Abb. 1 Schema Des Abscheiders

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1 1.2. OPTIMALE DIMENSIONIERUNG DES RUSSABSCHEIDERS Die erfolgreiche Anwendung des Rußabscheiders setzt vor allem seine richtige Auslegung voraus. Die Zusammenhänge zwischen den Druckverlusten, den Dimensionen und der Abscheideleistung sind bis heute von einigen Autoren für Staubteilchen untersucht worden [1,2,3]. Die Abb. 1 zeigt den Aufbau eines Abschei-ders. Die im Rauch enthaltenen Rußteilchen werden dem rotationssymmetrischen Abscheideraum tangential zugeführt. Im Abscheideraum entsteht eine Rotationsströmung, in der die Rußteilchen sich unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft und der Schwerkraft nach außen und nach unten bewegen und in den Rußsammelbehälter gelangen. Der so zum Teil gereinigte Rauch verläßt den Abscheider durch ein in der Abscheideachse angeordnetes Tauchrohr. Mit einem optimal dimensionierten Abscheider werden etwa 60 % Rußteilchen, welche einen Korndurchmesser unter 0,01 mm, eine Abb. 1 Schema Des Abscheiders 24

2 Die in der Atmosphäre verbreiteten Rußteilchen, die im Winter aus den Schornsteinen der mit qualitativ schlechter Kohle betriebenen Zentralheizungen entweichen, spielen bei der Verschmutzung der Umwelt einegroße Rolle. Die Umweltverschmutzung sollte durch die technischen Maßnahmen so niedrig wie möglich gehalten werden. Mit Hilfe eines Computers wurde ein optimaler Abscheider dimensioniert. Mit einem Computerprogramm, über das der Autor gerne nähere Auskunft gibt, kann man die Größe des Abscheiders am Bildschirm maßstäblich auch zeichnen. Der Abscheider wurde hergestellt und experimentell untersucht. mittlere Sinkgeschwindigkeit unter 0,006 m/s, eine mittlere Dichte von 1700 kg/m 3 hatten, vom Rauch entfernt, Abmessungen eines optimalen Abscheiders Bei der Bestimmung der Abscheidegeometrie müssen die Rauchtemperatur, der Rauchvolumenstrom, die mittlere Dichte der Rußteilchen, die Sinkgeschwindigkeit eines Rußteilchens usw. vorher festgestellt werden. Das Verhältnis von mittlerer Umfangsgeschwindigkeit (Ud) zu mittlerer Radialgeschwindigkeit (Vd) auf der Zylinderfläche des Tauchrohres vom Durchmesser 2r d ist eine wichtige Größe und kann wie folgt angegeben werden [1]: Ud r d.r g. V F. h.r.. d g g (1) In der oben angegebenen Formel ist α der Korrekturfaktor. Er ist fast immer kleiner als 1. Die Größe des Korrekturfaktors a hängt vor allem vom 25

3 Verhältnis b/ra für die Einlaufform B (Abb. 3} ab, und diese Abhängigkeit wurde in Abb. 2 dargestellt [4]. Wenn das Verhältnis b/ra größer als 0,29 wird, ändert sich die Kurve linear. Die Bedeutungen der Bezeichnungen in der Gleichung (1) lauten wie folgt: r d = Radius des Tauchrohreintritts (m) r g = Radius des Abscheidemantels (m) F g = Eintrittsquerschnitt (m 2 ) h = Abstand vom Abscheideunterteil bis zum Tauch roh runterteil (h = S + T) (m) γ = Wand reibungswert (-) Mit zunehmender Umfangsgeschwindigkeit Ud steigt sowohl der Druckverlust wie auch die Abscheideleistung an. Um sich ein Bild darüber machen zu können, inwieweit der Druckverlust zur Erhöhung der Abscheideleistung nutzbar gemacht worden ist und inwieweit er durch andere Verlustquellen bedingtist, wird die Verlustziffer (ε) eingeführt [1]. Die Verlustziffer (ε) ist die Summe der Verlustziffer am Eintritt des Tauchrohres (ε g ) und der Verlustziffer im Tauchrohr (ε d ). g d (2) Die Verlustziffer am Eintritt des Tauchrohres lautet wie folgt [1]: 26

