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Die
Entwicklung der Gaszentrifuge bei IMPECon hat mehrere
Entwicklungsschritte durchlaufen. Zur Zeit ist der Prototyp 4 der Zentrifugen-Reihe für
hochangereichertes Gasgemisch verfügbar und dient der Festlegung von
Konstruktionsparametern und der Auswahl von Betriebsparametern für die
Zentrifugen aus dem Entwicklungsvorhaben, hauptsächlich Biogas-Zentrifuge
und Kraftwerk-Zentrifuge. Das nachfolgende Bild zeigt den Prototypen. Das separierte
Gas SG gelangt durch eine Öffnung im Boden der Sammelkammer durch ein
Nadelventil V-SG in eine Meß-Kammer, worin ein Sensor für die Messung der
Kohlendioxid-Konzentration existiert und
durchläuft weiter einen Durchflußsensor für Q-SG (0 ... 1 liter/Min) und
wird danach in die Umgebung entlassen. Dies ermöglicht eine von
Druckschwankungen unverfälschte Messung des Durchflusses Q-SG. Das an
Kohlendioxid verarmte Gas wird an der unteren Seite des Rotors und zwar
durch dessen hohle Achse entlassen und gelangt als Rest-Gas RG in die
untere Kammer, von wo mittelbar durch ein Nadelventil V-RG nach draußen gelangt, nachdem es
ein Durchflußsensor für das Rest-Gas Q-RG durchläuft. Beide
Durchflußsensoren Q-SG und Q-RG liefern je ein elektrisches Signal,
welche zur Anzeige auf zwei analoge Voltmeter gelangen, die auf dem
Anzeige- und Bedienpult montiert sind und welche geeicht direkt in
Liter/Min sind. Parallel dazu stehen je zwei Buchsen für Bananen-Stecker
unter jedem dieser Voltmeter, worauf die Meßsignale auch an einem
externen Meßgerät geführt werden können. Der Kohlendioxid-Sensor von
Firma Alpha-Sense (GB) basiert auf die Unterdrückung der IR-Strahlung mit
einer Wellenlänge von 4.260 nm, abhängig von der
Kohlendioxid-Konzentration. Das Signal wird zwecks Anzeige zu einem
Mikroamperemeter, plaziert auf dem Bedienpult, geführt, wobei zwei
darunter liegende Buchsen für 4 mm Bananen-Stecker das Meßsignal für ein
externes Gerät verfügbar macht. Der Antrieb der
Gaszentrifuge besteht aus einem mit dem Rotor direkt gekoppelten
Hochgeschwindigkeitsmotor mit 3 kW Nennleistung bei 29.000 U/Min. Dieser
Motor wird gespeist mit Drehstrom, geliefert von einem Frequenzwandler
Typ MicoMaster-420 von Firma Siemens. Der Frequenzwandler wird von
normalen 220 VAC Netz gespeist. Dieser Wandler ist ebenfalls auf dem
Bedienpult plaziert. Die Drehzahlerhöhung erfolgt durch antippen der
gewünschten Frequenz an der Bedieneinheit dieses Frequenzwandlers, welche
auch digital angezeigt wird. Um
eventuelle sich anbahnende unwuchtbedingte Unfälle während des Betriebs
mit dem schnelldrehenden Rotor zu vermeiden, wurden Sicherheitsmaßnahmen
getroffen, um solche Unfälle abzufangen. Diese sind: -
ständige
Erfassung der Rotor Unwucht während des Betriebes durch einen
Beschleunigungssensor montiert auf der oberen Abdeckung der Zentrifuge;
dieses Signal wird an auf einem Oszilloscop visualisiert und muss während
des Betriebes ständig unter Beobachtung stehen -
Drehzahl-
und Rotorlage-Erfassung mittels einer Lichtschranke während des
Betriebes; dieses Signal muss zu einem zweiten Kanal desselben
Oszilloscopes geführt werden und wird benutzt für die Darstellung des
Signals von der Reflexionslichtschranke – ein Impuls pro Umdrehung -. -
Konstruktive
Maßnahmen die ausschließen, daß aus dem Rotor ausbrechende Teile, Schaden
in der Umgebung der Zentrifuge verursachen können. -
Extrem
stabile 4 Punkte Verankerung des Gerätes auf einem pyramidenförmigen
Gestell mit breiter Basis um auch größte Unwuchtkräfte während des
Betriebes auffangen zu können. Bei den Tests ist unbedingt notwendig, daß
das Gerät mittels 4 Schrauben an einem unverrückbaren Gestell befestigt
ist. Es wurden
Messungen zur Ermittlung der Trennleistung der Zentrifuge ZF-H-P4
durchgeführt. Sie dienen dazu, Klarheit zu verschaffen, hinsichtlich -
Erreichung
höchster Konzentration im separiertem Gas -
Ermittlung
von Durchflußwerten mit dem jetzigen Prototypen -
Anforderungen
für die Konstruktion und Herstellung des nächsten Prototypen ZF-H-P5 Zunächst allgemeines über
Grenzdurchsatz oder QSG-N
Grenzdurchfluß: dies ist der maximall erreichbare Durchfluß an
separiertem Gas bei einer Drehzahl N, bei Überschreitung dessen die KC02-SG
Konzentration des Kohlendioxids im separierten Gas anfängt zu sinken. Definition des Trennwiderstandes T: dies ist der
