DE102016103719B4

DE102016103719B4 - Vorrichtung zur Fluidführung

Info

Publication number: DE102016103719B4
Application number: DE102016103719.2A
Authority: DE
Inventors: Sayyed Ahmad Fani Yazdi; Axel Schulze
Original assignee: Hugo Petersen GmbH
Current assignee: Hugo Petersen GmbH
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2022-02-10
Anticipated expiration: 2036-03-03
Also published as: DE102016103719A1

Abstract

Vorrichtung (1) zur Fluidführung in einen Apparat (101, 102) oder aus einem Apparat mit einer Längsachse (7)und einem um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanal (10),welcher auf seiner von der Längsachse (7) entfernten Seite zumindest eine Außenwand (2) mit einer ersten Begrenzung (21) und einer zweiten Begrenzung (22) undauf seiner der Längsachse (7) zugewandten Seite eine Innenwand (3) sowieeinen Deckel (4), welcher die erste Begrenzung (21) der Außenwand (2) mit der Innenwand (3) verbindet, undeine sich an die zweite Begrenzung (22) der Außenwand (2) anschließende offene oder teilweise geschlossene Bodenfläche (5) aufweist,wobei die Vorrichtung (1) eine erste Öffnung (20) im Kanal (10)und zumindest eine zweite Öffnung (50) in der Bodenfläche (5) aufweist,so dass im Betrieb ein Fluid zwischen der ersten Öffnung (20) und der zweiten Öffnung (50) durch den Kanal (10) strömen kann,wobei sich die Außenwand (2) beginnend von einem Anfang (27) benachbart zu der ersten Öffnung (20) hin zu ihrem Ende (28) erstreckt unddie Höhe der Außenwand (2) gemessen als Abstand zwischen der ersten Begrenzung (21) und der zweiten Begrenzung (22) in Richtung der Längsachse und/oder der Abstand der Außenwand (2) von der Innenwand (3) gesehen von ihrem Anfang (27) hin zu ihrem Ende (28) abnimmt,und wobei der um die Längsachse (7) herum verlaufende Kanal (10) einen ersten Kanal bildet unddie Vorrichtung zumindest einen zweiten Kanal (6) aufweist, der derart durch die Vorrichtung (1) verläuft,so dass im Betrieb ein zweites Fluid in dem zumindest einen zweiten Kanal (6) durch die Vorrichtung (1) strömen kanndadurch gekennzeichnet, dassder zweite Kanal(6) entlang der Längsachse (7) und insbesondere koaxial zur Längsachse verläuft,wobei der zweite Kanal von einer Wand (61) umschlossen wird, welche mit ihrer von der Längsachse abgewandten Seite (63) die Innenseite der Innenwand (3) des um die Längsachse herum verlaufenden ersten Kanals (10) bildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Fluidführung in einen Apparat oder aus einem Apparat. Die Erfindung betrifft des Weiteren die Verwendung Vorrichtung zur Fluidführung als Kopfhaube und/oder als Endhaube eines insbesondere radial durchströmten Rohrbündelwärmeübertragers oder eines Festbettreaktors oder einer Filtervorrichtung. Die Erfindung betrifft auch einen Rohrbündelwärmeübertrager, einen Festbettreaktor oder eine Filtervorrichtung mit einer Vorrichtung zur Fluidführung.
In EP 0 257 279 A1 , EP 0 264 696 A2 und US 4 141 835 A werden Apparate zur Behandlung von Blut beschrieben, um Gase zu entfernen. In EP 1 927 578 A1 wird eine Vorrichtung zur Synthesegasherstellung beschrieben. DE 20 219 278 U1 beschreibt einen Ringkanal für die Zuführung eines Wärmeträgers an einen Rohrbündelwärmeübertrager.
Verfahrenstechnische Apparate wie die genannten Beispiele und generell Wärmeübertrager, Filter oder Reaktoren werden im Betrieb von zumindest einem Fluid durchströmt. Dieses wird über Zufuhrleitungen in den Apparat und mittels Abfuhrleitungen aus dem Apparat geführt. Dabei erfährt das Fluid Richtungsänderungen und passiert unterschiedlich geformte und verschieden große Querschnittsflächen. Damit sind Druckverluste verbunden. Zudem wird nach einer Änderung des durchströmten Querschnitts erst nach der Passage einer gewissen Strecke wieder ein gleichmäßiger Stromlinienverlauf erreicht.
