[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
[0002] Vollmantel-Schneckenzentrifugen - nachfolgend synonym auch Dekanter genannt - sind
aus dem Stand der Technik in verschiedensten Ausführungsformen bekannt. Sie dienen
zum Klären und ggf. Trennen einer fließfähigen Suspension in einem Zentrifugalfeld
in eine auszutragende Feststoffphase sowie in eine oder mehrere Flüssigkeitsphasen.
[0003] Der Rotor eines Dekanters besteht aus einer Vollmanteltrommel mit zylindrischem und
in der Regel konischem Teil und einem darin gelagerten Schneckenkörper. Beide laufen
mit hoher Drehzahl um, wobei die Schnecke eine Differenzdrehzahl zur Trommel aufweist.
[0004] Die zu trennende Suspension fließt zentral durch ein Einlaufrohr zu und tritt durch
einen Verteiler durch den Schneckengrundkörper nach in den zylindrischen Teil der
Trommel, den eigentlichen Trennraum, ein. Dort bildet sich aufgrund des herrschenden
Zentrifugalfelds ein kreiszylindrischer Flüssigkeitsraum aus, der Teich genannt wird.
[0005] Aufgrund des Dichteunterschieds zwischen dem dichteren Feststoff und der weniger
dichten Flüssigkeit sedimentiert der Feststoff auf die Innenwand der Trommel ab und
wird mit der Schnecke zu einem Feststoffauslass im konischen Abschnitt der Trommel
geleitet und dort aus der Trommel ausgetragen. Darüber strömt in entgegengesetzter
Richtung die geklärte flüssige Phase in Richtung eines axialen Trommeldeckels, der
einen Auslass aufweist, durch den sie ausgetragen wird (an einem Überlaufwehr oder
in einer Schälscheibe oder dgl.).
[0006] Von besonderem Interesse ist im Rahmen dieser Schrift der Verteiler. Die dem Dekanter
zuzuführende Suspension wird durch das stillstehende Zulaufrohr in den Dekanter geleitet.
Aus dem Zulaufrohr wird die Suspension nach der in dieser Anmeldung zu betrachtenden
Konstruktion zunächst in einen rotierenden - in der Regel mit der Schnecke rotierenden
- Verteiler übergeben. In dem Verteiler wird die einströmende Suspension bzw. das
einströmende Produkt auf mehrere Kanäle aufgeteilt, die den einfließenden Suspensionsstrom
aus der axialen Fließrichtung in mehrere Teilströme verteilt jeweils in eine radiale
oder zumindest im Wesentlichen radiale Fließrichtung umlenken und in einen Trennraum
der Vollmantel Schneckenzentrifuge einleiten. Einen bekannten Stand der Technik dieser
Art offenbart die
US 3 228 592 A1.
[0007] Der Verteiler soll die Suspension bzw. das Produkt auf die Schneckendrehzahl vorbeschleunigen,
so dass Verwirbelungen im Trennraum reduziert werden.
[0008] Ferner soll das Ausströmen aus dem Verteiler und das Einströmen in den Trennraum
mit möglichst geringer Scherung erfolgen, so dass - wenn ein Flockungsmittel zugegeben
wird - eine Entmischung zwischen dem der Suspension hinzugegebenen Flockungsmittel
und der Suspension weitestgehend vermieden wird. Das Flockungsmittel soll sich mit
der Feststoffphase in der Suspension verbinden, so dass diese im Trennraum der Vollmantel-Schneckenzentrifuge
besser abgetrennt werden kann.
[0009] Weiterhin sollen die Strömungsverhältnisse im Verteiler möglichst laminar sein, so
dass ein Gaseinschlag in die Suspension weitestgehend vermieden wird. Eine einfache
Montage und Demontage im Austauschfall sind immerwährende Anforderungen an einen Verteiler.
[0010] Aus dem Stand der Technik sind Druckschriften bekannt, die sich mit der Optimierung
der Zulauföffnungen eines Verteilers beschäftigen.
[0011] Aus der
DE 10 2012 004 544 A1 ist ein rotierendes Einlaufrohr einer Vollmantel-Schneckenzentrifuge bekannt, an
dessen Ende der axiale Zulaufstrom auf einen Kegel trifft, der als Stromteiler vorgesehen
ist. Dadurch wird der Zulaufstrom in eine ebenfalls rotierende Verteilerscheibe umgelenkt.
Diese Umlenkung kann z.B. um 90° in radiale Richtung erfolgen aber auch nur um z.B.
45°. Der Durchtritt der Suspension in den Trennraum erfolgt durch eine Vielzahl besonders
geformter Zulauföffnungen, die auf dem Umfang der Schneckennabe angeordnet sind. Ein
rotierendes Einlaufrohr ist konstruktiv aufwendig, ferner ist die Einbringung der
Vielzahl von Zulauföffnungen in die Schneckennabe fertigungstechnisch aufwendig und
damit arbeitsintensiv.
[0012] Aus der
EP 3 106 230 B1 ist es bekannt, eine Anzahl von sich vom Inneren einer Verteilerkammer einer Vollmantel-Schneckenzentrifuge
nach Außen erstreckenden Düsen vorzusehen, wobei auf der inneren Oberfläche einer
Schneckennabe und zwischen den Düsen am Umfang eine Anzahl von Beschleunigereinsätzen
angeordnet ist, wobei die Beschleunigereinsätze austauschbar ausgeführt sind. Nachteilig
ist die Mehrteiligkeit der Beschleunigereinsätze und die dadurch aufwendige Montage.
