DE102012000146A1 - Flüssigkeitsverteiler für einen Wärmeübertrager - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsverteiler (1) für einen Wärmeübertrager (3), insbesondere für einen gewickelten Wärmeübertrager (3), zum Verteilen einer Flüssigkeit (F') auf ein Rohrbündel (70) des Wärmeübertragers (3) mit: einem entlang einer Längsachse (Z) erstreckten Fallrohr (10) zum Beschicken des Flüssigkeitsverteilers (1) mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch (F), wobei das Fallrohr (10) eine Öffnung (O) aufweist, die zum Ausströmen des Flüssigkeits-Gas-Gemisches (F) aus dem Fallrohr (10) eingerichtet und vorgesehen ist, und mit einem Prallelement (2), mit einem Mantel (20), der eine der Öffnung (O) zugewandte Oberfläche (20a) ausbildet, wobei das Prallelement (2) derart vor der Öffnung (O) angeordnet ist, dass das aus der Öffnung (O) ausströmende Flüssigkeits-Gas-Gemisch (F) auf jene Oberfläche (20a) des Prallelementes (2) auftrifft. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Mantel (20) rotationssymmetrisch zur Längsachse (Z) ausgebildet ist, wobei die Mantellinie (M) des Mantels zumindest abschnittsweise konkav gekrümmt ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Wärmeübertrager (3).
Description
- Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsverteiler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Wärmeübertrager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.
- Ein derartiger Flüssigkeitsverteiler für einen Wärmeübertrager, insbesondere für einen gewickelten Wärmeübertrager, ist zum Verteilen einer Flüssigkeit auf ein Rohrbündel des Wärmeübertragers ausgebildet und weist in der Regel ein entlang einer Längsachse (Zylinderachse) erstrecktes Fallrohr zum Beschicken des Flüssigkeitsverteilers mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch (Kühlmittel des Wärmetauschers) auf, wobei das Fallrohr eine Öffnung aufweist, die zum Ausströmen des Flüssigkeits-Gas-Gemisches aus dem Fallrohr eingerichtet und vorgesehen ist, sowie ein Prallelement (Prallblech), mit einem Mantel, der eine der Öffnung zugewandte Oberfläche ausbildet, wobei das Prallelement derart vor der Öffnung angeordnet ist, dass aus der Öffnung ausströmende Flüssigkeit auf jene Oberfläche des Prallelementes auftrifft. Ein solches Prallelement ist z. B. aus der
DE 20 2009 015 458 U1 bekannt. - Problematisch an einem solchen Prallelement ist insbesondere, dass sich Turbulenzen ergeben können, wobei insbesondere Flüssigkeitströpfchen durch die gasförmige Phase weggetragen werden können, d. h., es wird ein Teil der Flüssigkeit nicht dem Flüssigkeitsverteiler zugeführt, was zu Fehlverteilungen des Kühlmittels und somit zu einer niedrigeren Leistung des Wärmeübertragers führen kann.
- Hiervon ausgehend liegt daher der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Flüssigkeitsverteiler bzw. einen Wärmeübertrager der eingangs genannten Art hinsichtlich der vorgenannten Problematik zu verbessern.
- Dieses Problem wird durch einen Flüssigkeitsverteiler mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Danach ist vorgesehen, dass der Mantel bzw. dessen Oberfläche rotationssymmetrisch zur Längsachse, die insbesondere eine Zylinderachse des Fallrohres ist, ausgebildet ist (Mantel und Fallrohr sind also insbesondere koaxial zueinander angeordnet), wobei die Mantellinie des Mantels bzw. der besagten Oberfläche zumindest abschnittsweise konkav gekrümmt ist. Die Flüssigkeit trifft also auf eine konkave Oberfläche auf. Die Längsachse selbst verläuft bei einem bestimmungsgemäß angeordneten Flüssigkeitsverteiler bzw. Wärmeübertrager parallel zur Vertikalen.