In bekannten Fluidverteilern wie beispielweise einem radial durchströmten Rohrbündelwärmeübertrager werden Hauben wie die in 1 dargestellte eingesetzt. Das Fluid tritt seitlich in die Haube ein, verteilt sich um ein Zentralrohr und verlässt die Kammer aus der unteren Kreisringfläche. Das Ergebnis einer Strömungssimulation in der Ebene senkrecht auf das Zentralrohr durch die Mitte des Eintrittsstutzens ist in 2 dargestellt. Je dunkler ein Gebiet gefärbt ist, desto höher ist dort die Strömungsgeschwindigkeit.
Die Störung der Einströmung durch die Aufweitung des durchströmten Querschnitts nach der Passage der Eintrittsöffnung aus dem Stutzen in die Haube und die Totzone in Strömungsrichtung vor dem Zentralrohr verursachen eine Schattenbildung der Fluidströmung direkt nach dem Eintrittsstutzen. Daher werden die Rohre des Rohrbündelwärmeübertragers anschließend an diesen Bereich in geringerem Maße als die übrigen Rohre durchflossen. Gleichzeitig kommt es auf der Rückseite des Zentralrohrs zu einer verstärkten Aufwirbelung, was zu einem höheren Druckverlust in der Haube und einer inhomogenen Fluidverteilung auf der Rückseite des Zentralrohrs führt.
Es ergibt sich daher eine Aufgabe der Erfindung, die Ausdehnung des Bereichs, in welchem sich die Strömung nach einer Änderung des durchströmten Querschnitts beruhigt, zu verringern. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine homogene Verteilung des Fluids über den gesamten zu durchströmenden Querschnitt zu erreichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Fluidführung in einen Apparat oder aus einem Apparat zu schaffen, welche konstruktiv einfach zu realisieren ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis der Erfinder, dass mit einer spezifischen Gestaltung einer Vorrichtung, welche zwischen der Zu- beziehungsweise Abfuhrleitung und dem verfahrenstechnischen Apparat zur Fluidführung eingesetzt wird, das Strömungsprofil im Apparat bereits an dessen Eintritt beziehungsweise bis hin zum Austritt aus dem Apparat vergleichmäßigt werden kann.
Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Fluidführung in einen Apparat oder aus einem Apparat zur Verfügung, welche eine Längsachse und einen um die Längsachse herum verlaufenden Kanal aufweist, wobei der Kanal auf seiner von der Längsachse entfernten Seite eine Außenwand mit einer ersten und einer zweiten Begrenzung und auf seiner der Längsachse zugewandten Seite eine Innenwand sowie einen Deckel, welcher die erste Begrenzung der Außenwand mit der Innenwand verbindet, und eine sich an die zweite Begrenzung der Außenwand anschließende, offene oder teilweise geschlossene, Bodenfläche aufweist, wobei die Vorrichtung eine erste Öffnung im Kanal und zumindest eine zweite Öffnung in der Bodenfläche aufweist, so dass im Betrieb ein Fluid zwischen der ersten und der zweiten Öffnung durch den Kanal strömen kann, wobei sich die Außenwand beginnend von einem Anfang benachbart zu der ersten Öffnung hin zu ihrem Ende erstreckt und die Höhe der Außenwand gemessen als Abstand zwischen der ersten Begrenzung (21) und der zweiten Begrenzung (22) in Richtung der Längsachse und/oder der Abstand der Außenwand von der Innenwand gesehen von ihrem Anfang hin zu ihrem Ende abnimmt. Wird der um die Längsachse herum verlaufende Kanal von einer einzigen Außenwand begrenzt, welche nicht aus mehreren Außenwänden abschnittsartig zusammengesetzt ist, wird die Bodenfläche von dieser Außenwand umschlossen.
