verhältnisse Ansaugkanal-
Zyklotronabscheider;
7 und 8
die Realisierung des Ansaugkanals;
9 eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
10 bis 12
mögliche Realisierungen der zweiten Ausführungsform.
Aus 1 und 2
ergibt sich der Aufbau und die Funktion eines Zyklotrons ZY. Dieses weist einen
Ansaugkanal AS, einen Zyklotronabscheider ZA, einen Ansaugkanal AK und einen unterhalb
des Abscheiders angeordneten Trichter TR auf. Unter dem Zyklotron kann ein Auffangbehälter
CT angeordnet sein.
Die Funktion des Zyklotrons ZY nach 1
ist im wesentlichen die folgende:
Das Partikel- Gas Gemisch (im folgenden Gemisch genannt) ist versetzt mit Partikeln
PT unterschiedlicher Größe, je nach Einsatzgebiet kann es sich auch um Partikel
aus verschiedenen Materialien handeln. Dieses Gemisch wird mit einer Strömungsgeschwindigkeit
v über den Ansaugkanal AS in den Zyklotronabscheider ZA eingesogen. Durch die Wandung
(idealerweise zylindrisch) des Zyklotronabscheiders ZA wird das angesaugte Gemisch
in Rotation versetzt. Mit der Rotation wirken auf die Partikel Zentripedalkräfte
Fz, die die Partikel in Richtung Innenwandung des Zyklotronabscheiders ZA drängen.
Mit zunehmender Verweilzeit findet eine Entmischung des angesaugten Gemisches statt,
wobei die Konzentration der Partikel an der Innenwandung des Zyklotronabscheiders
am höchsten und im Zentrum des Zyklotronabscheiders am geringsten ist. Wird nun
im Zentrum des Zyklotronabscheiders das Absaugrohr AK angebracht, wird das Gas mit
dem höchst möglichen Reinigungsgrad entnommen.
Durch das Eigengewicht Fg der Partikel PT sinken diese zu Boden des
Zyklotronabscheiders ZA und können im Trichter TR gesammelt und entsorgt werden.
In 1 ist der typische Weg eines Partikels PT im Zyklotronabscheider
ZA dargestellt.
Üblicherweise (2) befindet sich unter
dem Zyklotronabscheider der Behälter CT (die sogenannte Catchbox), in welchem die
Partikel gesammelt werden und der bei Bedarf separat entleert werden kann. Für eine
sichere Funktion ist der Behälter CT mit dem Zyklotronabscheider ZA gasdicht verbunden.
Dem Zyklotronabscheider ZA nach geschaltet können noch weitere Reinigungsstufen,
sofern erforderlich (z.B. ein weiterer Zyklotron, Filter, ect.), sein, sowie ein
Unterdruckgebläse (nicht dargestellt), welches die erforderliche Gasströmung erzeugt.
Der Grad der Partikel-Abscheidung im Zyklotronabscheider wird im wesentlichen
bestimmt durch:
- – die Geschwindigkeit des strömenden Gas-Partikel-Gemischs;
- – das Masse-Volumenverhältnis (Wichte) der Partikel;
- – die Rotationsgeschwindigkeit des Gas-Partikel-Gemischs im Zyklotronabscheider
ZA;
- – die Verweilzeit des Gemisches im Zyklotronabscheider ZA
Die Rotationsgeschwindigkeit des Gases läßt sich erhöhen durch eine
Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit v des Gas-Partikel-Gemischs sowie durch
die Reduzierung des Innendurchmesser des Zyklotronabscheiders ZA.
Die Verweilzeit wird bestimmt durch das Volumen des Zyklotrons und
den Gasdurchsatz, wobei eine Volumenvergrößerung sich gegenläufig auswirkt zum angestrebten
kleinen Innendurchmesser für eine hohe Rotationsgeschwindigkeit.
