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DE4444083C1 - Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitstropfen aus einer gasförmigen Strömung und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch - Google Patents

Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitstropfen aus einer gasförmigen Strömung und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch

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Publication number
DE4444083C1
DE4444083C1 DE4444083A DE4444083A DE4444083C1 DE 4444083 C1 DE4444083 C1 DE 4444083C1 DE 4444083 A DE4444083 A DE 4444083A DE 4444083 A DE4444083 A DE 4444083A DE 4444083 C1 DE4444083 C1 DE 4444083C1
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DE
Germany
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flow channels
section
deflection
flow
helical
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
DE4444083A
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English (en)
Inventor
Max Dipl Ing Zimmermann
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE4444083A priority Critical patent/DE4444083C1/de
Priority to PCT/DE1996/000654 priority patent/WO1997038780A1/de
Priority to US08/973,610 priority patent/US5972062A/en
Application granted granted Critical
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D45/00—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces
    • B01D45/04—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by utilising inertia
    • B01D45/08—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by utilising inertia by impingement against baffle separators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B01D—SEPARATION
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D3/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium flows in a continuous film, or trickles freely, over the conduits
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F25/02—Component parts of trickle coolers for distributing, circulating, and accumulating liquid
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitstropfen aus einer gasförmigen Strömung und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch, bestehend aus parallel zueinander verlaufenden Strömungskanälen, die mindestens eine abscheidewirksame Umlenkung aufweisen.
Vorrichtungen dieser Art zur Tropfenabscheidung sind bekannt. Die Strömungskanäle dieser Vorrichtungen weisen in der Regel eine mehr oder weniger schwach ausgeprägte Umlenkung im Eintrittsbereich auf, der mindestens eine schärfere, abscheidewirksamere Umlenkung in der Mittelpartie folgt. Daran schließt sich als Austrittspartie eine weitere Umlenkung an, die das aus der Abscheidevorrichtung ausströmende Gas parallel zur Anströmung ausrichtet.
Auf diesem Grundkonzept beruhen zahlreiche Abscheidertypen. Diese unterscheiden sich hauptsächlich in der Gewichtung der Schwerpunkte. So weist der in der DE 39 01 656 C2 patentierte Abscheider zur Verbesserung der Primärabscheidung zickzackförmige Kanalwände auf. Dasselbe Ziel verfolgt der Abscheider nach DE 34 06 425 A1, dessen Tropfenbeschleunigungsstrecke die Eintrittsgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches und damit die Zentrifugalkräfte in der Umlenkung erhöht. Die Profilform des in der DE 42 14 094 C1 vorgestellten Abscheiders ist so gestaltet, daß der Auftreffwinkel der auf die Kanalwand ausgeschleuderten Tropfen möglichst groß ist, was sich in einer geringen Reflexionsneigung des Abscheiders äußert. Auch sind Tropfenabscheider mit Drainagerillen gebräuchlich, die den Wandfilm in spezielle Zonen lenken, um so eine möglichst hohe Entwässerungskapazität und Durchrißgeschwindigkeit zu erzielen.