Unter dem Ausdruck „Fluidführung in einen Apparat oder aus einem Apparat“ wird im Rahmen dieser Anmeldung das Lenken eines Gases oder einer Flüssigkeit oder einer Dispersion aus einer Zufuhrleitung durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in einen verfahrenstechnischen Apparat wie beispielsweise einen Wärmeübertrager, einen Filter, einen Reaktor oder dergleichen verstanden. Desgleichen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet, ein Fluid aus einem solchen Apparat heraus in eine Abfuhrleitung zu transferieren. Unter einer Dispersion wird hier ein Fluid verstanden, welches mehrere Phasen aufweist, die ineinander nahezu nicht löslich sind, so dass Partikel, Tropfen oder Blasen einer Phase verteilt in einer weiteren Phase vorliegen.
Die Erfindung unterbindet die oben genannten Probleme durch eine einfache konstruktive Bauweise der Vorrichtung, beispielsweise als Haube, indem die Fluidströmung durch den Apparat im Vergleich zur Verwendung bisher bekannter Vorrichtungen als Haube verbessert wird. Insbesondere ermöglicht die Erfindung durch eine Verengung des durchströmten Querschnitts auf dem Weg des Fluids zwischen der ersten und der zweiten Öffnung, dass die Strömung vergleichmäßigt und dabei gerichtet wird.
Anfang und Ende der Außenwand schließen nach einer Ausführungsform der Erfindung aneinander an, so dass die Außenwand durch den Höhenunterschied infolge der Reduzierung der Wandhöhe einen Absatz aufweist. Die gesamte Bodenfläche kann im Rahmen der Erfindung die zweite Öffnung bilden. Die Bodenfläche kann beispielsweise auch mittels einer Platte verschlossen sein, wobei die Platte die zumindest eine zweite Öffnung aufweist. Insbesondere kann diese Platte ein Rohrboden eines Rohrbündelwärmeübertragers sein.
Die Erfindung kann für die Fluidzufuhr oder die Fluidabfuhr eines Fluids in einen zu durchströmenden Apparat eingesetzt werden. Die Erfindung bietet jedoch auch die Möglichkeit, zwei Fluide separat mit Hilfe der Vorrichtung in einen verfahrenstechnischen Apparat hinein beziehungsweise aus einem solcher heraus zu führen. Dazu ist vorgesehene, dass der um die Längsachse herum verlaufende Kanal einen ersten Kanal bildet und die Vorrichtung zumindest einen zweiten Kanal aufweist, der die Vorrichtung sozusagen kreuzt, also derart durch die Vorrichtung verläuft, dass im Betrieb ein zweites Fluid in dem zumindest einen zweiten Kanal durch die Vorrichtung strömen kann.
Wird der zweite Kanal nach dem Prinzip eines herkömmlichen Zentralrohrs gestaltet, ist der Austausch von Hauben nach dem Stand der Technik, beispielsweise von Rohrbündelwärmeübertragern, gegen die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders einfach möglich. Dafür ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass der zweite Kanal entlang der Längsachse und insbesondere koaxial zur Längsachse verläuft, wobei der zweite Kanal von einer Wand umschlossen wird, welche mit ihrer von der Längsachse abgewandten Seite die Innenwand des um die Längsachse herum verlaufenden ersten Kanals bildet. Die Außenwand des um die Längsachse herum verlaufenden Kanals verläuft dabei insbesondere koaxial um Längsachse, so kann der zweite Kanal selbst zentral verlaufen.
Die Verringerung der Höhe der Außenwand kann im Rahmen der Erfindung in unterschiedlicher Weise dimensioniert werden, je nachdem, wo in Relation zur Bodenfläche welcher Anteil an durchtretendem Fluid in welcher Weise verteilt, beschleunigt oder abgebremst werden soll, wie also die Stromlinienverteilung eingestellt werden soll. So ist im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass sich die Höhe der Außenwand, insbesondere bei einer kreisförmigen Vorrichtung, entlang eines um die Längsachse laufenden Winkels φ (phi) verringert. Beispielsweise kann im Rahmen der Erfindung die Höhe der Außenwand H_außen(φ) des um die Längsachse herum verlaufenden Kanals von einer Ausgangshöhe H_Start bei einer ersten radialen Position φ_Start zu einer Endhöhe H_End bei einer zweiten radialen Position φ_End kontinuierlich abnehmen, wobei insbesondere φ_Start=0° und φ_End=360° oder φ_End<360° ist.