- Als Mantellinien werden dabei Linien bezeichnet, die auf dem Mantel (bzw. dessen Oberfläche) des Prallelementes, der ein Rotationskörper ist, längs der Rotations- bzw. Längsachse verlaufen, d. h., die Verbindungsstrecken zwischen der Spitze des Mantels, die auf der Längsachse liegt, und Punkten auf dem Rand des Mantels (sogenannter Grundkreis). Der Mantel entsteht also gewissermaßen durch Rotation einer Mantellinie um die besagte Längsachse. Somit können alle Mantellinien durch Rotation um jene Längsachse ineinander überführt werden.
- Insbesondere kann der Mantel (zumindest abschnittsweise) im Wesentlichen die Form eines abgerundeten Konus (Kegels) oder Kegelstumpfes aufweisen.
- Durch die erfindungsgemäße Lösung wird bewirkt, dass der Winkel, unter dem die Flüssigkeit auf den Mantel auftrifft, verringert wird, so dass diese vorzugsweise nicht entlang der Längsachse nach oben zum Fallrohr hin reflektiert wird, sondern ihre Richtung aufgrund der Form des Mantels weniger stark ändert und dabei vorzugsweise in horizontaler Richtung abgelenkt wird, so dass sie über den Rand des Mantels abfließen kann (z. B. in einen darunter gelegenen Sammelbehälter, siehe unten).
- Durch das erfindungsgemäße Prallelement wird somit das Gemisch mit Vorteil gebremst und eine Trennung von Flüssigkeit und Gas ermöglicht.
- Bevorzugt verjüngt sich der Mantel des Prallelementes ausgehend von einem äußersten, umlaufenden Rand des Mantels in Richtung auf die Öffnung zu einer der Öffnung zugewandten Spitze, die bevorzugt abgerundet (konvex) oder abgeflacht ausgebildet ist.
- Vorzugsweise ist die Mantellinie ausgehend vom Rand des Mantels zunächst konkav (der Mantel ist dort nach innen gewölbt) und daran anschließend – zur Spitze des Mantels hin – konvex ausgebildet, so dass sich eine abgerundete Spitze des Mantels ergibt. Alternativ kann ein letzter Abschnitt der Mantellinie an der Spitze abgeflacht (parallel zur Horizontalen) verlaufen, so dass sich eine abgeflachte, oder mit anderen Worten, ”abgeschnittene” Spitze des Mantels des Prallelementes ergibt.
- Weiterhin kann der Mantel einen umlaufenden, durch den Rand des Mantels nach außen hin berandeten Randbereich aufweisen, wobei die Mantellinie entlang jenes Randbereiches vorzugsweise eine geringere Steigung aufweist als in einem sich daran anschließenden Abschnitt der Mantellinie.
- Zum Ablenken des auf den Mantel des Prallelementes auftreffenden Flüssigkeits-Gas-Gemisches sind bevorzugt mehrere Leitschaufeln vorgesehen, die jeweils entlang der Längsachse vom Mantel (hin zur Öffnung) abstehen und sich jeweils von der Spitze des Mantels zum Rand des Mantels entlang einer Mantellinie erstrecken, so dass je zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln ein Ablaufkanal für die auf den Mantel auftreffende Flüssigkeit gebildet wird. Hierbei sind bevorzugt benachbarte Leitschaufeln entlang des Randes des Mantels im gleichen Abstand zueinander angeordnet. Die Leitschaufeln unterteilen den Mantel bzw. die durch den Mantel gebildete (der Öffnung des Fallrohres zugewandte) Oberfläche also vorzugsweise in flächenmäßig gleich große Segmente.
