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Die Erfindung betrifft eine Stoff- und Waermeaustauschplatte nach Anspruch 1 sowie einen Stoff- und Wärmeaustauschreaktor nach Anspruch 17.
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Stoff- und Wärmeaustauschreaktoren, wie sie aus der
DE 10141525 A1 bekannt sind und wie sie in Skizze 3 shematisch dargestellt sind, umfassen eine mittels Wärmeübertragermedium innengekühlte oder geheizte Stoff- und Wärmeaustauschplatte mit einem Fluessigkeitsverteiler an der Oberseite und einer, die Benetzung der Plattenoberfläche unterstützenden, Beschichtung als Basis zum Aufbau von innengekuehlten/geheizten Stoff- und Waermeuebertragern in Plattenverbundbauweise (
1–
3).
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In diesen Apparaten findet ein Stoffübergang mit überlagertem Wärmeaustausch und/oder chemischer Reaktion statt. Der Stoffuebergangsrichtung ist entweder von der Gasphase in die Flüssigphase (Absorption) oder von der Flüssigphase in die Gasphase (Desorption). Die Waermetransportrichtung haengt dabei von den Medien und der Betriebsart (Absorption/Desorption) ab. In solchen Apparaten koennen, je nach Ausfuehrung, die Gasphase und die Fluessigphase im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom zueinander gefuehrt sein, wobei die Fluessigphase immer der Schwerkraft folgend an der aeusseren Plattenoberflaeche von oben nach unten laeuft. Das Heizmedium (oder Kühlmedium) wird innerhalb der Platten gefuehrt und kann zur Gasphase im Gleichstrom, Gegenstrom oder Kreuzstrom fliessen. Hierzu wird auf die Darstellungen in den 1–3 verwiesen.
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Problembeschreibung
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Alle diese Aparate haben das Problem des Flüssigkeitsaustrags durch Mitreissen von Troepfchen aus der Flüssigphase durch die vorbeistroemende Gasphase.
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Dieser Effekt ist besonders bei der thermodynamisch optimalen Gegenstromführung von Flüssig- und Gasphase problematisch, tritt aber auch bei Kreuzstromfuehrung auf. Da die Fluessigphase der Schwerkraft folgend in dem Apparat von oben nach unten rinnt, muss, bei Gegenstromfuehrung, die Gasphase den Apparat von unten nach oben durchstroemen. Daher muss die Fluessigkeit aus dem unten offenen Apparat frei abtropfen (siehe 1–3). Die Tropfen werden entweder direkt von dem Gasstrom mitgenommen, oder treffen auf eine Wanne, eine stehende Flüssigkeit oder einen ähnlichen Widerstand von dem sich als Folge des Aufpralles Tröpfchen ablösen, welche dann teilweise von dem Gasstrom mitgerissen werden. Diese Tröpfchen wandern mit dem Gasstrom durch den Apparat, werden dabei aber nicht zwangsläufig vollstaendig an dessen Oberfläche abgeschieden.
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Weiterhin staut sich die Flüssigkeit an den unteren Kanten der Platten auf bevor sie Tropfen formen kann, die gross genug sind um gegen den Einfluss der Gasströmung frei abzutropfen. Man spricht dabei vom Erreichen des Flutpunktes.
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Durch dieses Aufstauen wird der freie Querschnitt zwischen den Platten verringert und in der Folge die Stroemungsgeschwindigkeit der Gasphase lokal erhöht. Diese Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in Verbindung mit dem Aufstauen der Fluessigkeit erleichtern noch zusaetzlich ein verstärktes Ablösen einzelner Tröpfchen aus der Flüssigphase in die Gasphase.
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Der gleiche Effekt des Aufstauens von Flüssigkeit beobachtet man auch bei Kreuzstromapparaten bei denen die Gasphase quer zur Flüssigphase horizontal durch die Plattenaustauschpakete stroemt (3). Hierbei wird auf Grund der Reibung zwischen Gas- und Flüssigphase die Flüssigphase in Richtung der Gasphasenabströmkante transportiert. Dieser Effekt des seitlichen Flüssigkeitstransportes in Richtung des Gasstromes wird mit dem natürlichen Transport der Flüssigkeit quer zur Gasströmungsrichtung (durch die Gravitation) überlagert. Dadurch addieren sich die Flüssigkeitsströme entlang der Gasabströmkannte in Richtung der Gravitation auf, bis eine kritische Flüssigkeitsmenge an der Kannte erreicht ist und die Tropfen beginnen aus der Flüssigphase herraus mitgerissen zu werden.