[0014] Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge
mit einem optimierten Verteiler zu schaffen.
[0015] Diese Aufgabe wird mit einer Vollmantel-Schneckenzentrifuge gelöst, die zum Klären
einer fleißfähigen Suspension in einem Zentrifugalfeld in eine Feststoffphase sowie
in eine oder mehrere Flüssigkeitsphasen dient und wenigstens folgendes aufweist:
- a) einen Rotor mit einer um eine Drehachse drehbar gelagerte Trommel und einer in
der Trommel angeordnete, um die Drehachse drehbar gelagerte Schnecke,
- b) wobei die Schnecke und die Trommel vorzugsweise jeweils einen zylindrischen Abschnitt
und einen konischen Abschnitt aufweisen,
- c) wobei ein nicht drehendes Zulaufrohr zur Zuleitung der Suspension in einen mit
der Schnecke drehbaren Verteiler vorgesehen ist, wobei der Verteiler dazu dient, die
Suspension in Umfangsrichtung zu beschleunigen und in einen Trennraum zwischen der
im Betrieb rotierenden Schnecke und der im Betrieb rotierenden Trommel zu leiten,
a) wobei der Verteiler in eine Verteilerkammer der Schnecke eingesetzt ist und ein
Kanalsystem zur Stromteilung der zuzuleitenden Suspension in Teilströme aufweist,
und
d) wobei der Verteiler einstückig ausgeführt ist, und des einstückigen Verteilers
das Kanalsystem mehr als zwei Abschnitte und/oder Teilkanäle aufweist, die jeweils
zumindest über einen Teil ihrer Länge, vorzugsweise über ihre gesamte Länge, jeweils
umfangsgeschlossen insbesondere rohrartig oder ringrohrartig ausgebildet sind.
[0016] Dadurch wird in vorteilhafter Weise eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge mit einem
Verteiler geschaffen, der gut herstellbar und dennoch einfach montierbar und demontierbar
ist.
[0017] Der Rotor wird in der Regel über einen oder zwei Elektromotore und ggf. Getriebe
angetrieben. Er kann ein- oder beidseitig in Wälzlagern gelagert sein.
[0018] Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Verteiler durch ein Urformverfahren hergestellt
ist. Dadurch können auch komplizierte Verteiler-Geometrien einfach hergestellt werden
[0019] In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist der Verteiler
in einem 3D-Druckverfahren oder durch ein Gießverfahren hergestellt. Insbesondere
das 3D-Druckverfahren eröffnet vorteilhaft die Möglichkeit zur einfachen Herstellung
eines erfindungsgemäßen Verteilers mit einer Geometrie mit mehreren Abschnitten und/oder
Teilkanälen, die durch andere Urformverfahren nur schwierig oder mit einem erheblichen
Aufwand herstellbar wären.
[0020] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Kanalsystem
in Zulaufrichtung einen konischen Abschnitt auf, der rotationssymmetrisch in dem Verteiler
ausgebildet ist. Dadurch kann der Verteiler vorteilhaft für unterschiedliche Zulaufrohrdurchmesser
verwendet werden. Der konische Abschnitt ist vorzugsweise als umfangsgeschlossener
Kanalabschnitt ausgebildet.
[0021] Es kann weiter nach einer Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass sich an den
konischen Abschnitt in Zulaufrichtung ein zylindrischer Abschnitt anschließt, der
rotationssymmetrisch in dem Verteiler ausgebildet ist. Der zylindrische Abschnitt
ist vorzugsweise umfangsgeschlossen ausgebildet.
[0022] Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass in den
zylindrischen Abschnitt und/oder den konischen Abschnitt des Kanalsystems ein vorzugweise
domartiger vorsprungartiger Abschnitt aus Material des Verteilers hineinragt, so dass
ein ringartiger Abschnitt des Kanalsystems gebildet wird.
[0023] Dadurch erfolgt vorteilhaft einfach eine Verteilung des Zulaufstroms. Der domartige
Abschnitt ist vorsprungartig ausgebildet. Der ringartige Abschnitt ist vorzugsweise
als umfangsgeschlossener ringartiger Kanalabschnitt ausgelegt.
[0024] Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
der domartige, vorsprungartige Abschnitt eine im Wesentlichen paraboloidische Grundgeometrie
aufweist und rotationssymmetrisch in dem Verteiler ausgebildet ist. Dadurch ergibt
sich eine vorteilhaft langsam zunehmende Durchmesserveränderung, die Verwirbelungen
und Scherung in der Strömung vorteilhaft vermeidet.
[0025] Es kann ferner nach einer weiteren bevorzugten Gestaltung der Erfindung vorgesehen
sein, dass sich der zylindrische Abschnitt und/oder der konische Abschnitt in Zulaufrichtung
in zwei oder mehr Teilkanäle verzweigt. Durch die Teilkanäle wird der Zustrom einer
Suspension weiter strömungsgünstig, d.h. unter Beibehaltung einer laminaren Strömung
und ohne Scherung und damit vorteilhaft aufgeteilt und in Richtung des Trennraums
der Vollmantel-Schneckenzentrifuge geführt.