In 3 ist angesetzt, dass die Querschnittsflächen
A des Ansaugkanals AS und die Querschnittsfläche des Absaugkanals AK identisch sind,
also gilt:
Aansaug = Aabsaug
Bei runden An- und Absaugkanälen ergibt sich, um einen direkten Übergang
des Gas-Partikel-Gemischs vom Ansaugkanal in den Absaugkamal weitestgehend zu unterbinden,
ein minimaler Innendurchmesser di des Zyklotronabscheiders ZA zum dreifachen
Außendurchmesser da des Ansaugkanals AK da ansaug:
di zyklotron = 3 × da ansaug,
wobei da ansaug = da absaug
In der Praxis ist noch ein Sicherheitsabstand zwischen Ansaugkanal
und Absaugkanal üblich, folglich kann der Innendurchmesser des Zyklotronabscheiders
di zyklotron ≥ 3,5 × da ansaug
gewählt werden.
Soll nun der Innendurchmesser di weiter verringert werden,
was anzustreben ist, um die Rotationsgeschwindigkeit des Gas-Partikel-Gemischs im
Zyklotronabscheider ZA zu steigern, so kann dies, sofern weiterhin die Querschnittsflächen
der An- sowie Absaugkanäle identisch bleiben sollen, nur realisiert werden, wenn
dem Ansaugkanal AS eine längliche, z.B. ovale oder rechteckige, Form gegeben wird
(4). Dabei kann der Ansaugkanal AS zunächst einen rechteckigen
Querschnitt haben, der in einen ovalen und dann in einen runden Querschnitt übergeht
(4). Für die Querschnittsflächen A gelten dann:
Arund ansaug = Arechtreck ansaug,
wobei
Arechtreck ansaug = Kanalbreite b × Kanalhöhe
h = bansaug × hansaug
Den bisherigen Ausführungen des Ansaugkanals, gleichgültig
ob mit rundem, ovalem, rechteckigem oder sonstigem Querschnitt, ist gemein, dass
die Partikelkonzentration über den Querschnitt statistisch gleich verteilt ist.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus
5 und 6. Hier weist der
Ansaugkanal AS unmittelbar vor Eintritt in den Zyklotronabscheider ZA eine Krümmung
KR auf. Damit findet bereits in diesem gekrümmten Ansaugkanal eine Separation der
Partikel statt. Ebenso wie im Zyklotronabscheider ZA erfährt die Gasströmung eine
Richtungsänderung, die Partikel erfahren eine Zentrifugalkraft und drängen zur Krümmungsaußenseite.
Es findet also eine Vorentmischung oder Vortrennung des anzusaugenden Gas-Partikel-Gemisch
statt, es entsteht im Ansaugrohr AS eine Schichtung des Gases mit ansteigender Partikelkonzentration.
Diese Verhältnisse sind in 5 durch die neben dem Ansaugkanal
AS angeordneten Diagramme dargestellt. Vor der Krümmung KR ist die Partikelverteilung
PV1 gegeben, hinter der Krümmung die Partikelverteilung PV2.
Wird nun sichergestellt, dass der Gasanteil mit der geringsten Partikelkonzentration
im Ansaugkanal AS zum Inneren des Zyklotronabscheiders weist (z.B. indem der Krümmungsradius
ransaugk
anal des Ansaugkanals AS parallel zum Krümmungsinnenradius
ri zykl
ot
ron des Zyklotronabscheiders
ZA liegt, 6), so wird das Abscheidevermögen des Zyklotronabscheiders
ZA deutlich gesteigert.
Generell ist der Krümmungsradius r ansaugkanal des Ansaugkanals AS
unabhängig vom Krümmungsinnenradius ri zyklotron des Zyklotronabscheiders
ZA und darf damit deutlich kleiner ausfallen. Es ist zulässig,
ransaugkanal < ri zyklotron
zu wählen.
In der Praxis bewirkt die Verringerung des Krümmungsradiuses des Ansaugkanals
AS eine Drosselung des strömenden Gases. Es kann davon ausgegangen werden, dass
ein Optimum im Abscheidegrad zu finden ist zwischen der Kanalkrümmung und der damit
verursachten Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit im Zyklotronabscheider.