- Die besagten Leitschaufeln erstrecken sich jeweils ausgehend von einem ersten Endbereich (im Bereich der Spitze des Mantels) hin zu einem gegenüberliegenden zweiten Endbereich, der insbesondere jeweils einstückig an den ersten Endbereich angeformt ist, im Bereich des Randbereiches des Mantels. Hierbei verlaufen die ersten Endbereiche vorzugsweise jeweils durchgängig (gerade) auf einer zugeordneten Mantellinie des Mantels, wohingegen die zweiten Endbereiche der Leitschaufeln jeweils von der zugeordneten Mantellinie weggekrümmt sind, so dass die zweiten Endbereiche jeweils eine konkave erste Seite bzw. eine davon abgewandte konvexe zweite Seite aufweisen. Die zweiten Endbereiche bilden also jeweils eine Schaufel aus.
- Die Höhe der Leitschaufeln entlang der Längsachse nimmt vorzugsweise im Bereich der Spitze in Richtung auf die Spitze ab.
- Weiterhin weist der erfindungsgemäße Flüssigkeitsverteiler zum Sammeln von auf das Prallelement aufgegebene Flüssigkeit bevorzugt einen Sammelbehälter auf, von dem aus die Flüssigkeit über ein Leitungssystem bzw. Verteilarme auf ein insbesondere gewickeltes Rohrbündel eines Wärmeübertrages aufgegeben werden kann.
- Der Sammelbehälter weist vorzugsweise einen entlang der Längsachse unterhalb des Prallelementes angeordneten Boden auf, von dem eine umlaufende Wandung des Sammelbehälters abgeht, so dass die vom Prallelement ablaufende Flüssigkeit in dem Sammelbehälter aufgefangen werden kann. Bevorzugt sind hierbei die zweiten Endbereiche der Leitschaufeln so gekrümmt, dass dagegen prallende Flüssigkeit zumindest teilweise in eine parallel zur Wandung des Sammelbehälters verlaufende Richtung abgelenkt wird.
- Weiterhin wird das erfindungsgemäße Problem durch einen Wärmeübertrager mit einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverteiler gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 13 gelöst.
- Danach ist weiterhin vorgesehen, dass der Wärmeübertrager einen Mantel aufweist, der einen Mantelraum des Wärmeübertragers definiert, sowie ein im Mantelraum angeordnetes Rohrbündel, wobei der Flüssigkeitsverteiler dazu eingerichtet und vorgesehen ist, das Rohrbündel mit Flüssigkeit zu beaufschlagen. Das Rohrbündel wird dabei bevorzugt durch eine Mehrzahl an Rohren gebildet, die um ein entlang der Längsachse erstrecktes Kernrohr gewickelt sind, wobei insbesondere das Kernrohr koaxial zum Fallrohr des Flüssigkeitsverteilers angeordnet ist.
- Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgenden Figurenbeschreibungen von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren erläutert werden.
- Es zeigen:
-
1 eine ausschnitthafte, schematische Schnittansicht eines Wärmeübertragers mit einem erfindungsgemäßen Flüssigkeitsverteiler; -
2 eine perspektivische Ansicht eines Prallelementes eines Flüssigkeitsverteilers der in der1 gezeigten Art; -
3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Prallelementes eines Flüssigkeitsverteilers der in der1 gezeigten Art; -
4 eine perspektivische Ansicht eines weiteren Prallelementes eines Flüssigkeitsverteilers der in der1 gezeigten Art; -
5 eine Seitenansicht des Prallelementes gemäß4 ; und -
6 eine Draufsicht auf das Prallelement gemäß4 und5 . -