Den oben genannten Abscheidertypen, - im folgenden auch konventionelle Abscheider genannt -, ist gemeinsam, daß die Umlenkungen ihrer Strömungskanäle nur in einer Ebene x, z ausgeführt sind. Eine Richtungsänderung der Strömung in y-Richtung findet in den Strömungskanälen dieser Abscheider nicht statt. Als weitere Gemeinsamkeit weisen diese Abscheider einen Winkel der effektivsten Umlenkung der Strömungskanäle in der Größenordnung von 90° +/- 10° auf. Dieser Wert stellt bei dieser Tropfenabscheider­ konzeption einen sinnvollen Kompromiß dar zwischen einer möglichst guten Primär­ abscheidung, die sich bekanntlich mit zunehmendem Umlenkwinkel verbessert, und der Notwendigkeit der Entwässerung der Strömungskanäle. Mit zunehmendem Umlenkwinkel und der damit einhergehenden stärkeren Anstellung der Kanalwände gegenüber der Schwerkraftrichtung wird die Entwässerung der Strömungskanäle schwieriger, da die Hangabtriebskraft, die der Motor für die Entwässerung ist, immer mehr an Einfluß verliert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu entwickeln, die der oben erwähnten Beschränkung des Umlenkwinkels nicht mehr unterliegt. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Umlenkung dieser Strömungskanäle (1, 2, 3 und 4) dreidimensional ausgeführt ist, daß bei Vernachlässigung der Wandstärke die Schnittflächen eines jeden Strömungskanals (1, 2, 3 und 4), die in Ebenen parallel zur Eintrittsebene der Vorrichtung liegen, in ihrer Form übereinstimmen und daß die in diesen Schnittflächen liegenden Tangenten an die Berandung dieser Schnittflächen in einander entsprechenden Punkten parallel sind. Eine bevorzugte Ausgestaltung dieser dreidimensionalen Umlenkung ist die helixförmige Ausbildung der Strömungskanäle der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die hierbei erzielbaren Umlenkwinkel sind in physikalischer Hinsicht keiner Grenze mehr unterworfen. Eine Begrenzung ist lediglich über eine endliche Durchströmtiefe der Vorrichtung gegeben. Unter Beibehaltung bisher üblicher Tropfenabscheiderabmessungen sind bei dieser Konzeption Umlenkwinkel bis annähernd 720° möglich.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen Unteransprüchen angegeben.
Damit sich die dreidimensional gekrümmten Strömungskanäle in sinnvoller Weise nebeneinanderreihen lassen, weisen die erfindungsgemäß ausgebildeten Strömungskanäle als wesentliches Kennzeichen Schnittflächen auf, die in Ebenen parallel zur Eintrittsebene x,y der Vorrichtung liegen und die bei Vernachlässigung der Wandstärke der Strömungskanäle dieselbe Form aufweisen. Als weiteres wesentliches Kennzeichen der Erfindung können diese Schnittflächen, - im folgenden auch horizontale Schnittflächen genannt -, unter­ einander durch eine drehungsfreie Verschiebung zur Deckung gebracht werden. Die in diesen Schnittebenen liegenden Tangenten an die Berandung dieser horizontalen Schnittflächen eines jeden Strömungskanals sind dann in einander entsprechenden Punkten entlang der z-Richtung parallel.
Bei Eintrittsquerschnitten der Strömungskanäle, die Hohlräume zwischen den parallel angeordneten Strömungskanälen vermeiden, - sei es durch eine entsprechend gewählte Querschnittsform oder durch Materialanhäutungen -, trennt dann wie bei konventionellen Tropfenabscheidern ein Wandabschnitt zwei benachbarte Strömungskanäle und ist gleichzeitig mit seiner Innen- bzw. Außenseite an ihrer Formgebung beteiligt. Im Gegensatz zu den konventionellen Abscheidern erfolgt die Parallelanordnung der Strömungskanäle nach der Erfindung in zwei Richtungen, die nicht notwendigerweise senkrecht zueinander stehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen auf die Skelettlinie reduzierten Strömungskanal der Vorrichtung nach der Erfindung in den Seitenansichten und in der Draufsicht,
Fig. 2a, b, c unterschiedliche Ausführungen der Eintrittsquerschnitte der erfindungsgemäß ausgebildeten Strömungskanäle,
Fig. 3 mehrere nebeneinander angeordnete Strömungskanäle mit quadratischem Eintrittsquerschnitt in den Seitenansichten und in der Draufsicht,
Fig. 4a, b einen Mittelschnitt durch einen Strömungskanal mit wabenförmigem Eintrittsquerschnitt mit Filmführungen bzw. Einprägungen.
Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 zeigt schematisch einen auf die Skelettlinie reduzierten erfindungsgemäßen Strömungskanal in den Seitenansichten und in der Draufsicht. Außer den Koordinatenachsen sind in der Draufsicht der Umlenkwinkel (α) des helixförmigen Kanalabschnitts eingetragen, der in der Projektion auf seine Achse gemessen wird und in diesem Ausführungsbeispiel etwa 360° beträgt, und in den Seitenansichten der Steigungswinkel (ϕ) der helixförmigen Umlenkung sowie deren Achse (a). Der Steigungswinkel beträgt hier konstant 45° beträgt, wodurch sich in den Seitenansichten eine Sinuskurve ergibt. Die horizontalen Schnittflächen des Strömungskanals, die als wesentliches Kennzeichen der Erfindung dieselbe Form besitzen, liegen in diesem Ausführungsbeispiel in der x,y-Ebene. Die Achse (a) des helixförmigen Kanalabschnitts steht senkrecht zu dieser Ebene.
Anhand von Fig. 3 wird die Funktionsweise der Vorrichtung als Tropfenabscheider erläutert. Dargestellt sind in diesem Ausführungsbeispiel vier formgleiche Strömungskanäle (1, 2, 3 und 4) einer erfindungsgemäß ausgestalteten Vorrichtung, die natürlich auch aus noch mehreren solchen Strömungskanälen bestehen kann. Diese Strömungskanäle (1, 2, 3 und 4) weisen einen quadratischen Eintrittsquerschnitt nach Fig. 2a auf. Der Umlenkwinkel des helixförmigen Abschnitts beträgt ca. 360°.
Die Anströmung der tropfenbeladenen Strömung erfolgt in Richtung der Pfeile (0). Diese tritt zunächst in die Eintrittspartie (EP) ein, die aus einem im wesentlichen geraden und senkrecht auf der Eintrittsebene der Vorrichtung stehenden Kanalabschnitt der Länge (eE) und einer Umlenkung (δE) besteht, deren Krümmung hauptsächlich in der x,z-Ebene erfolgt. In dieser ersten Umlenkung findet eine Vorabscheidung großer Tropfen statt.
Anschließend gelangt das Zweiphasengemisch in den helixförmigen Abschnitt, der die Mittelpartie (MP) der Strömungskanäle der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet. Infolge des großen Umlenkwinkels und der höheren Kanalgeschwindigkeit aufgrund der gegenüber der Anströmrichtung angestellten und dadurch verengten Kanalquerschnitte erfolgt in diesem Bereich ein effektives Ausschleudern selbst kleinster Tröpfchen. Die gewundenen Kanalwände bewirken außerdem, daß die ausgeschleuderten Tropfen unter einem stumpfen Winkel auf die Kanalwand auftreffen und dadurch mit hoher Wahrscheinlichkeit bereits beim ersten Wandkontakt vom Wandfilm absorbiert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich deshalb durch eine äußerst geringe Emission von sogenannten Sekundärtropfen aus, worunter reflektierte und während der Tropfen-Film-Wechselwirkung entstandene Tropfen zusammengefaßt werden.
Der Mittelpartie schließt sich die Austrittspartie (AP) an, die von einer Umlenkung (δA) und von einem im wesentlichen geradlinigen Abschnitt der Länge (eA) gebildet wird. Die Austrittspartie lenkt die weitestgehend von Tropfen befreite Strömung parallel und fluchtend zur Anströmung aus der Vorrichtung. Die aus den Strömungskanälen austretenden Teilströme sind je nach Größe des Umlenkwinkels mehr oder weniger stark drehbehaftet. Da die Drehung dieser Teilströme gleichsinnig ist und die Teilströme nebeneinander angeordnet sind, hebt sich diese Drehung reibungsbedingt nach kurzer Lauflänge auf. Es liegt dann wieder eine parallele, drehungsfreie Strömung vor.