[0026] Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Teilkanäle in Zulaufrichtung radial kontinuierlich
ihren Abstand von einer Symmetrieachse A des Verteilers vergrößern. Dadurch wird die
zugeführte Suspension in den Teilkanälen kontinuierlich und damit vorteilhaft auf
die Drehgeschwindigkeit der Schnecke beschleunigt.
[0027] Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
die Teilkanäle einen Drall oder eine Windung aufweisen, die gegen die Rotationrichtung
RR oder in Rotationsrichtung RR der Vollmantel-Schneckenzentrifuge gerichtet sein
kann. Dadurch wird die zugeführte Suspension je nach Drallrichtung schonend, d.h.
unter Beibehaltung einer laminaren Strömung und ohne Scherung und Gaseintrag in die
Suspension in Richtung des Trennraums gefördert und dabei auf die Drehgeschwindigkeit
der Schnecke beschleunigt.
[0028] Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Teilkanäle einen im Wesentlichen runden
Querschnitt aufweisen. Dadurch ergibt sich vorteilhaft ein strömungsgünstiger Querschnitt
der Teilkanäle ohne unnötige Strömungswiderstände.
[0029] Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
die einzelnen Teilkanäle jeweils mit Drall bzw. jeweils nach Art eines Abschnittes
einer Schraubenlinie mit einem zunehmenden Radius verlaufen. Der zunehmende Radius
garantiert die notwendige Beschleunigung der zulaufenden Suspension. Durch den schraubenlinienförmigen
Verlauf (die Schraubenlinie erstreckt sich dabei vorzugsweise nicht über eine vollständigen
Wendel von 360°, sondern lediglich über einen schraubenlinienartigen Abschnitt von
180° oder weniger) kann die Strömung in den Teilkanälen je nach Bedarf konstruktiv
einfach und damit vorteilhaft gezielt beeinflusst werden, d.h. der Wert der Beschleunigung
verändert werden.
[0030] Es ist nach einer Variante der Erfindung vorgesehen, dass der Drall der Teilkanäle
dadurch verändert wird, dass der aus einem elastischen Werkstoff gefertigte Verteiler
axial verdreht bzw. tordiert montiert ist. Dadurch ergibt sich eine einfach zu realisierende
Möglichkeit zur Veränderung des Drallwinkels bei der Montage des Verteilers.
[0031] Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass
der Verteiler eine Aufnahme für ein Werkzeug aufweist, so dass der Verteiler mit Hilfe
des Werkzeugs aus der Verteilerkammer der Schnecke herausgezogen werden kann. Dadurch
ergibt sich eine vorteilhaft einfache Montage und Demontage des Verteilers.
[0032] Es kann weiter nach einer Variante der Erfindung vorgesehen sein, dass das Werkzeug
mit der Aufnahme einen Bajonettverschluss bildet, so dass eine formschlüssige Verbindung
zwischen dem Werkzeug und der Aufnahme herstellbar ist. Dadurch ergibt sich eine vorteilhaft
einfache und sichere Montage und Demontage des Verteilers.
[0033] Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den übrigen Unteransprüchen
und dem bevorzugten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
[0034] Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf
die Figuren näher beschrieben. Die Figuren sind aber lediglich beispielhaft zu verstehen
und veranschaulichen die Erfindung nicht in abschließender Weise. Auch andere wortsinngemäße
Ausführungsformen und Äquivalente der dargestellten Ausgestaltungen sind realisierbar
fallen unter den Schutzbereich. Zudem sind einzelne Merkmale, die in Halbsätzen, Sätzen
oder Absätzen der nachfolgenden Beschreibung beschreiben werden, je für sich betrachtet
nicht nur für das jeweils dargestellte Ausführungsbeispiel vorteilhaft, sondern können
allgemeiner auch für andere Ausführungsbeispiele der Erfindung genutzt werden, welche
diese dann aufweisen. Es zeigen:
- Figur 1:
- eine schematische Schnittdarstellung einer Vollmantel-Schneckenzentrifuge;
- Figur 2:
- eine Schnittdarstellung der Verteilerkammer der Vollmantel-Schneckenzentrifuge aus
Fig. 1;
- Figur 3:
- ein Querschnitt eines Verteilers aus der Fig. 2;
- Figur 4:
- eine räumliche Ansicht des Verteilers aus Fig. 2 und 3.
[0035] Fig. 1 zeigt eine Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 mit einem Rotor mit einer um eine
Drehachse D drehbaren Trommel 2, in der eine ebenfalls um diese Drehachse drehbare
gelagerte Schnecke 3 angeordnet ist. Ein nicht dargestellte Antriebsvorrichtung dient
zum Drehen des Rotors im Betrieb.
[0036] Radialrichtungen senkrecht zur Drehachse D sind mit "R" bezeichnet.
[0037] Die Trommel 2 und die Schnecke 3 weisen jeweils einen im Wesentlichen zylindrischen
Abschnitt 4, 5 und jeweils lediglich einen sich hier konisch verjüngenden Abschnitt
6, 7 auf. Die Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 dient zum Klären und Trennen einer
fließfähigen Suspension in einem Zentrifugalfeld in eine Feststoffphase SP sowie in
eine oder mehrere Flüssigkeitsphasen LP.