Bei φ_End=360° und einer kreisförmigen Vorrichtung durchläuft die äußere Begrenzung der Außenwand eine Umdrehung einer Helix um die Längsachse. Gemäß einer Modellvorstellung wird durch den sich mit zunehmendem φ gesehen von der Position des Eintritts in die Vorrichtung aus in einer Ebene, welche parallel zur Längsachse verläuft und diese schneidet, liegende Querschnittsfläche kontinuierlich kleiner, so dass das Fluid zunehmend durch die Bodenfläche „gedrückt“ wird.
Der zweite Kanal wird in diesem Ausführungsbeispiel von einem helixförmig in einer Umdrehung um die Längsachse laufenden Band als Deckel gebildet. Es ist aber auch möglich, dass der zweite Kanal mit φ_End<360° in seiner Höhe über einen Bereich abnimmt, welcher eine Teilstrecke zwischen Anfang und Ende der Außenwand ist. Außerhalb dieser Teilstrecke kann dann die Höhe der Außenwand konstant H_Start beziehungsweise H_End sein.
Mit der Form der Querschnittsfläche in einer Ebene, welche parallel zur Längsachse verläuft und diese schneidet, bietet die Erfindung vorteilhafterweise weitere Möglichkeiten, Einfluss auf das Strömungsprofil des Fluids beim Durchströmen des zweiten Kanals mit einfachen konstruktiven Maßnahmen zu nehmen. So können im Rahmen der Erfindung die Höhe der Außenwand H_außen (φ) und die Höhe der Innenwand H_innen (φ) des um die Längsachse herum verlaufenden Kanals gesehen in gleicher radialer Position φ um die Längsachse übereinstimmen.
Es ist jedoch auch möglich, dass die Höhe der Außenwand H_außen (φ) zumindest bereichsweise größer ist als die Höhe der Innenwand H_innen (φ) des um die Längsachse herum verlaufenden Kanals gesehen in gleicher radialer Position φ um die Längsachse. Der Deckel des zweiten Kanals ist dann zumindest in einem Bereich zwischen φ₁ und φ₂ > φ₁ in Richtung der Längsachse geneigt, also sozusagen nach innen gekippt.
Zudem kann die Vorrichtung nach einer weiteren Ausführungsform derart dimensioniert sein, dass die Höhe der Außenwand H_außen (φ) zumindest bereichsweise kleiner ist als die Höhe der Innenwand H_innen (φ) des um die Längsachse herum verlaufenden Kanals gesehen in gleicher radialer Position φ um die Längsachse. Der Deckel des zweiten Kanals ist dabei zumindest in einem Bereich zwischen φ₁ und φ₂ > φ₁ nach außen geneigt. Es können für den gesamten zweiten Kanal im Rahmen der Erfindung auch Bereiche mit unterschiedlich geneigtem Deckel kombiniert werden.
Die Erfindung ermöglicht außerdem, die Fluidströmung über das Maß hinaus zu vergleichmäßigen, das sich in einem oben beschriebenen um die Längsachse herum laufenden Kanal erzielen lässt. Dazu ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Deckel aufweist, welcher die erste Begrenzung der Außenwand mit der Innenwand verbindet.
In einer Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart konstruiert, dass der um die Längsachse herum verlaufende Kanal die Längsachse mehr als einmal umläuft, so dass der Deckel des (n-1)-ten Umlaufs über der Bodenfläche der Boden des n-ten Umlaufs ist. Die Deckelfläche kann also von der Position aus, an welcher der Anfang der Außenwand auf deren Ende trifft, über diese Position hinaus weiter um die Längsachse herum geführt werden, so dass die Deckelfläche der vorangegangenen Umrundung den Boden des dadurch gebildeten Fortsetzungskanals des um die Längsachse umlaufenden Kanals ist. Die Höhe des Fortsetzungskanals kann dabei konstant sein oder über die Länge - gesehen sozusagen aufgewickelt um die Längsachse - variieren. Die Zahl n ist eine reelle Zahl und kann insbesondere eine ganze Zahl sein.