4 1 g 2 (3) U d.h 1 V r d d 1 Hier ist ra der Radius des Tauchmantels. Die Verlustziffer im Tauchrohr (ε d ) kann mit Hilfe der folgenden Beziehung ermittelt werden [3]. K d 2/3 U d / Vd 1 (4) Die Verhältnisse in einem Bereich von Ud/Vd>1 können sehr gut durch die Gleichung (4) wiedergegeben werden, falls für scharfkantige zylindrische Tauchrohre K = 4,4, für abgerundete zylindrische Tauchrohre K= 3,41 eingesetzt wird [3]. Die Druckverlustziffer (ζ) welche am Eintritt des Tauchrohres auftritt, wird durch folgende Gleichung ermittelt, da die Verlustziffer (ε) aus der Gleichung (2) berechnet werden kann. 27

5 2 ( U d / Vd ) (5) Der Druckverlustbeiwert, bezogen auf die Geschwindigkeit am Abscheidereintritt, kann durch die Gleichung (6) berechnet werden, falls die Fläche des Tauchrohres (Fd) bekannt ist. 2 ( F g / Fd ) (6) Hier kann die Fläche des Tauchrohres durch die Beziehung Fd = Π rd 2 ermittelt werden. Die mittlere Geschwindigkeit im Abscheidereintrittsquerschnitt (Vg) kann man durch folgende Beziehung berechnen, wenn der Rauchvolumenstrom (V) gemessen werden kann. werden: V g / F g (7) Für den Gesamtdruckverlust kann dann folgende Gleichung benutzt 2 P. pv. g / 2 (8) Hier ist p die mittlere Dichte des Rauches.Die die Abscheideleistung bestimmende Sinkgeschwindigkeit kann durch die Gl. (9) ermittelt werden, da der Gesamtdruckverlust ( P) und die Verlustziffer (ε) mit Hilfe der oben angegebenen Gleichungen berechnet werden kann [1]. W x c V. P. 4.. h. P (9) Die zu der Sinkgeschwindigkeit W c x gehörende Korngröße wird als Grenzkorngröße bezeichnet. Unter den getroffenen Annahmen müßten alle Teilchen mit W c > W c x auf der Zylinderfläche zurückgehalten und alle Teilchen mit W c < W c x durchgelassen werden. Deswegen spielt das Verhältnis W c /W c x eine bedeutende Rolle bei der Dimensionierung des Abscheiders. Dieses Verhältnis soll nicht kleiner als 1 sein. Falls nach den 28

6 Berechnungen das Verhältnis W c /Wcx kleiner als 1 ist, müssen der Radius ra des Abscheiders und die Höhe h vergrößert werden. Verschiedene Einlaufformen von Abscheidern In Abb. 3 sind drei verschiedene Einlaufformen dargestellt. Bei der Einlaufform A wird der Rauch durch eine Spirale dem Abscheideraum des Abscheiders zugeführt. Bei der Einlaufform B wird der Rauch durch einen rechteckigen Einlauf dem Abscheideraum zugeführt, wobei sich der Rauch hier selbst beschleunigt. Bei der Einlaufform C wird der Rauch durch einen rechteckigen Kanal dem Abscheideraum zugeführt. Bei gleichem Eintrittsquerschnitt ist der erzeugte Impulsmoment bei Einlaufform C sehr viel kleiner als bei Einlaufform B und A. Es empfiehlt sich, die Einlaufformen A und B in der Praxis zu verwenden, da bei der Einlaufform C der Eintrittskanal in das Innere des Abscheideraumes, hineinragt, welches zusätzliche Strömungsverluste verursacht. Die Einlaufform B hat gegenüber der Einlaufform A den Vorteil des geringeren Platzbedarfs und eine geringere Verschmutzungsgefahr. Experimentelle Untersuchungen Zum Zweck der experimentellen Untersuchungen wurde eine Versuchsanlage gebaut. Zur Überprüfung des entwickelten Rechenverfahrens sollte ein Vergleich der gerechneten.werte mit Versuchsergebnissen durchgeführt werden. Dafür wurden Rußteilchen von 29