[0038] Die Schnecke 3 rotiert im Betrieb der Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 mit einer
etwas kleineren oder größeren Geschwindigkeit als die Trommel 2, so dass sich zwischen
der Schnecke 3 und der Trommel 2 eine Differenzdrehzahl ergibt.
[0039] Ein sich axial erstreckendes zentrisches Zulaufrohr 8 dient zur Zuleitung des Schleudergutes
in axialer Richtung in einen mit der Schnecke 3 drehbaren Verteiler 9.
[0040] Der Verteiler 9 bildet somit einen Teil des Rotors. Er dient zum Umleiten der Suspension
radial nach außen und zum Einleiten in den Trennraum 10 zwischen Trommel und Schnecke
und zur Beschleunigung des Produktes in Umfangsdrehrichtung auf die Drehzahl der Schnecke.
Der Verteiler 9 ist hier von besonderem Interesse. Er wird weiter unten noch näher
beschrieben.
[0041] Im Trennraum 10 bildet sich auf Grund der Rotation der Trommel 2 im Zentrifugalfeld
ein kreiszylindrischer Flüssigkeitsraum aus, der sogenannte "Teich".
[0042] Die Tiefe des Teichs in der Trommel 2 wird durch einen Flüssigkeitsaustrag, der hier
durch ein Wehr 11 realisiert ist, begrenzt. Auf Grund des Dichteunterschieds zwischen
der dichteren Feststoffphase SP und der weniger dichten Flüssigkeitsphase LP setzt
sich die Feststoffphase SP auf der Innenwand der Trommel 2 ab. Radial weiter innen
strömt die sich klärende Suspensionsflüssigkeit in den von einer Wendel 31 der Schnecke
3 im Sediment gebildeten Gang bzw. Kanal in Richtung des Wehrs 11.
[0043] In zum Flüssigkeitsstrom entgegengesetzter Strömungsrichtung wird die Feststoffphase
SP durch die aus der größeren oder kleineren Geschwindigkeit der Schnecke 3 gegenüber
der Trommel 2 resultierende Differenzbewegung der Schnecke 3 zunächst am zylindrischen
Abschnitt 4 der Trommel 2 entlang und anschließend den konischen Abschnitt 6 der Trommel
2 hinauf gefördert. Hierzu dient die Wendel 31. Dabei verlässt die Feststoffphase
SP den Flüssigkeits-Teich, wird über den "trockenen" liegenden Teil des konischen
Abschnitts 6 der Trommel 2 transportiert und danach durch den Feststoffauslass 12
ausgeworfen.
[0044] Die Flüssigkeitsphase LP strömt dagegen zum größeren Trommeldurchmesser am hinteren
Ende des zylindrischen Abschnitts 5 der Trommel 2 und wird dort durch das Wehr 11
- hier im Trommeldeckel 19 angeordnet - abgeleitet.
[0045] Es handelt sich hier um eine Zwei-Phasentrennung, bei der eine zu klärende Suspension
in nur eine einzige Feststoffphase SP und eine einzige Flüssigkeitsphase LP getrennt
wird. Alternativ kann die Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 auch so ausgelegt sein,
dass die zu klärende Suspension S in eine einzige Feststoffphase SP und in zwei Flüssigkeitsphasen
LP1, LP2 getrennt wird.
[0046] In Fig. 2 ist der Verteiler 9 der Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 im Vollschnitt
dargestellt. Er weist eine vorzugsweise rotationssymmetrische, im Wesentlichen zylindrische
Grundgeometrie auf.
[0047] Der Verteiler 9 ist einstückig ausgeführt bzw. ausgebildet.
[0048] Dadurch lässt er sich vorteilhaft einfach montieren und demontieren. Zu seiner Herstellung
werden vorzugsweise besonders vorteilhafte Verfahren eingesetzt, die weiter unten
noch näher erläutert werden.
[0049] Mit dem Begriff "einstückig" ist hier gemeint, dass der Verteiler 9 nicht durch Fügen
- auch nicht durch stoffschlüssiges Fügen - mehrerer Teile miteinander hergestellt
worden ist, sondern aus nur einem Teil besteht.
[0050] Ein Abschnitt der Außenkontur der ansonsten zylindrischen Grundgeometrie des Verteilers
9 weist eine nicht runde Kontur 91 (siehe Fig. 3) auf, die mit einer entsprechenden
Kontur innerhalb einer Verteilerkammer 32 der Schnecke 3 geometrisch korrespondiert.
Die nicht runde Kontur 91 kann als vierseitige Anflächung gestaltet sein, so dass
sich -wie in Fig. 3 dargestellt- eine rechteckige oder zu einem Rechteck ergänzbare
nicht runde Kontur 91 ergibt. Somit ist ein eindeutig positionierter und formschlüssiger
Sitz des Verteilers 9 in der ansonsten korrespondierend ausgebildeten Verteilerkammer
32 der Schnecke 3 gewährleistet. Die nicht runde Kontur 91 kann auch anders gestaltet
sein, wesentlich sind eine eindeutige Positionierbarkeit des Verteilers 9 in dem Verteilerkammer
32 und ein Formschluss im Sinne einer Drehmomentübertragungskontur.