Wie bei herkömmlichen Tropfenabscheidern fließt bei der Vorrichtung nach der Erfindung der auf den Wänden der Strömungskanäle anfallende Flüssigkeitsfilm schwerkraftgetrieben an die Eintrittskante (5) der Kanäle und tropft von dort in Form großer Tropfen ins Strömungsfeld zurück. Dieser Prozeß funktioniert nur dann, wenn die Schwerkraft die Schleppkräfte der Gasphase auf den Wandfilm übertrifft. Bei einer bestimmten Anströmgeschwindigkeit heben sich beide Kräfte in ihrer Wirkung auf und es kommt zum Filmaufstau an den geneigten Kanalwänden. Bei noch höheren Anströmge­ schwindigkeiten überwiegt die Schleppwirkung der Gasphase. Dann wird der Wandfilm von der Gasströmung mitgerissen und in Form großer Tropfen oder Strähnen aus der Vorrichtung getragen. Im Vergleich zu den konventionellen Tropfenabscheidern liegen bei der Vorrichtung nach der Erfindung günstigere Entwässerungsbedingungen vor, da der Wandfilm näher entlang der Fallinie bzw. zumindest bereichsweise entlang der geschützen Ecken einander angrenzender Kanalwände abfließen kann. Die Schleppwirkung der Gasphase verliert auf diesem in Fig. 3 gestrichelt eingezeichneten Weg an Einflußkraft.
In der Wahl des Eintrittsquerschnitts der Strömungskanäle besteht prinzipiell keine Einschränkung. Aus Fertigungsgründen und auch zur Vermeidung von unerwünschten Hohlräumen zwischen den Strömungskanälen, die in ihrer Gesamtheit die Vorrichtung bilden, sind kreisrunde oder elliptische Querschnitte ungünstig. Die in Fig. 2a, b, c darge­ stellten Varianten vermeiden Hohlräume und bieten in fertigungstechnischer Hinsicht den Vorteil, daß sich die Vorrichtung nach der Erfindung aus formgleichen, profilierten Schichten (6a, b, c, d) zusammenfügen läßt. Hierzu werden diese Schichten versetzt aneinandergeordnet und an den sich berührenden Seitenwänden (7), in Fig. 2a, b, c dick eingezeichnet, miteinander verbunden, was durch Klebung, Punktschweißung, Zusammen­ stecken oder durch Umbördeln überstehender Fortsätze, die sich an der Ein- und Austrittskante dieser Seitenwände (7) befinden, erfolgen kann. Die Querschnittsfläche nach Fig. 2b bietet dem Wandfilm im Bereich der sich berührenden Schichten Kapillarspalte (8) als Entwässerungsrinnen an, in denen dieser geschützt abfließen kann. Beinhaltet die abzuscheidende Flüssigkeit krustenbildende Stoffe, besteht die Gefahr, daß sich in diesen Rinnen allmählich Inhaltsstoffe fest setzen. In diesem Fall ist die Lösung nach Fig. 2c angemessen. In den Ecken dieses wabenförmigen Querschnitts, die mit einem Öffnungswinkel von über 90° den Charakter eines Kapillarspaltes verloren haben, kann der Wandfilm immer noch geschützt ablaufen.
Die bei Tropfenabscheidern gebräuchliche Vorgehensweise zur Berechnung der Abscheideleistung (z. B. A. Bürkholz: Die Abscheidung von Nebeltropfen in Lamellenbün­ deln, Chem.-Ing.-Techn., MS 755/79) kann auch auf die Vorrichtung nach der Erfindung angewendet werden. Die Berechnung orientiert sich an der abscheidewirksamsten Umlenkung, die bei der Vorrichtung nach der Erfindung vom helixförmigen Abschnitt der Strömungskanäle gebildet wird. Die Strömung durch diesen Abschnitt kann als Kreisbewegung mit überlagerter konstanter Geschwindigkeit aufgefaßt werden, wobei die Abscheidung allein auf der Kreisbewegung beruht. Unter dieser Modellvorstellung berechnen sich die Fraktionsabscheidegrade η der Vorrichtung nach der Erfindung auf der Basis der Vorgehensweise von Bürkholz zu
und der Grenztropfen dGr zu
mit
ρTr = Dichte der Flüssigkeit
dTr = Tropfendurchmesser
VA = Anströmgeschwindigkeit
α = Umlenkwinkel des helixförmigen Kanalabschnitts
µGas = dynamische Zähigkeit des Gases
T = Teilung der Strömungskanäle
ϕ = Steigungswinkel des helixförmigen Kanalabschnitts
dGr = Grenztropfendurchmesser
η = Fraktionsabscheidegrad.