Über die Wahlmöglichkeit hinsichtlich der Positionierung der ersten Öffnung bietet die Erfindung den Vorteil, je nach Einbausituation der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Anlage in Kombination mit einem verfahrenstechnischen Apparat die Eintrittsstutzen beziehungsweise Austrittsstutzen positionieren zu können. So kann zudem über die Art und Weise, wie das Fluid in den um die Längsachse herum verlaufenden Kanal eintritt, Einfluss auf das Strömungsprofil in diesem Kanal genommen werden.
In einer entsprechenden Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die erste Öffnung in dem um die Längsachse herum verlaufenden Kanal in einer Fläche, welche sich von der Kante des Deckels am Anfang der Außenwand aus gesehen zwischen der Außenwand und der Innenwand in Richtung auf die Bodenfläche hin erstreckt. Diese Fläche kann beispielsweise parallel, also nicht geneigt, oder geneigt zur Längsachse verlaufen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass die erste Öffnung in dem um die Längsachse herum verlaufenden Kanal in der Außenwand oder im Deckel positioniert ist.
Ist die Variante der Erfindung verwirklicht, wonach der Abstand der Außenwand von der Innenwand der Vorrichtung gesehen von ihrem Anfang hin zu ihrem Ende abnimmt, ist in einer Weiterbildung vorgesehen, dass der Abstand der Außenwand D(φ) des um die Längsachse herum verlaufenden Kanals von einem Ausgangsabstand D_start bei einer ersten radialen Position φ_Start zu einem Endabstand D_End bei einer zweiten radialen Position φ_End kontinuierlich abnimmt, wobei insbesondere (φ_Start=0° und φ_End=360° oder φ_End<360° ist. So kann eine Art „Schnecke“ für den Einlass beziehungsweise den Auslass eines Fluids aus einem verfahrenstechnischen Apparat gebildet werden. Je nachdem, welche Platzverhältnisse im Einbaufall zur Verfügung stehen, kann sich diese Variante beispielsweise anbieten, wenn eine Verringerung der Höhe der Außenwand nicht verwirklicht werden soll.
Eine weitere Verbesserung der Strömung läßt sich gemäß der Erfindung erreichen, indem in dem um die Längsachse herum verlaufenden Kanal ein Einbau oder mehrere Einbauten angeordnet sind. Insbesondere sieht die Erfindung vor, dass der Einbau oder die Einbauten eine obere Kante aufweisen, welche mit ihrer inneren Ecke an einer Stelle φ₁ benachbart zur Innenwand des Kanals positioniert ist, und dass der Einbau oder die Einbauten eine untere Kante aufweisen, welche mit ihrer inneren Ecke an einer Stelle φ₂ benachbart zur Innenwand des Kanals positioniert ist, wobei φ₂ > φ₁ ist.
Dadurch stellt die Erfindung beispielsweise eine Vorrichtung mit einem Kanal zur Verfügung, in welchem schaufelförmige Elemente das Fluid im Betrieb der Vorrichtung in Richtung auf deren zweite Öffnung in der Bodenfläche hin lenkt. Dies ist insbesondere in Kombination mit der Ausführungsvariante von Vorteil, bei welcher der Abstand der Außenwand von der Innenwand gesehen von ihrem Anfang hin zu ihrem Ende abnimmt und die Außenwand eine konstante Höhe hat. Hier kann ein Einbau oder können mehrere Einbauten strömungstechnisch die Funktion unterstützen, die mit einer sich in der Höhe verringernde Außenwand erreicht wird, nämlich das Fluid während seiner Strömung von der ersten Öffnung hin zur zweiten Öffnung in deren Richtung hin zu „drücken“.
Im Rahmen der Erfindung können zwei oder drei oder vier oder fünf oder mehr Einbauten gleichmäßig über einen Umlauf verteilt in dem um die Längsachse herum verlaufenden Kanal angeordnet sein, je nachdem, welches Strömungsprofil durch die Vorrichtung erzielt werden soll.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Einbau oder die Einbauten zumindest teilweise Durchtrittsöffnungen aufweisen. Die Durchtrittsöffnungen sind derart dimensioniert und angeordnet, dass im jeweiligen Anwendungsfall einer unerwünschten Turbulenz in Folge der Einwirkung des Einbaus auf die Strömung in dem um die Längsachse herum verlaufenden Kanal entgegen gewirkt wird.