1 zeigt einen Wärmeübertrager3 , der einen drucktragenden Mantel50 aufweist, der einen Mantelraum60 zur Aufnahme einer Flüssigkeit F' umgibt, die über einen Flüssigkeitsverteiler1 auf ein im Mantelraum60 angeordnetes Rohrbündel70 beaufschlagt wird. Ein im Rohrbündel70 gefahrenes Medium kann somit in indirekten Wärmetausch mit jener Flüssigkeit F' treten. Das Rohrbündel70 kann insbesondere durch ein oder mehrere Rohre gebildet sein, die um ein Kernrohr gewickelt sind (gewickelter Wärmeübertrager). - Um die Effizienz des Wärmeübertragers
3 gewährleisten zu können, muss die Flüssigkeit F' möglichst gleichverteilt über den Querschnitt des Rohrbündels70 auf dieses aufgegeben werden. Dies erfordert auch eine hinreichende Entgasung des Gemisches F in einem Flüssigkeitsverteiler1 , der entlang der Vertikalen Z oberhalb des besagten Rohrbündels70 angeordnet ist. - Die Flüssigkeit F' wird zunächst in Form eines Flüssigkeits-Gas-Gemischs F über ein entlang einer Längsachse Z erstrecktes Fallrohr
10 in den Flüssigkeitsverteiler1 geleitet, wobei jene Längsachse Z parallel zur Vertikalen verläuft. Das Fallrohr10 weist eine Öffnung O in einer horizontalen Ebene auf, die zum Ausströmen des Flüssigkeits-Gas-Gemisches F aus dem Fallrohr10 dient. Dabei ist entlang der Längsachse Z unterhalb der Öffnung O ein Prallelement2 des Flüssigkeitsverteilers1 koaxial (bezüglich der Längsachse Z) zum Fallrohr10 angeordnet. - Das Prallelement
2 weist einen Mantel20 auf, der eine der Öffnung O zugewandte Oberfläche20a ausbildet, die derart unterhalb der Öffnung O angeordnet ist, dass das aus der Öffnung O ausströmende Flüssigkeits-Gas-Gemisch F auf jene Oberfläche20a des Prallelementes2 auftrifft. Damit hierbei möglichst keine Reflexion des Gemisches F nach oben erfolgt, durch die Flüssigkeitströpfchen in aufsteigendes Gas G eintragen werden könnten, was die Verteilgüte des Wärmübertrages3 bzw. Flüssigkeitsverteilers1 negativ beeinflussen würde, ist der Mantel20 des Prallelementes2 rotationssymmetrisch zur Längsachse Z ausgebildet, wobei die Mantellinie M (durch deren Rotation um die Längsachse Z der Mantel20 bzw. dessen Oberfläche20a entsteht), derart konkav gekrümmt ist (vgl.2 bis6 ), dass der Winkel, unter dem das Gemisch F auf die Oberfläche20a des Mantels20 des Prallelementes2 auftrifft klein genug ist, um eine Reflexion des Gemisches F zu unterdrücken. Das Gemisch F wird somit sanft in eine horizontale Richtung umgelenkt und kann von dem Prallelement2 in einen darunter angeordneten Sammelbehälter40 fließen und Entgasen. Die entsprechende Flüssigkeit F' kann dann vom Sammelbehälter40 aus über eine vom Boden41 abgehende Leiteinrichtung43 auf das Rohrbündel70 verteilt werden. - Gemäß
2 kann der Mantel20 des Prallelementes2 einen umlaufenen Randbereich23 aufweisen, der von einem umlaufenden, äußersten Rand21 des Mantels20 begrenzt wird. Die Mantellinie M des Mantels20 weist dabei im Bereich des Randbereiches24 eine geringere Steigung auf, als in einem sich daran anschließenden Abschnitt24 des Mantels20 bzw. der Mantellinie M. Im Abschnitt24 ist der Mantel20 abschnittsweise im Wesentlichen konusförmig ausgeformt, wobei jedoch die Mantellinie M in diesem Abschnitt24 leicht konkav gekrümmt ist und dann zur Spitze22 des Mantels20 hin die Richtung der Krümmung ändert. im Abschnitt24 schließt die Mantellinie M in etwa einen Winkel W von 48° mit der Horizontalen ein. Die Breite (Durchmesser) B des Mantels20 entlang der Horizontalen kann in etwa 31 cm betragen; die Höhe H + H' des Mantels20 entlang der Längsachse (Rotationsachse) Z beträgt beispielsweise in etwa 14 cm. -