Die Teilung (T) ergibt sich aus der Wurzel der Fläche des Eintrittsquerschnitts der Strömungskanäle. Der Eintrittsquerschnitt der Strömungskanäle der Vorrichtung nach der Erfindung für den Einsatz als Tropfenabscheider ist vorteilhaft so gestaltet, daß er einem flächengleichen Quadrat ähnelt bzw. wie in Fig. 2b verdeutlicht durch ein solches flächengleiches Quadrat angenähert werden kann. Der radiale Wandabstand der Strömungskanäle bzw. die "radiale Sinkstrecke" der Tropfen ist dann im helixförmigen Kanalabschnitt annähernd konstant. Die Teilung (T) der Strömungskanäle ist dann gleich der Seitenlänge eines solchen flächengleichen Quadrats.
Gl. (2) kann als Dimensionierungsvorschrift für den Umlenkwinkel des helixförmigen Abschnitts (α) bei Vorgabe der Parameter Grenztropfendurchmesser, Teilung und Anströmgeschwindigkeit herangezogen werden.
Die maximal zulässige Anströmgeschwindigkeit bzw. die Durchrißgrenze der Vorrichtung nach der Erfindung hängt mit dem Steigungswinkel des helixförmigen Kanalabschnitts zusammen. Ausgehend von den Verhältnissen der Rieselfilmströmung an der senkrechten Wand ergibt sich folgende maximale Anströmgeschwindigkeit (vA,max), bei der die Staugrenze an den unter dem Steigungswinkel (ϕ) gegenüber der Schwerkraftrichtung geneigten Wandabschnitten des helixförmigen Abschnitts einsetzt:
vA,max = vStau * (cos ϕ)3/2
Daraus leitet sich folgende Dimensionierungsvorschrift für den maximalen Wert des Steigungswinkels (ϕmax) des helixförmigen Kanalabschnitts her:
ϕmax = arccos (vA,max/k*vStau)2/3 Gl. (3)
mit vA,max = maximale Anströmgeschwindigkeit
vStau = Staugrenze für das betreffende Gas-/Flüssigkeitsgemisch an der senkrechten Wand
k = 0,7-0,95 = Sicherheitsfaktor, vorzugsweise 0,8-0,9.
Der Steigungswinkel (ϕ) helixförmigen Abschnitts wird vorzugsweise annähernd über seine gesamte Lauflänge mit dem maximalen Wert nach Gl. (3) ausgelegt. Hiervon sind jedoch auch Abweichungen möglich. Beispielsweise kann zur Erzielung eines geringen Druckverlustes der Vorrichtung der Steigungswinkel ausgehend von einem kleineren Wert am Anfang bis zum maximalen Wert nach Gl. (3) im Bereich der Mitte des helixförmigen Abschnitts zunehmen, um danach wieder abzunehmen, wobei die Differenz zwischen größtem und kleinstem Wert maximal 30° beträgt.