[0051] Der Verteiler 9 kann in die Verteilerkammer 32 der Schnecke 3 mit einer Spielpassung
eingesetzt sein. Die Spielpassung kann derart ausgelegt sein, dass das Spiel zwischen
einem Außenumfang des Verteilers 9 und einer Innenwand der Verteilerkammer 32 im Betrieb
der Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 durch eine elastische Verformung des Verteilers
9 auf Grund einer Zentrifugalkraft, die auf den Verteiler 9 wirkt, aufgehoben wird,
so dass sich im Betrieb der Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 der Umfang des Verteilers
9 fest gegen die Innenwand der Verteilerkammer 31 schmiegt. Dadurch ergibt sich im
Betrieb ein fester und sicherer Sitz, während sich der Verteiler 9 bei außer Betrieb
befindlicher Zentrifuge einfach demontieren oder montieren lässt.
[0052] Zweckmäßigerweise ist der Werkstoff, aus dem der Verteiler 9 hergestellt ist, so
gewählt, dass er eine elastische Verformung des Verteilers 9 unter Einwirkung der
Zentrifugalkraft zulässt bzw. unterstützt. Ferner sollte der Werkstoff, aus dem der
Verteiler 9 hergestellt ist, genügend bzw. möglichst verschleißfest sein.
[0053] Demzufolge ist der Verteiler 9 vorzugsweise aus einem verschleißfesten und elastischen
Kunststoffwerkstoff, besonders bevorzugt aus einem thermoplastischen Elastomer, wie
z.B. Polyurethan hergestellt. Alternativ kann der Verteiler 9 auch aus einem anderen
entsprechend verschleißfesten Werkstoff hergestellt sein.
[0054] Eine genügende elastische Verformung kann dadurch unterstützt werden, dass der Verteiler
9 einen oder mehrere von einem Kanalsystem unabhängige Hohlräume oder Aussparungen
92 aufweist (siehe Fig. 2), so dass sich der Verteiler 9 in diesem Bereich leichter
aufdehnen kann und dadurch ein Spiel zwischen der Innenwandung der Verteilerkamme
31 und dem Verteiler 9 durch elastische Verformung des Verteilers 9 auf Grund der
Einwirkung von Zentrifugalkräften auf den Betrag Null reduziert und eine Pressung
erzeugt wird.
[0055] Der Verteiler 9 weist ferner ein Zulauf-Kanalsystem 93 zur Stromteilung der zulaufenden
und durchströmenden Suspension auf. Das Kanalsystem 93 erstreckt sich axial von einer
Stirnfläche des Verteilers 9 in Zulaufrichtung. Das Zulaufrohr 8 ragt axial in eine
Öffnung des Verteilers, die eine Eintrittsöffnung in das Kanalsystem 93 bildet.
[0056] Das Kanalsystem 93 kann in Zulaufrichtung zunächst einen konischen Abschnitt 931
auf, der rotationssymmetrisch in dem Verteiler 9 ausgebildet sein kann. Der konische
Abschnitt 931 weist einen kegelstumpfartigen Querschnitt auf, in den das feststehende
Zulaufrohr 8 - wie hier dargestellt - eingreifen kann. Der konische Abschnitt 931
kann an seinem Innenumfang umfangsgeschlossen rohrartig ausgebildet sein.
[0057] An den konischen Abschnitt 931 kann sich in Zulaufrichtung ein zylindrischer Abschnitt
932 anschließen, der ebenfalls rotationssymmetrisch in dem Verteiler 9 ausgebildet
sein kann. Der konische Abschnitt 931 kann an seinem Innenumfang umfangsgeschlossen
rohrartig ausgebildet sein.
[0058] In den zylindrischen Abschnitt kann vor der dem Ende des Zulaufrohres 8 entgegengesetzten
Ende ein vorsprungartiger Abschnitt 94 des Verteilermaterials hineinragen. Dieser
Abschnitt 94 kann domartig ausgebildet sein. Der domartige Abschnitt 94 kann eine
im Wesentlichen paraboloidische Grundgeometrie aufweisen und kann rotationssymmetrisch
in dem Verteiler 9 angeordnet sein.
[0059] Der zylindrische Abschnitt 932 des Kanalsystems 93 wird durch diesen domartigen Abschnitt
94 des Verteilers 9, der in den zylindrischem Abschnitt 932 hineinragt, zunehmend
in einen Abschnitt mit ringartiger Grundgeometrie verändert. Der Abschnitt ringartiger
Grundgeometrie bildet einen ringartigen Kanalabschnitt aus, der innen und außen umfangsgeschlossen
ausgebildet sein kann.
[0060] Der zylindrische Abschnitt 932 bzw. dann ringartige Abschnitt verzweigt sich in Zulaufrichtung
in mehrere, hier vier Teilkanäle 933a, b, c, d (siehe dazu auch Fig. 3). Die Anzahl
der Teilkanäle 933a, b, c, d kann je nach Durchmesser des Verteilers 9 und des Zulaufrohres
8 und auch der Viskosität der zulaufenden Suspension S variieren. Es sind mindestens
zwei Teilkanäle 933 vorgesehen. Die Teilkanäle können jeweils rohrartig umfangsgeschlossen
ausgebildet sein.
[0061] Der radiale Abstand zur Drehachse D, die auch eine Symmetrieachse A des Verteilers
9 bildet, der Teilkanäle 933a, b, c, d vergrößert sich in axialer Richtung bzw. in
Zulaufrichtung kontinuierlich. Sie verlaufen vorzugsweise quasi wendelartig.