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Die fluessige Phase wird ueblicherweise mittels entsprechende Vorrichtungen ueber den Austauschflaechen versprueht, verrieselt oder auf andere weise verteilt, bei der ein freies Fliegen oder Fallen von Tropfen ohne Kontakt zur Austauschflaeche nicht ausgeschlossen werden kann. Bei Verwendung solcher Vorrichtungen kann daher das Austragen von Fluessigkeit mit der Gasphase nicht zuverlaessig verhindert werden. Bei Kleinstmengenverteilern wie sie aus 6.:
DE 101 41 524 bekannt sind ist die Fluessigphase zwar immer mit der Austauschflaeche in Verbindung und ein Austragen von Fluessigkeit wird dadurch weitestgehend verhindert, aber bei pulsierendem Betrieb und hohen Gasbelastungen koennen sich durch den Impuls der austretenden Fluessigkeit kleine Troepfchen von der Flaeche abloesen und mit der Gasphase ausgetragen werden. Ausserdem koennen waehrend des Entlüftens des Verteilers durch das schnell aufeinander folgende abwechselnde Austreten von Luft und Fluessigkeit kleine Spritzer entstehen die ebenfalls mit dem Luftstrom ausgetragen werden.
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Alle oben beschriebenen Effekte treten besonders mit zunehmenden Gasbelastungen (zunehmende spezifische Gasvolumenstroeme) und/oder zunehmender Flüssigkeitsbelastung in den Apparaten auf.
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Die Hohen Gasbelastungen sind aber von Vorteil da mit einem Apparat gleicher Baugroesse mehr Gasphase behandelt werden kann und daher bei gegebener Gasmenge kleinere, kostenguenstigere Apparate verwendet werden koennen. Gleichzeitig fuehren die erhoehten Gasvolumenstroeme zu erhoeten Stroemungsgeschwindigkeiten innerhalb der Plattenpakete, was zu hoeheren Stoff – und Waermeaustauschkoeffizienten fuehrt und bei einem gegebenen Apparat eine erhoete Austauschleistung zur Folge hat.
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Alle diese Vorteile koennen nur dann genutzt werden wenn das Abloesen der Tropfen, und damit das Mitreisen und Austragen aus dem Apparat, zuverlaessig verhindert werden können.
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Weitere Stoff- und Wärmeaustauschreaktoren dieser Art sind in folgenden Veröffentlichungen beschrieben:
- 1. US 6745826 B2 , Heat Exchange Assembly, Loewenstein et al. June 2004
- 2. US 6176101 B1 , Flat plate Absorbers and Evaporators for Absorption Coolers, Loewenstein. Jan 2001
- 3. US 6079481 , Thermal Storage System, Loewenstein et al. June 2000
- 4. US 5638900 Heat Exchange Assembly, Loewenstein et al. June 1997
- 5. US 5351497 , Low Flow internally cooled desiccant absorber, Loewenstein et al., Oct. 1994
- 6. DE 101 41 524 A1 , Stoff- und Waermeaustauscherflaeche Peltzer. Laevemann, 24.8.2001
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Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung eine Stoff- und Waermeaustauschplatte anzugeben mit einem Fluessigkeitsverteiler an der Oberseite und einem Fluessigkeitssammler an der Gasphasenaustrittsseite, die in der Lage ist eine hohe Gasbelastung ohne jeglichen Austrag von Fluessigkeitstropfen zu gewehrleisten (5). Weiter ist es Aufgabe dieser Erfindung einen Stoff- und Wärmeaustauschreaktor mit einer solchen Stoff- und Wärmeaustauschplatte anzugeben.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruch 1 bzw. 17.
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Dadurch, dass der Flüssigkeitssammler und/oder der Flüssigkeitsverteiler ein mit der Grundplatte fest verbundenes Bauteil ist, geht die Flüssigkeit tropfenfrei von dem Flüssigkeitsverteiler auf die Stoff- und Wärmeaustauschflächen und von den Stoff- und Wärmeaustauschflächen in den Flüssigkeitssammler über. Wenn keine Tropfen gebildet werden, können durch den Gasstrom auch keine Tropfen mitgerissen werden.