Die Umlenkwinkel der Ein- und Austrittspartie (δE) und (δA) stimmen jeweils mit dem Steigungswinkel des helixförmigen Abschnitts an dessen Ein- und Austritt überein. Die Länge (eE) bzw. (eA) der diesen vor- bzw. nachgeschalteten Kanalabschnitte liegt innerhalb der Grenzen T/2 < eE, eA < 2*T/3 und der Versatz (U) zwischen gegenüberliegender Scheitelpunkte (S₁, S₂) bzw. zwischen Scheitelpunkten (S₁) und gegenüberliegender Eintrittskanten (5) innerhalb der Grenzen T/8 < U < T, vorzugsweise T/4 - T/2.
Für die Abscheidevorrichtung nach der Erfindung ergibt sich bei einer Anströmgeschwindigkeit von beispielsweise vA = 4 m/s, einer Teilung von T = 20 mm, einem Steigungswinkel des helixförmigen Abschnitts von ϕ = 50° und einem Umlenkwinkel von 540° für das System Luft/Wasser ein Grenztropfendurchmesser von
dGr = 12 µm
und für einen konventionellen Tropfenabscheider mit einem Umlenkwinkel von 90° bei sonst gleichen Bedingungen
dGr = 22 µm.
Dieses Zahlenbeispiel verdeutlicht, daß mit dem Tropfenabscheider nach der Erfindung unter vergleichbaren Bedingungen kleinere Tropfen abgeschieden werden können. Diese verbesserte Abscheideleistung wird im Vergleich zu konventionellen Tropfenabscheidern bei einem geringen Druckverlust erzielt. Als weitere Vorteile können die hohe Entwässerungskapazität des Abscheiders sowie die enorme Steifigkeit seiner Struktur selbst bei geringen Wand stärken genannt werden. Sein Aufbau ermöglicht ein Zuschneiden der Seitenwände in beliebigen Richtungen und damit eine einfache und kostensparende Anpassung der Vorrichtung an beliebige Einbauquerschnitte.
Die Vorrichtung nach der Erfindung vereinigt durch den großen Umlenkwinkel und durch seinen einfachen Aufbau die positiven Merkmale eines Zyklons und eines konventionellen Tropfenabscheiders.
Ein weiterer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung ist der, daß sie auch für den Einsatz als Füllkörperpackung für den Stoff- und Wärmeaustausch geeignet ist. Aufgabe eines Füllkörpers besteht dann, den zu behandelnden Fluiden eine möglichst große Kontaktfläche zu bieten. Die Vorrichtung nach der Erfindung vergrößert die Kontaktfläche dadurch, daß sie die zu behandelnden Fluide in Teilströme auflöst und diesen über den helixförmigen Abschnitt eine verlängerte Wegstrecke anbietet.
Der Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung als Füllkörperpackung ist grundsätzlich im Gleich- und Gegenstrom möglich. Am gebräuchlichsten ist der Betrieb berieselter Füllkörperpackungen, wobei die Gasphase aufwärts und der Rieselfilm schwerkraftgetrieben nach unten strömt
Vorteilhaft für einen intensiven Austausch ist außer einer großen Kontaktfläche auch eine gute Durchmischung im Innern der Fluide. Eine gute Durchmischung ist dann gegeben, wenn der Füllkörper bei Gegenstrombetrieb im Flutbereich betrieben wird. Die obere Grenze des Flutbetriebs fällt mit der Staugrenze zusammen, die gleichzeitig die Belastungsgrenze des Füllkörpers darstellt. Die Schleppwirkung der Gasphase übertrifft dann die Schwerkraftwirkung mit dem Ergebnis, daß der Film nicht mehr nach unten ablaufen kann. Diese Grenze hängt bei der Vorrichtung nach der Erfindung außer von den Stoffgrößen der Fluide wiederum vom Steigungswinkel (ϕ) des helixförmigen Abschnitts ab. Die Dimensionierungsvorschrift des Steigungswinkels (ϕ) nach Gl. (3) gilt somit auch für die Auslegung der Vorrichtung als Füllkörperpackung und gewährleistet, daß die Vorrichtung in der Funktion als Füllkörper im günstigen Flutbereich arbeitet.