Widerstand bei der Abtrennung von Kohlendioxid aus einem bestimmten
Gasgemisch, welcher bei einer Drehzahl N durch eine zentrifugale Druckdifferenz
DpZF-L-CO2, wenn z.B. Luft und Kohlendioxid sich in der
Zentrifuge befindet, überwunden werden muss, um ein Grenzdurchfluß QSG-N von separiertem Gas zu
ermöglichen. Der Trennwiderstand T gilt für jeweils einen Typ vom
Gasgemisch, aber einmal ermittelt für ein Gaspaar, kann er durch
Berücksichtigung der Dichteverhältnisse für beliebige Gaspaare abgeleitet
werden. Der Trennwiderstand T ist – für
eine bestimmte Gaskombination – nur abhängig von den
Konstruktionsparametern: -
Rotordurchmesser -
Anzahl
der Stufen -
Wirksamkeit
der ... -
Größe
und Anzahl ... -
Größe
und ... -
... -
Rotorlänge -
Gaskombination Das Verhältnis zwischen Trennwiderstand, zentrifugale
Druckdifferenz und Durchfluß ist: QSG-N
= DpZF-L-CO2 / TL-CO2 Wobei im TL-CO2 auch
der Proportionalitätsfaktor enthalten ist, notwendig um QSG-N in l/Min und DpZF-L-CO2 in mbar
einsetzen zu können. Dies führt zu der sehr wichtigen Feststellung, daß,
wenn einmal der Trennwiderstand für eine – auch relativ niedrige Drehzahl
– ermittelt wurde, er für alle weiteren höheren Drehzahlen gilt. Dies ist
die Grundlage für Extrapolationen, die ermöglichen werden,
Schlußfolgerungen aufgrund des vorhandenen Prototyps zu ziehen, welche
für die Auslegung des nächsten Prototyps ausschlaggebend sind. Anmerkung
zur Abtrennung von Kohlendioxid: Bei einem
Gasgemisch von CO2 / Luft beim atmosphärischem Druck (1.000 mbar) mit der
vol. Konzentration von z.B. 12,5 % ist der Partialdruck des Kohlendioxids
gleich 125 mbar. Um eine 100 %-e Konzentration von Kohlendioxid im
separierten Gas zu erreichen, ist es notwendig, daß die zentrifugale
Druckdifferenz DpZF-L-CO2 wenn Luft und Kohlendioxid sich in
der Zentrifuge befindet, mindestens so groß ist, wie die Differenz (1.000
– 125) = 875 mbar, um eben den Kohlendioxid auf atmosphärischem Druck zu
bringen. Man muss sich dies auch so vorstellen, daß vom Einlaß in die
Zentrifuge der atmosphärische Druck wirkt und das Ganze im Gleichgewicht
sein muss. Mit steigender Konzentration im Einlaß-Gasgemisch verringert
sich die notwendige zentrifugale Druckdifferenz entsprechend – s. Tabelle
1 -, worin der Anteil der Konzentrationssteigerung bezogen auf Drehzahl
ersichtlich ist. Ermittlung der
zentrifugalen Druckdifferenz DpZF-L-CO2 und des
Grenzdurchflusses QSG-N im Falle von Kohlendioxid / Luft
Gasgemisch. Durch experimentelle Messungen
und Berechnungen wurden folgende Werte ermittelt: Tabelle 1 N
[U/Min] DpL-CO2 [mbar] DKCO2 [%
vol.] Bem. 6.000 20 2 7.000 27 2,7 8.000 35 3,5 15.000 143 14,3 20.000 288 28,8 25.000 525 52,5 31000 1000 100 Durchsatz
Faktor ~ 1 x Grenzdurchsatz 35.000 1489 100 Erhöhter
Durchsatz! Faktor ~ 1 x Grenzdurchsatz Die Werte DKCO2 sind so zu
verstehen und anzuwenden: Wenn z.B. das
Gasgemisch eine anfängliche Konzentration von 47,5 % CO2 hat,
wird die zentrifugale Separation bei z.B. einer Drehzahl von N = 25.000
U/Min eine Steigerung der Konzentration auf 52,5 + 47,5 = 100 % bedeuten.
Die komplette CO2 Separation -100 % - entspricht der
sogenannten Grenzdrehzahl ( < 31.000), wo der Durchfluß dem
Grenzdurchfluß-Wert entspricht. |
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Das zu
bearbeitende Gasgemisch GG wird von einer Membranpumpe P zum
Einlaßstutzen gepumpt und füllt die Einlaßkammer (obere Druckkammer), wo
ein Drucksensor p1 den Gasdruck mißt und als elektrisches Signal für
Anzeigezwecke zur Verfügung stellt. Das Gasgemisch GG wird durch eine
axiale Bohrung in der Zentrifugenachse in den Rotor eingelassen. Das
Gasgemisch GG rotiert zwangsweise mit dem Rotor und erlaubt die
Separierung der schweren Komponente, im vorliegendem Fall Kohlendioxid.
Das separierte Gas SG gelangt durch Löcher in der Außenhülle des Rotors
in die Sammelkammer, wo ein Drucksensor p2 den Druck mißt und als
elektrisches Signal für Anzeigezwecke zur Verfügung stellt; dafür sind
die Meßsignale zu je zwei Buchsen für Bananen-Stecker auf dem Bedienpult
geführt, welche die Beschriftung „Drucksensor p1“ bzw., „Drucksensor p2“
führen. |
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IMPECon ·
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