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Der Flüssigkeitssammler und/oder der Flüssigkeitsverteiler können einstückig mit der Grundplatte ausgebildet sein, an der Grundplatte besfestigt sein oder mit der Grundplatte verschweißt sein.
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Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 Plattenpaket aus Einzelplatten:
Fluessigphase und Gasphase im Gegenstrom
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2 Plattenpaket aus Einzelplatten, Fluessigphase und Gasphase im Gleichstrom
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3 Plattenpaket aus Einzelplatten Fluessigphase und Gasphase im Kreuzstrom
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4 Einzelplatte mit Flüssigkeitsverteiler und kühl oder heizmitteldurchströmter Grundplatte
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5 Einzelplatte mit Flüssigkeitsverteiler, kühl oder heizmitteldurchströmter Grundplatte und Flüssigkeitssammler
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6 Platte mit integriertem Flüssigkeitsverteiler ohne Abdeckung
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7 Platte mit integriertem Flüssigkeitsverteiler und Abdeckung als separates Aufsteckteil
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8 Austauschplatte mit Verteiler und horizontalem Sammler mit einer oder zwei Fluidendnahmestellen
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9 Austauschplatte mit Verteiler und vertikalem Sammler
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10 Austauschplatte mit Verteiler und einem geneigten Sammler mit zentraler Fluidendnahmestelle
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11 Austauschplatte mit Verteiler und geneigtem Sammler mit mindestens zwei Fluidendnahmestellen
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12 Grundplatte mit separatem Sammler und nebeneinander angeordneten Sammelkanälen
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13 Grundplatte mit strömungsgünstig ausgeformtem, separatem Sammler und nebeneinander angeordneten Sammelkanälen
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14 Gasströmungsgünstig rund ausgeformter, separater Sammler mit übereinander angeordneten Sammelkanälen.
Variante 1: Sammler in die Platte eingreifend
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15 Gasströmungsgünstig rund ausgeformter, integrierter Sammler mit übereinander angeordneten Sammelkanälen
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16 Gasströmungsgünstig rund ausgeformter, separater Sammler mit übereinander angeordneten Sammelkanälen.
Sammler über die Platte übergreifend
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17 Separater Verteiler mit separatem Spritzschutz, auf den Kanal rastend aufgesteckt.
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18 Separater Verteiler mit separatem Spritzschutz in den Kanal klemmend eingseteckt
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19 Separater Sammler mit separatem Spritzschutz und meherer Verteilebenen
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20 Grundplatte mit separatem Flüssigkeitsverteiler mit integriertem Spritzschutz, strömungsgünstig ausgeformt mit mehreren Verteilerebenen
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21 Grundplatte mit integriertem Flüssigkeitsverteiler mit integriertem Spritzschutz, strömungsgünstig ausgeformt mit mehreren Verteilerebenen
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Bei einer bevorzugten Ausfürungsform der Erfindung bei Gas-Fluid Gegenstromapparaten ist eine Hohlkammerplatte als Grundplatte mit einem Flüssigkkeitsverteiler am Gasphasenaustrittsende, einer Oberflächenbeschichtung zur Unterstützung des Ausbildens eines dünnen, geschlossenen Flüssigkeitsfilms an den Flanken, und einem Flüssigkeitssammler am Gasphaseneintrittsende der Grundplatte vorgesehen. (8).
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Fuer den Fall des Kreuzstroms zwischen Gas und Fluidphase befindet sich der Sammler an der Gasphasenaustrittsseite. (9) Der Fluessigkeitsverteiler besteht aus einem horizontalen Kanal mit typischerweise 10–50 seitlichen Austrittslöchern mit einem Durchmesser von typischerweise unter 0.5 mm. Die dyn. Viskosität und der Volumenstrom des austretenden Fluides betragen typischerweise 1–15 [mPas] bzw 0.1–2 [l/(h·m2)]. (6).