3 zeigt eine Abwandlung des in der2 gezeigten Prallelementes2 , wobei im Unterschied zur2 der Mantel20 bzw. dessen Oberfläche20a eine stärkere konkave Krümmung im Abschnitt24 aufweist. So steigt der Winkel W, den die Mantellinie M im Abschnitt24 mit der Horizontalen einschließt von beispielsweise 34° auf einen Winkel W' von beispielsweise 59° an. - Weiterhin können gemäß den
4 bis6 mehrere Leitschaufeln30 entlang der Längsachse Z von der Oberfläche20a des Prallelementes2 abstehen, die zum Ablenken des auf das Prallelement2 aufgegebenen Gemisches F dienen. Die Leitschaufeln30 weisen dabei jeweils im Bereich der Spitze22 des Mantels20 des Prallelementes2 einen ersten Endbereich31 auf, der in Richtung auf den Rand21 des Mantels20 in einen gegenüberliegenden zweiten Endbereich32 der jeweiligen Leitschaufel30 übergeht. Hierbei verlaufen die ersten Endbereiche31 jeweils durchgängig auf einer zugeordneten Mantellinie M des Mantels20 , wobei die zweiten Endbereiche32 der Leitschaufeln30 jeweils von der zugeordneten Mantellinie M weggebogen sind, so dass das dagegen prallende Gemisch F jeweils möglichst in eine parallel zu einer umlaufenden Wandung42 des Sammelbehälters40 verlaufende Richtung abgelenkt wird, um Reflexionen an der besagten Wandung42 zu vermeiden. Gemäß5 kann das Prallelement2 eine Höhe H von etwa 8 cm und eine Breite (Durchmesser) B von etwa 11 cm aufweisen. Bezugszeichenliste1 Flüssigkeitsverteiler 2 Prallelement 3 Wärmeübertrager 10 Fallrohr 20 Mantel 20a Oberfläche 21 Rand 22 Spitze 23 Randbereich 24 Abschnitt 30 Leitschaufel 31 Erster Endbereich 32 Zweiter Endbereich 40 Sammelbehälter 41 Boden 42 Wandung 43 Leiteinrichtung 50 Mantel 60 Mantelraum 70 Rohrbündel B Breite (Durchmesser) H Höhe M Mantellinie F Flüssigkeits-Gas-Gemisch G Gas F' Flüssigkeit Z Längsachse (Vertikale) O Öffnung - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
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- DE 202009015458 U1 [0002]
Claims (14)
- Flüssigkeitsverteiler für einen Wärmeübertrager, insbesondere für einen gewickelten Wärmeübertrager, zum Verteilen einer Flüssigkeit auf ein Rohrbündel des Wärmeübertragers mit: einem entlang einer Längsachse (Z) erstreckten Fallrohr (
10 ) zum Beschicken des Flüssigkeitsverteilers (1 ) mit einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch (F), wobei das Fallrohr (10 ) eine Öffnung (O) aufweist, die zum Ausströmen des Flüssigkeits-Gas-Gemisches (F) aus dem Fallrohr (10 ) eingerichtet und vorgesehen ist, und einem Prallelement (2 ), mit einem Mantel (20 ), der eine der Öffnung (O) zugewandte Oberfläche (20a ) ausbildet, wobei das Prallelement (2 ) derart vor der Öffnung (O) angeordnet ist, dass das aus der Öffnung (O) ausströmende Flüssigkeits-Gas-Gemisch (F) auf jene Oberfläche (20a ) des Prallelementes (2 ) auftrifft, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (20 ) rotationssymmetrisch zur Längsachse (Z) ausgebildet ist, wobei die Mantellinie (M) des Mantels (20 ) zumindest abschnittsweise konkav gekrümmt ist. - Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (
20 ) sich ausgehend von einem äußersten, umlaufenden Rand (21 ) des Mantels (20 ) hin zu einer der Öffnung (O) zugewandten Spitze (22 ) des Mantels (20 ) verjüngt. - Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze (
22 ) abgerundet oder abgeflacht ist. - Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantellinie (M) ausgehend vom Rand (
21 ) des Mantels (20 ) zunächst konkav und daran anschließend, insbesondere im Bereich der Spitze (22 ), konvex gekrümmt ist. - Flüssigkeitsverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (
20 ) einen umlaufenden Randbereich (23 ) aufweist. - Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantellinie (M) im besagten Randbereich (
23 ) eine geringere Steigung aufweist, als in einem sich daran anschließenden Abschnitt (24 ) der Mantellinie (M). - Flüssigkeitsverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Leitschaufeln (
30 ) zum Ablenken von auf das Prallelement (2 ) aufgegebener Flüssigkeit (F') vorgesehen ist, wobei die Leitschaufeln (30 ) jeweils entlang der Längsachse (Z) vom Mantel (20 ) abstehen und sich jeweils entlang einer Mantellinie (M) erstrecken, und wobei insbesondere benachbarte Leitschaufeln (30 ) entlang des Randes (21 ) des Mantels (20 ) äquidistant zueinander angeordnet sind. - Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (
30 ) jeweils einen ersten Endbereich (31 ) und einen damit verbundenen, gegenüberliegenden zweiten Endbereich (32 ) aufweisen, wobei der erste Endbereich (31 ) im Bereich der Spitze (22 ) des Mantels (20 ) vom Mantel (20 ) absteht, und wobei der zweite Endbereich (32 ) im Bereich des Randbereiches (23 ) des Mantels (20 ) vom Mantel (20 ) absteht. - Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Endbereiche (
31 ) jeweils durchgängig auf einer Mantellinie (M) des Mantels (20 ) verlaufen. - Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Endbereiche (
32 ) der Leitschaufeln (30 ) jeweils von der zugeordneten Mantellinie (M) weggekrümmt sind. - Flüssigkeitsverteiler nach Anspruch 2 und einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der jeweiligen Leitschaufel (
30 ) entlang der Längsachse (Z) im Bereich der Spitze (22 ) in Richtung auf die Spitze (22 ) abnimmt. - Flüssigkeitsverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitsverteiler (
1 ) einen Sammelbehälter (40 ) zum Sammeln von auf das Prallelement (2 ) aufgegebener Flüssigkeit (F') aufweist, wobei insbesondere der Sammelbehälter (40 ) einen entlang der Längsachse (Z) unterhalb des Prallelementes (2 ) angeordneten Boden (41 ) aufweist, von dem eine umlaufende Wandung (42 ) des Sammelbehälters (40 ) abgeht, und wobei insbesondere die zweiten Endbereiche (32 ) der Leitschaufeln (30 ) so gekrümmt sind, dass sie dagegen prallende Flüssigkeit (F') zumindest teilweise in eine jeweils parallel zur Wandung (42 ) des Sammelbehälters (40 ) verlaufende Richtung ablenken. - Wärmeübertrager mit einem Flüssigkeitsverteiler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (
3 ) einen Mantel (50 ) aufweist, der einen Mantelraum (60 ) des Wärmeübertragers (3 ) definiert, sowie ein im Mantelraum (60 ) angeordnetes Rohrbündel (70 ), wobei der Flüssigkeitsverteiler (1 ) dazu eingerichtet und vorgesehen ist, die Flüssigkeit (F') auf das Rohrbündel (70 ) zu verteilen. - Wärmeübertrager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrbündel (
70 ) durch eine Mehrzahl an Rohren gebildet ist, die um ein Kernrohr gewickelt sind, wobei insbesondere das Kernrohr koaxial zum Fallrohr (10 ) des Flüssigkeitsverteilers (1 ) angeordnet ist.
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