Die Bestimmung des Umlenkwinkels (α) der Vorrichtung für den Einsatz als Füllkörper und damit die Festlegung der Durchströmtiefe, die bei Füllkörpern in der Regel um ein Vielfaches größer ist als bei Tropfenabscheidern, wird über die Kontaktfläche vorgenommen, die für einen gewünschten Stoff- und/oder Wärmeaustausch benötigt wird.
Wird die Umlenkung des helixförmigen Abschnitts der Strömungskanäle nicht stetig, sondern in der Projektion auf die x,y-Ebene beispielsweise in 90°-Schritten vollzogen, ergibt sich über die unstetigen Umlenkungen hinweg auch eine unstetige Änderung der Seitenlängenverhältnisse des effektiven Kanalquerschnitts. Durch diesen abrupten Wechsel der Seitenvergrößerung in der einen Richtung bei gleichzeitiger Seitenverkleinerung in der dazu senkrechten Richtung und umgekehrt, - dabei bleibt der effektive Kanalquerschnitt im wesentlichen konstant -, erhöht sich die Turbulenz der Strömung und damit der Stoff- und Wärmeübergang. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn der Eintrittsquerschnitt der Strömungskanäle im Gegensatz zu Fig. 2b durch ein nichtquadratisches Rechteck angenähert wird, dessen Seitenverhältnis vorzugsweise innerhalb der Grenzen 0,8-0,95 liegt. Unabhängig davon, ob die Vorrichtung nach der Erfindung für die Tropfenabscheidung oder für den Stoff- und Wärmeaustausch vorgesehen ist, ist zu vermeiden, daß die Strömungskanäle wegen zu geringer Wandabstände im helixförmigen Abschnitt zur Brückenbildung der Flüssigkeit neigen.
Außerdem ist für einen intensiven Stoff- und Wärmeaustausch zwischen Gasphase und Flüssigkeit wesentlich, daß die Flüssigkeit möglichst gleichmäßig auf den Kanalwänden verteilt nach unten abfließt. Kapillarspalte (8) wie in Fig. 2b oder ausgeprägte Entwässerungsrinnen sind daher in der Vorrichtung als Füllkörperpackung zu vermeiden. Schwach ausgeprägte Filmführungen (9) in Form von Erhöhungen auf der Kanalwand, die im wesentlichen parallel zu den Ecken der Strömungskanäle verlaufen, wie in Fig. 4a verdeutlicht, können jedoch verhindern, daß es in den Ecken zu Bachbildung kommt und somit dem Austausch förderlich sein. Einprägungen (10) in Form von Erhöhungen oder Vertiefungen, die in den Ecken der Strömungskanäle beginnen und schräg nach unten weisen, sind geeignet, Flüssigkeitssträhnen aus diesen Ecken herauszuleiten und die Flüssigkeit wieder dem intensiven Kontakt mit der vorbeiströmenden Gasphase zuzuführen. Fig. 4b zeigt ein Ausführungsbeispiel mit solchen Einprägungen (10).