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Der Verteiler wird von einem oder beiden Enden mit Fluid beschickt, das dann durch die Austrittslöcher in Richtung der Plattenoberfläche austritt (12). Eine weitere Verbesserung der Flüssigkeitsverteilung kann erreicht werden, indem das Fluid durch mehrere übereinander liegende Kanäle vorverteilt wird bevor es in den eigentlichen Austrittskanal eintritt (19, 20, 21). Dabei wird das Fluid in einen Kanal unterhalb des Eintrittskanals stirnseitig eingeleitet und dann durch vertikale Löcher entlang der Trennwand zwischen zwei Kanälen von einem Kanal in den darüberliegenden Kanal weitergeleitet (6, 7, 19–21). Dabei kann die Vorverteilung des Fluids noch unterstützt werden, indem die Anzahl der Durchgangslöcher in den jewils darüber liegenden Kanal von Kanal zu Kanal zunimmt und auf diese Weise das Fluid immer feiner und feiner, und damit gleichmässiger, auf den jeweils oberhalb liegenden Kanal verteilt wird. Durch so eine Vorverteilung wird die Querströmung des Fluids in den jeweiligen Kanalebenen verringert. Damit werden die, durch solch eine Querströmung hervorgerufenen Strömungsdruckverluste verringert und damit auch die ungleiche Druckverteilung entlang eines Kanals. Diese ungleichmässige Druckverteilung ist eine der Ursachen des ungleichmässigen Fluidaustritts aus dem Austrittskanal auf die Pattenoberfläche. Eine Fluidführung kann von Ebene zu Ebene von oben nach unten oder von unten nach oben erfolgen. Die Fluidführung von unten nach oben unterstützt dabei die Entlüftung des Verteilersystems und verringert so die Gefahr des Spritzens beim Austritt aus den Austrittslöchern.
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Der Verteiler kann sowohl direkt in die Platte integriert sein (6, 7, 21), als auch ein separates Bauteil darstellen (17–20). Der Verteiler hat einen Spritzschutz, der ein Mitreissen von Fluid in den Gasphasenstrom verhindert. (7, 17–21). Dieser Spritzschutz kann wiederum sowohl direkt in die Platte integriert, bzw. fest mit ihr verbunden (geschweisst oder geklebt) sein (21), als auch ein separates Bauteil sein (gesteckt und/oder geklemmt (7, 17–20). Eine gasphasenströmungsgünstige Ausformung des Spritzschutzes (bzw. des Verteilers) verringert die Srömungsdruckverluste beim Abströmen der Gasphase (17–21).
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Die Grundplatte ist mit einer Beschichtung bedeckt, welche die Benetzung der Oberfläche mit einem dünnen, geschlossenen Film unterstützt. Diese Oberfläche kann entweder ein separates Gewebe (Gewirke) sein oder eine auf die Oberfläche aufgetragene, einlagige Struktur aus einzelnen möglichst runden Partikeln.
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Nachdem das Fluid an der Oberfläche der Grundplatte abgelaufen ist, tritt es an der Unterkannte des Filmbereiches in den Fluidsammler ein. (8, 10–16)
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Der Fluidsammler hat die Aufgabe den Fluidfilm ausserhalb des Einflussbereiches der Gasphasenströmung tropfenfrei zu sammeln und ihn, gleichfalls tropfenfrei, von der Grundplatte wegzuführen. Dazu werden die Unterkannten 13 der Grundplattenseiten in Richtung der Plattenmittelebene 27 verjüngt, so das die fluidbedeckten Oberflächen den Fluidfilm 24 tropfenfrei aus dem Bereich der Gasphasenströmung heraus in das innere des Sammlers 7 leiten. Der Bereich der Plattenverjüngung wird von der Aussenflanke 17 des Sammlers 7 gegen den den Einfluss der Gasphasenströmung derart abgedeckt, das nur noch ein kleiner Spalt 20 zwischen Aussenflanke 17 und Plattenoberfläche verbleibt (typischerweise 0.2–2 mm). Diese Aussenflanken 17 begrenzen geleichzeitig die Sammlerkanäle 26 in denen das Fluid gesammelt und seitlich abgeführt wird (12 und folgende).
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Die (12–14, 16) zeigen eine Grundplatte mit einem Sammler als separates Teil. Es ist auch möglich den Sammler (und damit alle seine Funktionen) direkt in die Platte zu integrieren. 15 zeigt beispielhaft eine Grundplatte mit einem integrierten Verteiler. Alle anderen Sammler koennen genauso integriert werden.
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Die 13 zeigen eine Grundplatte mit separatem, gasströmungsgünstig rund ausgeformtem Sammler und nebeneinander angeordneten Sammelkanälen. Durch die runde Ausformung wird der Druckverlust bei der Einströmung der Gasphase in den Austauschapparat verringert. Gleichzeitig verringert sich die Neigung der Strömungs zur Turbulenzbildung im Einströmbereich, was wiederum verhindert das sich in diesem kritischen Bereich Tropfen von der Oberfläche ablösen können.