[0062] Die Teilkanäle 933a, b, c, d können dazu nach Art eines Abschnittes einer Schraubenlinie
mit zunehmendem Radius verlaufen bzw. sie können einen Drall oder eine Windung aufweisen,
die hier gegen die Rotationrichtung RR der Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 gerichtet
ist. Alternativ kann die Richtung des Dralls oder der Windung der Teilkanäle 933a,
b, c, d auch in Rotationsrichtung RR ausgeführt sein.
[0063] Die Teilkanäle 933a, b, c, d können einen im Wesentlichen kreisrunden Querschnitt
aufweisen. Der Querschnitt der Teilkanäle 933a, b, c, d kann auch von der Kreisform
abweichend ausgeführt sein, wie z.B. oval, nierenförmig oder vieleckig. Ferner ist
es denkbar, dass die Querschnitte der Teilkanäle 933a, b, c, d jeweils unterschiedlich
oder paarweise gleich gestaltet sind.
[0064] Der Drall des jeweiligen Teilkanals 933a, b, c, d sorgt dafür, dass der aus dem Zulaufrohr
8 zugeführte Suspensionsstrom möglichst schonend, d.h. ohne größere Scherungen und
somit Verwirbelungen durch den rotierenden Verteiler 9 aufgenommen wird. Während des
gesamten Verlaufes des jeweiligen Teilkanals 933a, b, c, d bleibt die Strömung im
Teilkanal 933a, b, c, d weitestgehend laminar, bis die Suspension S den Verteiler
9 verlässt.
[0065] Der zunehmende Radius der Schraubenlinie garantiert zudem die notwendige Beschleunigung
der zulaufenden Suspension.
[0066] Die Schraubenlinie erstreckt sich dabei vorzugsweise nicht über eine vollständigen
Wendel von 360°, sondern lediglich über einen schraubenlinienartigen Abschnitt mit
einem Winkel α von 180° oder weniger. Durch die Wahl des Radius und die Wahl des Winkels
α kann die Strömung in den Teilkanälen 933a, b, c, d je nach Bedarf konstruktiv einfach
und damit vorteilhaft gezielt beeinflusst werden, d.h. der Wert der Beschleunigung
verändert werden, α ist der Winkel zwischen einem Strahl durch einen Referenzpunkt
(z.B. Mittelpunkt des Querschnitts) eines Teilkanals 933a, b, c, d an dessen Anfang
und einem Strahl durch diesem Referenzpunkt im weiteren Verlauf dieses Teilkanals
933a, b, c, d. Ausgangspunkt der Strahlen ist jeweils die Symmetrieachse A. L ist
die Strecke in Richtung der Achse A ab Anfang des Teilkanals (siehe Figur 3)
[0067] Abhängig von der Viskosität der zulaufenden Suspension S ergibt sich ein optimaler
Drallwinkel α. Es ist denkbar, dass der Drallwinkel α im Verlauf des jeweiligen Teilkanals
933a, b, c, d variiert. Ein in Fig. 3 dargestellter Drallwinkel α von 45° ist beispielhaft
gewählt. Der Drallwinkel α kann gegen oder in der Rotationsrichtung RR der Vollmantel-Schneckenzentrifuge
1 ausgeführt sein, was zu einer Beschleunigung oder zu einer Abbremsung des Suspensionszulaufes
in die Schnecke 3 führt. Je nach Randbedingungen (Viskosität, Volumenstrom, Flockungsmittel
etc.) kann in beiden Richtungen das Optimum liegen. Der Betrag des optimalen Drallwinkels
α kann deshalb im Bereich -180° ≤ α <= +180° liegen.
[0068] In eine Ausführungsvariante des Verteilers 9 kann der Drall der Teilkanäle 933a,
b, c, d dadurch verändert werden, dass der aus einem elastischen Werkstoff gefertigte
Verteiler 9 axial verdreht bzw. tordiert montiert wird. Hierdurch ändert sich der
Drallwinkel α. Hierbei ist es erforderlich, dass die Zulaufseite des Verteilers 9
nicht formschlüssig eingesetzt wird und nach dem Tordieren drehfest fixiert wird.
[0069] Die Teilkanäle 933a, b, c, d münden in radialen Austrittsöffnungen 934a, b, c, d,
die hier jeweils im Bereich einer Außenfläche A der nicht runden Kontur 91 enden.
Sie können auch in einer Mantelfläche M des Verteilers 9 enden. Die Austrittsöffnungen
934a, b, c, d können auch eine tangentiale und/oder eine axiale Richtungskomponente
aufweisen.
[0070] Es ist bevorzugt, dass der Verteiler 9 durch ein Urformverfahren, insbesondere ein
3D-Druckverfahren oder durch ein Gießverfahren hergestellt ist. Dadurch können insbesondere
auch kompliziert geformte Innengeometrien - wie das Kanalsystem 93 - einfach hergestellt
werden.
[0071] Mit dem Begriff "3D-Druck" ist ein additives oder generatives Fertigungsverfahren
gemeint, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale
Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden. Demzufolge sind zur Herstellung eines Werkstücks
keine Werkzeuge, wie z.B. Gussformen erforderlich.