Claims (18)

1. Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitstropfen aus einer gasförmigen Strömung und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch, bestehend aus parallel zueinander verlaufenden Strömungskanälen, die mindestens eine abscheidewirksame Umlenkung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung dieser Strömungskanäle (1, 2, 3 und 4) dreidimensional ausgeführt ist, daß bei Vernachlässigung der Wandstärke die Schnittflächen eines jeden Strömungskanals (1, 2, 3 und 4), die in Ebenen parallel zur Eintrittsebene der Vorrichtung liegen, in ihrer Form übereinstimmen und daß die in diesen Schnittflächen liegenden Tangenten an die Berandung dieser Schnittflächen in einander entsprechenden Punkten parallel sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung der Strömungskanäle im wesentlichen helixförmig ausgeführt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Steigungswinkel (ϕ) des helixförmigen Abschnitts der Strömungskanäle der Dimensionierungsvorschrift ϕ = arccos (vA,max/k*vStau)2/3genügt
mit vA,max = maximal zulässige Anströmgeschwindigkeit
vStau = Staugrenze für das betreffende Gas-/Flüssigkeitsgemisch an der senkrechten Wand
k = 0,7-0,95 = Sicherheitsfaktor, vorzugsweise 0,8-0,85.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Maximum des Steigungswinkels (ϕ) des helixförmigen Abschnitts die Dimensionierungsvorschrift nach Anspruch 3 erfüllt und daß die Differenz zwischen dem größten und dem kleinsten Wert des Steigungswinkels (ϕ) maximal 30° beträgt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der helixförmigen Umlenkung der Strömungskanäle eine Eintrittspartie vorgeschaltet ist, die aus einem im wesentlichen geraden und senkrecht auf der Eintrittsebene der Vorrichtung stehenden Kanalabschnitt und einer Umlenkung besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der helixförmigen Umlenkung der Strömungskanäle eine Austrittspartie nachgeschaltet ist, die aus einer Umlenkung und einem im wesentlichen geraden und senkrecht auf der Eintrittsebene der Vorrichtung stehenden Kanalabschnitt besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung gesehen Ein- und Austrittsquerschnitt der Strömungskanäle zueinander fluchten.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnitte der Strömungskanäle waben- oder rechteckförmig ausgeführt sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Berandung der Eintrittsquerschnitte der Strömungskanäle zumindest an zwei gegenüberliegenden Seiten (7) parallel und im wesentlichen geradlinig ausgeführt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung aus formgleichen profilierten Schichten (6a, b, c, d) zusammengesetzt ist, die an den sich berührenden parallelen Seiten (7) durch Klebung, Punktschweißung, Zusammenstecken oder durch Umbördeln an der Ein- und Austrittskante überstehender Fortsätze miteinander verbunden sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnitte der Strömungskanäle durch ein Quadrat angenähert werden können.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsquerschnitte der Strömungskanäle im Bereich der Verbindungsstellen der formgleichen profilierten Schichten (6a, b, c, d) Kapillarspalte (8) aufweisen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkwinkel des helixförmigen Abschnitts (α) der Strömungskanäle der Dimensionierungsvorschrift genügt mit
ρTr = Dichte der Flüssigkeit
dTr = Tropfendurchmesser
vA = Anströmgeschwindigkeit
α = Umlenkwinkel des helixförmigen Kanalabschnitts
µGas = dynamische Zähigkeit des Gases
T = Teilung der Strömungskanäle
ϕ = Steigung des helixförmigen Kanalabschnitts
dGr = Grenztropfendurchmesser.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Eintrittskanten (5) und den gegenüberliegenden Scheitelpunkten (S₁) oder zwischen gegenüberliegenden Scheitelpunkten (S₁, S₂) der Strömungskanäle ein Versatz (U) besteht, der innerhalb der Grenzen T/8 < U < T, vorzugsweise T/4 - T/2, liegt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsquerschnitt der Strömungskanäle durch ein nichtquadratisches Rechteck mit einem Seitenverhältnis von 0,8-0,95 angenähert werden kann.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkung des helixförmigen Abschnitts der Strömungskanäle nicht stetig, sondern in diskreten Schritten ausgeführt ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Strömungskanäle zur Vermeidung von Flüssigkeitsansammlungen in den Ecken mit Filmführungen (9) in Form von Erhöhungen versehen sind, die im wesentlichen parallel zu den Ecken der Strömungskanäle verlaufen.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen der Strömungskanäle mit Einprägungen (10) versehen sind, die Flüssigkeitsansammlungen zur Vergleichmäßigung der Flüssigkeitsverteilung aus den Ecken der Strömungskanäle herausführen.
DE4444083A 1994-12-10 1994-12-10 Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeitstropfen aus einer gasförmigen Strömung und/oder zum Stoff- und Wärmeaustausch Expired - Lifetime DE4444083C1 (de)

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