7 verschiedenen Zentralheizungsschornsteinen gesammelt. Zuerst wurde die mittlere Dichte, der mittlere Durchmesser und die mittlere Sinkgeschwindigkeit der Rußteilchen im Labor festgestellt. In Abb. 4 wurde die Versuchsanlage schematisch dargestellt. Die Luft wurde durch ein Radialgebläse (1), dessen Drehzahl eingestellt werden kann, dem Abscheideraum zugeführt. Der Volumenstrom der Luft wird an der Stelle mit der Nummer 4 gemessen. Da die Temperatur der Luft auf die Meßergebnisse einen großen Einfluß zeigt, wurde während der Versuche die Temperatur der Luft durch ein Thermometer (3) überwacht. Zusätzlich wurde die Drehzahl des Radialgebläses (1) durch den Drehzahlzähler (2) kontrolliert. Die Rußteilchen wurden durch die Zellenradschleuse (5) dem Verbindungskanal (6) zugeführt. Die Menge der Rußteilchen wurde durch die Zellenradschleuse (5) bestimmt. Die in der Luft befindlichen Rußteilchen werden dem Abscheideraum tangential zugeführt, Im Abscheideraum entsteht eine Rotationsströmung, in der die Rußteilchen nach unten wandern und in den Rußteilchensammelbehälter (8) gelangen. Durch Wiegen der im Sammelbehälter (8) befindlichen Rußmenge kann die Abscheideleistung des Abscheiders bestimmt werden, Wie es aus Abb. 4 ersichtlich ist. wurde die Anlage mit kalter Luft durchströmt. Allerdings strömt in Wirklichkeit der warme Rauch durch den Abscheider, welcher eine Temperatur von etwa 80 C am Ausgang des Schornsteins hat. Außerdem wird die Luft durch das Radialgebläse gezwungenermaßen in den Abscheideraum (7) eingeblasen. Diese beiden Gesichtspunkte werden sicherlich bei der Dimensionierung eine Rolle spielen. Es wurden über 30 Stück Abscheider hergestellt und auf den Zentrafheizungsschornsteinen montiert. Sie wurden nach bestimmten Abständen beobachtet. Nach diesen Beobachtungen wurde festgestellt, daß durch das unten angeführte Computerprogramm der dimensionierten Abscheider die Rußteilchengut abgefangen werden konnten. 30

8 Schlußfolgerungen Bei diesem Versuch mit dreißig Anlagen wurden nach einer Betriebsdauer von einer Heizperiode folgende Punkte festgestellt: In den Zentralheizungsanlagen, die mit qualitativ schlechter Kohle betrieben werden, sind die Rußabscheider für die Umwelt unentbehrlich. Der Kessel derzentralheizung mußwegen der schlechten Kohle alle 24 Stunden gereinigt werden. Durch den Rußteilchensammelbehälter soll keine Luft angesaugt werden, weil sonst der Rauch durch die angesaugte Luft wieder in den Ofen zurückgeblasen wird. Der Rußteilchensammelbehälter muß jede Woche mindestens einmal entleert werden. Sonst können Rußteilchen in den Abscheideraum eindringen, wodurch die Abscheideleistung sich verringert. Alle zwei Wochen muß der Abscheider mit einem Stock geschlagen werden, da sich sonst die Rußteilchen durch die Feuchtigkeit an den Wänden des Abscheideraums festsetzen. 31

9 Die Wände des Schornsteins müssen alle 1,5 Monate gereinigt werden, um die Rußteilchen von den Wänden zu entfemen. Weil in jedem Fall der Abscheider einen Widerstand verursacht, wird sich der Wirkungsgrad des Kessels ein bißchen verringern, was als normal angenommen werden kann. 32

10 Literatur [1] Barth, W., Berechnung und Auslegung von Zyklonabscheidern auf Grund neuerer Untersuchungen, Brennstoff-Wärme-Kraft, Bd. 8, (1956) H.l, S. 1/9. [2] Linden, A. J., Untersuchungen an Zyklonabscheidern, VDI-Tagungsheft Nr. 3, S. 7, Düsseldorf, [3] Weidner, G., Die Bestimmung der Druckverluste von Zyklonabscheidern, VDI-Tagungsheft Nr. 3, S. 18, Düsseldorf, [4] Ranft, L., Die Bestimmung der Strömungsverhältnisse am Eintritt eines Zyklonabscheiders mit Hilfe der Methode der konformen Abbildung, Diss. TH Karlsruhe,