Wenn der Abstand a zwischen Krümmung KR des Ansaugkanals AS und Eintritt
in den Zyklotronabscheider ZA entsprechend 7 zu groß
gewählt wird, wird sich die Gasschichtung wieder neutralisieren, bevor sie in den
Zyklotronabscheider ZA gelangt. Diese Verhältnisse sind durch die Diagramme PV1,
PV2, PV3 dargestellt. Z.B. kann es aufgrund besonderer Umstände (z.B. Geometrien)
nicht möglich sein, die Kanalkrümmung unmittelbar vor dem Einlass in den Zyklotronabscheider
ZA zu plazieren, also a > 0 sein.
Um dieses Problem zu vermeiden, kann entsprechend 8
im Ansaugkanal AS zwischen der Kanalkrümmung und dem Einlass in den Zyklotronabscheider
ZA mindestens eine Trennwand TW eingefügt werden, um mechanisch die bereits erfolgte
Gasschichtung (Vortrennung) bis zum Zyklotronabscheider ZA aufrecht zu erhalten.
Die Trennwand TW liegt derart, dass der mit Partikel angereicherte Gasanteil zur
Innenwand des Zyklotronabscheiders geleitet wird. Die Änderung gegenüber
7 kann den Diagrammen PV1, PV2, PV4 entnommen werden.
Mit Einführung einer Trennwand TW ist es nicht mehr erforderlich,
dass der Krümmungsradius r ansaugkanal des Ansaugkanals AS parallel zum Krümmungsinnenradius
ri zyklotron des Zyklotronabscheiders liegt (siehe oben),
sofern der Trennwand TW eine geeignete 3-dimensionale an den Ansaugkanal AS angepasste
Formung gegeben wird. Dadurch gibt es für die konstruktive Ausführung des Ansaugkanals
erweiterte Gestaltungsfreiheiten, 9. Wenn z.B. der
Ansaugkanal AS entsprechend 9 angeordnet ist, muss
die Trennwand TR schraubenförmig ausgeführt sein.
Unabhängig von der oben beschriebenen Vorseparation oder Vortrennung
der Partikel mittels eines gekrümmten Ansaugkanals AS ist es entsprechend
10 sinnvoll, den Ansaugkanal AS gegenüber der Mittelachse
des Zyklotronabscheiders ZA um einen Winkel &agr; zu verkippen. Durch diese Winkelanstellung
im Zyklotronabscheider ZA erfährt das einströmende Gemisch nicht nur eine kreisförmige
Rotation, sondern zusätzlich eine spiralförmig gegen den Boden des Zyklotronabscheiders
gerichtete Bewegung. Damit wird die Verwirbelung des bereits gekreisten, im Zyklotronabscheider
befindlichen Gases mit dem neu aus dem Ansaugkanal einströmenden Gases reduziert.
Anzustreben ist für &agr;:
bei kreisförmigen Ansaugkanälen:
&agr; ≥ arctan [da ansaug/((di zyklotron
– da ansaug) × &pgr;)
wobei d = Durchmesser des Ansaugkanals bzw. Zyklotronabscheiders ist;
bei ovalen oder rechteckigen Ansaugkanälen:
&agr; ≥ arctan [ha ansaug/(di zyklotron
– 2 × ba ansaug) × &pgr;)
wobei h = Höhe, b = Breite des Ansaugkanals ist.
Um eine Verwirbelung im sogenannten „toten Gasvolumen" zu vermeiden,
sollte der obere Abschluß (Deckel ZD) des Zyklotronabscheiders ZA spiralförmig entsprechend
dem Winkel &agr; ausgeführt sein, 11.
12 stellt beispielhaft eine Kombination
aus 4 „Querschnittswechsel des Ansaugrohres
von rund auf rechtekkig" mit 11 „angekipptes
Ansaugrohr um Winkel &agr; mit spiralförmigen Deckel" dar. Diese Ausführungsform
bewirkt die Kombination aus erhöhter Rotationsgeschwindigkeit, spiralför mig gerichteter
Strömung Richtung Zyklotronboden sowie Verwirbelungsreduzierung durch spiralförmigen
Deckel und lässt eine deutliche Steigerung der Partikelabscheidung
erwarten.
Das beschriebene Zyklotron ZY kann insbesondere bei elektrografischen
Druck- oder Kopiergeräten eingesetzt werden, um die bei verschiedenen Komponenten
auftretende Abluft zu reinigen.
