Prototyp ZF-H-P4 (Update 02.10.2010)

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.

Meßergebnisse / Berechnungsergebnisse

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.

Ergebnisse für das Gasgemisch CO2 / Luft

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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