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Die 14 zeigt eine Grundplatte mit gasströmungsgünstig rund ausgeformtem, separatem Sammler und übereinander angeordneten Sammelkanälen. Der Vorteil liegt dabei in dem vergrösserten Fluidfassungsvermögen der Kanäle, was die Gefahr des überlaufens der Kanäle verringert. 15 zeigt beispielhaft einen in die Platte integrierten Sammler mit gleichen Funktionen wie in 14. Alle oben beschriebenen separaten Sammler sind befestigt indem die Platte über eine entsprechendes Ausformung des Sammlers übergreift und diesen so in der Position hält. Es ist auch möglich den Sammler so zu gestalten, das er, umgekehrt, über die sich verjüngenden Grundplattenseiten übergreift. 16 zeigt einen solchen separaten Sammler, der ausserdem noch über höher hochgezogenen Seitenwände verfügt. Diese hochgezogenen Seitenwände ermöglichen eine höhere Fluidsäule, und damit ein stärkeres seitliches Fluidgefälle. Dadurch kann mehr Fluid zuverlässig über eine längere Distanz seitlich abgeführt werden, bzw. auch Fluid abgefördert werden, das Aufgrund seiner höheren Viskosität mehr stastische Fluidsäule zum Fliessen benötigt.
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Die Flüssigkeit wird den Flüssigkeitszuführungen des Flüssigkeitsverteilers bevorzugt mittels einer pulsierenden Pumpe zugeführt. Durch das Pulsieren beim Aufgeben der Flüssigkeit wird (betrachtet über einen längeren Zeitraum) eine gleichmäßige Verteilung bei sehr kleinen Volumenströmen erreicht. Man erzeugt beim Pulsieren kurzzeitig einen relativ großen, sozusagen „virtuellen” Flüssigkeitsstrom, der einen erhöhten Druckverlust in den Austrittsöffnungen 10 bewirkt. Dieser kurzzeitig erhöhte Druckverlust sorgt für eine gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit innerhalb des Verteilers und damit für einen gleichmäßigeren Flüssigkeitsaustritt durch die Flüssigkeitsaustrittsöffnungen 10 in den Wärme- und Stoffaustauscherflächen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stoff- und Wärmeaustauschapparat
- 2
- Kühl- oder heizmitteldurchstroemte Grundplatte
- 3
- Erste Wärme- und Stoffaustauscherfläche
- 4
- Zweite Wärme- und Stoffaustauscherfläche
- 5
- Flüssigkeitsfilm
- 6
- Flüssigkeitsverteiler zum Aufgeben von kleinsten Flüssigkeitsmengen
- 7
- Flüssigkeitssammler zum Auffangen von Flüssigkeit
- 8
- seitlicher Randbereich der Stoff- und Wärmeaustauscherfläche
- 9
- Oberer Randbereich der Stoff- und Wärmetauscherfläche
- 10
- Flüssigkeitsaustrittsöffnungen
- 11
- Spritzschutzabdeckung
- 12
- Flüssigkeitszuführung
- 13
- Unterkannte der Grundplattenseiten
- 14
- Flüssigkeitsverteilkanal
- 17
- Aussenflanke des Sammlers
- 19
- Oberkante der Aussenflanke 17
- 20
- Schlitz
- 21
- Schlitz begrenzende Seitenkante der Abdeckung
- 22
- den Schlitz begrenzende Oberkante der Seitenwand
- 23
- Flüssigkeitsentnahmestelle
- 24
- Fluidfilm mit Fliessrichtung nach unten
- 25
- Gasphasenstroemung mit Stroemungsrichtung entgegen der Fluidstroemungsrichtung
- 26
- Flüssigeitssammelkanal
- 27
- Plattenmitteleben
- 28
- Untere Randbereich der Stoff- und Wärmeaustauscherfläche
- 29
- Seitlichen Randbereich der Stoff- und Wärmeaustauscherfläche
- 30
- Waermtraegermedium Eintritt oder Austritt
- 31
- Fluessigphase, Austritt
- 32
- Fluessigphase, Eintritt
- 33
- Gasphase, Ausritt
- 34
- Gasphase, Einritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10141525 A1 [0002]
- DE 10141524 [0009]
- US 6745826 B2 [0013]
- US 6176101 B1 [0013]
- US 6079481 [0013]
- US 5638900 [0013]
- US 5351497 [0013]
- DE 10141524 A1 [0013]