[0072] Die Schnecke 3 kann korrespondierende Öffnungen 33a, b, c, d zu den radialen Austrittsöffnungen
934a, b, c, d der Teilkanäle 933a, b, c, d im Verteiler 9 zwischen der Verteilerkammer
32 und dem Trennraum 10 der Vollmantel-Schneckenzentrifuge 1 aufweisen. Die Öffnungen
33a, b, c, d können vorzugsweise ein kreisförmige Querschnittsgeometrie aufweisen.
Dadurch können die Öffnungen 33a, b, c, d in der Schnecke 3 einfach - z.B. durch Bohren
- hergestellt werden. Die Öffnungen 33a, b, c, d können aber auch anders als kreisförmig
gestaltet sein.
[0073] Der Verteiler 9 kann optional eine Aufnahme 95 für ein Werkzeug aufweisen, wie dies
in Fig. 4 dargestellt ist, so dass der Verteiler 9 mit Hilfe des Werkzeugs 13 aus
der Verteilerkammer 32 der Schnecke 3 herausgezogen werden kann. Das Werkzeug 13 kann
mit der Aufnahme 95 einen Bajonettverschluss bilden, so dass eine formschlüssige Verbindung
zwischen dem Werkzeug 13 und der Aufnahme 95 herstellbar ist. Bei fortgeschrittenem
Verschleiß kann der Verteiler 9 so auf einfache Weise ausgetauscht werden.
[0074] Bereits in Verwendung stehende Vollmantel-Schneckenzentrifugen können einfach und
vorteilhaft mit einem erfindungsgemäßen Verteiler 9 nachgerüstet werden.
[0075] Durch den Verteiler 9 wird die Suspension S auf die Drehzahl der Schnecke 3 vorbeschleunigt.
Dies geschieht dadurch, dass die Suspension S aus dem nicht bewegten Zulaufrohr in
den mit Schneckendrehzahl rotierenden Verteiler 9 übergeben wird.
[0076] Dieser axiale Fluss bzw. diese Strömungsrichtung wird in dem Kanalsystem 93 innerhalb
des rotierenden Verteilers 9 in einen Fluss bzw. eine Strömung in radialer Richtung
umgelenkt. Wenn die Suspension S den Verteiler 9 verlässt und in den Teich eintritt,
ist diese bereits auf Schneckendrehzahl beschleunigt.
[0077] Weiterhin wird durch die Aufteilung der zufließenden Suspension S in strömungsoptimierte
Teilkanäle 933a, b, c, d innerhalb des Verteilers 9 und durch die Zwangsführung der
Suspension S in diesen, eine nachteilige Scherung vermieden. Bei Verwendung eines
Flockungsmittels wird eine Entmischung bzw. Trennung von Flockungsmittel und Feststoffphase
SP ganz oder im Wesentlichen vermieden.
[0078] Außerdem werden durch die Zwangsführung der Suspensionsströmungen in den Teilkanälen
933a, b, c, d zufällige Strömungsbilder mit Gaseinschlag vermieden.
Bezugszeichenliste
[0079]
- 1
- Vollmantel-Schneckenzentrifuge
- 2
- Trommel
- 3
- Schnecke
- 31
- Wendel
- 32
- Verteilerkammer
- 33a, b, c, d
- Öffnung
- 4
- zylindrischer Abschnitt
- 5
- zylindrischer Abschnitt
- 6
- konischer Abschnitt
- 7
- konischer Abschnitt
- 8
- Zulaufrohr
- 9
- Verteiler
- 91
- nicht runde Kontur
- 92
- Aussparung
- 93
- Kanalsystem
- 931
- konischer Abschnitt
- 932
- zylindrischer Abschnitt
- 933a, b, c, d
- Teilkanal
- 934a, b, c, d
- Austrittsöffnung
- 94
- domartiger Abschnitt
- 95
- Aufnahme
- 10
- Trennraum
- 11
- Wehr
- 12
- Feststoffauslass
- 13
- Werkzeug
- 19
- Trommeldeckel
- A
- Symmetrieachse
- D
- Drehachse
- R
- Radialrichtung
- M
- Mantelfläche
- R
- Radialrichtung
- RR
- Rotationsrichtung
- S
- Suspension
- SP
- Feststoffphase
- LP
- Flüssigphase
- α
- Drallwinkel
- L
- Länge
1. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1), die zum Klären einer fleißfähigen Suspension S
in einem Zentrifugalfeld in eine Feststoffphase SP sowie in eine oder mehrere Flüssigkeitsphasen
LP dient und wenigstens aufweist:
a) einen Rotor mit einer eine um eine Drehachse drehbar gelagerten Trommel (2) und
mit einer in der Trommel (2) angeordneten, um die Drehachse drehbar gelagerten Schnecke
(3),
b) wobei die Schnecke (3) und die Trommel (2) vorzugsweise jeweils einen zylindrischen
Abschnitt und einen konischen Abschnitt aufweisen,
c) wobei ein nicht drehendes Zulaufrohr (8) zur Zuleitung der Suspension in einen
zusammen mit der Schnecke (3) drehbaren Verteiler vorgesehen ist, wobei der Verteiler
(9) dazu dient, die Suspension in Umfangsrichtung zu beschleunigen und in einen Trennraum
zwischen der im Betrieb rotierenden Schnecke (3) und der im Betrieb rotierenden Trommel
(2) zu leiten,
d) wobei der Verteiler (9) in eine Verteilerkammer (32) der Schnecke (3) eingesetzt
ist und ein Kanalsystem (93) zur Stromteilung der zuzuleitenden Suspension aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
e) der Verteiler (9) einstückig ausgeführt ist und
f) dass das Kanalsystem des einstückigen Verteilers (9) mehr als zwei Abschnitte und/oder
Teilkanäle aufweist, die jeweils zumindest über einen Teil ihrer Länge, vorzugsweise
über ihre gesamte Länge, jeweils umfangsgeschlossen ausgebildet sind.
2. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (9) eine rotationssymmetrische, im Wesentlichen oder ganz zylindrische
Grundgeometrie aufweist.
3. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (9) durch ein Urformverfahren hergestellt ist.
4. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (9) in einem 3D-Druckverfahren oder durch ein Gießverfahren hergestellt
ist.
5. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (9) aus einem verschleißfesten und elastischen Kunststoffwerkstoff,
besonders bevorzugt aus einem thermoplastischen Elastomer, insbesondere aus Polyurethan,
gefertigt ist.
6. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Kanalsystem (93) axial von einer Stirnfläche des Verteilers (9) in axialer
Richtung erstreckt und in radiale Richtung übergeht.
7. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kanalsystem (93) einen konischen Abschnitt (931) aufweist, der umfangsgeschlossen
rotationssymmetrisch zur Drehachse in dem Verteiler (9) ausgebildet ist.
8. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der konische Abschnitt (931) einen umfangsgeschlossenen kegelstumpfartigen Querschnitt
aufweist, in den das Zulaufrohr (8) eingreifen kann.
9. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den konischen Abschnitt (931) in Zulaufrichtung ein zylindrischer Abschnitt
(932) anschließt, der umfangsgeschlossen ist und der rotationssymmetrisch in dem Verteiler
(9) angeordnet ist.
10. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in den zylindrischen Abschnitt (932) und/oder den konischen Abschnitt (931) des Kanalsystems
(93) ein vorzugweise domartiger vorsprungartiger Abschnitt (94) aus Material des Verteilers
(9) hineinragt, so dass ein ringartiger Abschnitt des Kanalsystems gebildet wird,
wobei der domartige vorsprungartige Abschnitt (94) eine im Wesentlichen paraboloidische
Grundgeometrie aufweist und rotationssymmetrisch in dem Verteiler (9) ausgebildet
ist.
11. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der zylindrische Abschnitt (932) und/oder der konische Abschnitt (931) in Zulaufrichtung
in mindestens zwei oder mehr Teilkanäle (933a, b, c, d) verzweigt, wobei sich der
Abstand der Teilkanäle (933a, b, c, d) von der Drehachse in Zulaufrichtung zunehmend
vergrößert.
12. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkanäle (933a, b, c, d) nach Art eines Abschnittes einer Schraubenlinie mit
einem zunehmendem Radius verlaufen, wobei die Teilkanäle (933a, b, c, d) einen umfangsgeschlossenen
und vorzugsweise runden Querschnitt aufweisen.
13. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung im schraubenförmigen Verlauf des jeweiligen Teilkanals (933a, b, c,
d) variiert.
14. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Drall der Teilkanäle (933a, b, c, d) dadurch ändert, dass der aus einem
elastischen Werkstoff gefertigte Verteiler (9) axial verdreht bzw. tordiert montiert
ist.
15. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilkanäle (933a, b, c, d) in radialen Austrittsöffnungen (934a, b, c, d) münden,
die im Bereich einer Außenfläche A einer nicht runden Kontur (91) des Verteilers (9)
enden, wobei die Schnecke (3) korrespondierende Öffnungen (33a, b, c, d) zu den radialen
Austrittsöffnungen (934a, b, c, d) der Teilkanäle (933a, b, c, d) im Verteiler (9)
zwischen der Verteilerkammer (32) und dem Trennraum (10) der Vollmantel-Schneckenzentrifuge
(1) aufweist und wobei die Öffnungen (33a, b, c, d) vorzugsweise ein kreisförmige
Querschnittsgeometrie aufweisen.
16. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (9) eine Aufnahme (95) für ein Werkzeug (13) aufweist, so dass der
Verteiler (9) mit Hilfe des Werkzeugs (13) aus der Verteilerkammer (32) der Schnecke
(3) herausziehbar ist, vorzugsweise derart, dass das Werkzeug (13) mit der Aufnahme
(95) einen Bajonettverschluss bildet, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen
dem Werkzeug (13) und der Aufnahme (95) herstellbar ist.
17. Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnecke (3) mit einer Differenzdrehzahl zur Trommel drehbar ist und dass sie
dazu ausgelegt ist, Feststoff zu einem Feststoffauslass (12) an einem freien Ende
ihres konischen Abschnitts zu fördern, während wenigstens eine Flüssigphase (LP) in
entgegengesetzter Richtung in der Trommel (2) in Richtung wenigstens eines Flüssigkeitsauslasses
(11) strömt und dass die Vollmantel-Schneckenzentrifuge (1) wenigstens eine Antriebsvorrichtung
zum Drehen der Schnecke und zum Drehen der Trommel aufweist.