Die Erfindung trägt mit den oben beschriebenen Ausführungsformen und Weiterbildungen dazu bei, das Strömungsprofil der Durchströmung von verfahrenstechnischen Apparaten so zu verbessern, dass diese ihre jeweilige Aufgabe effizienter erfüllen. Damit schafft die Erfindung auch eine Möglichkeit, Nachteile bestimmter Ausführungsformen derartiger Apparate aufzufangen.
Mit einem radial durchströmten Rohrbündelwärmeübertrager beispielsweise können Schwächen des klassischen Rohbündelwärmetauschers verringert werden. Durch gleichmäßige Strömung vom Zentralkanal nach außen in radialer Richtung beziehungsweise vom Raum zwischen dem Mantel des Wärmetauschers um die Rohrbündel herum zum Zentralkanal erreicht man sowohl geringere mechanische Belastungen als auch kleinere Druckverluste im Mantelraum des Wärmetauschers. Damit gewinnt man nicht nur Freiheit in der Wahl der mantelseitigen Ausrichtung der Zu- und Abführstutzen, sondern auch eine kompaktere Bauweise des Rohrbündels.
Als Nachteil des Radialrohrbündelwärmetauschers nimmt man in Kauf, entweder eine komplizierte Kopf- und Endhaube zu konstruieren, indem sowohl Eintritts- als auch Austrittsstutzen für mantelseitige sowie rohrseitige Stutzen für die Fluidströmung durch das Rohrbündel integriert sind. Oder es müssen die Stutzen für den Fluideintritt beziehungsweise Fluidaustritt auf der Mantelseite direkt auf den Mantel aufgebracht werden, was zu Lasten einer gleichmäßigen Strömung in der entsprechenden Eintritts- beziehungsweise Austrittskammer geht.
Hier schafft die Erfindung Abhilfe, denn bei einer Verwendung der Vorrichtung als Kopfhaube und/oder als Endhaube eines insbesondere radial durchströmten Rohrbündelwärmeübertragers oder eines Festbettreaktors oder einer Filtervorrichtung wird eine besonders gleichmäßige Strömung in der Eintritts- beziehungsweise Austrittskammer des Rohrbündels erreicht. Die hier beschriebene Erfindung stellt die Optimierung der Fluidverteilung bei Eintritt in ein Apparat sowie Ermöglichung eine Richtungsunabhängigkeit des Ein- und Austritt des Fluides in Apparaten wie Beispielweise einen radialen Wärmetauscher, einen Festbettreaktor mit ein Zentralrohr und/oder ein Spezialfilter mit ein Zentralrohr mit geordnete , nicht geordnete, Strukturierte und/oder nicht strukturierte Einbauten und/oder Packungen sowie eine Kombination davon
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche und ähnliche Bauteile sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen, wobei die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung der Durchströmung einer Haube eines Apparates nach dem Stand der Technik,
2 grafische Darstellung des Ergebnisses einer Strömungssimulation in der Ebene senkrecht auf das Zentralrohr durch die Mitte des Eintrittsstutzens für die in 1 gezeigte Haube,
3 eine schematische, perspektivische offene Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 eine schematische, perspektivische offene Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 eine schematische Darstellung der Durchströmung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 eine schematische, perspektivische offene Darstellung einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 eine schematische, perspektivische offene Darstellung der vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeschlossen an das Rohrbündel eines Rohrbündelwärmeübertragers,
8 eine schematische, perspektivische offene Darstellung der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeschlossen an einen verfahrenstechnischen Apparat mit durchströmbarer Packung wie beispielsweise ein Filter oder ein Festbettreaktor,
9 eine schematische, perspektivische und teilweise offene Darstellung in Außenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in doppelter Verwendung angeschlossen als Fluidzufuhr und Fluidabfuhr an einen Rohrbündelwärmeübertrager,
10 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeschlossen als Fluidabfuhr an einen Rohrbündelwärmeübertrager,
11 eine schematische, perspektivische und teilweise offene Darstellung eines Rohrbündelwärmeübertragers nach dem Stand der Technik,
12 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Rohrbündelwärmeübertragers mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angeschlossen als Fluidzufuhr und Fluidabfuhr in Außenansicht,
13 eine schematische perspektivische offene Darstellung in Außenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Darstellung der Durchströmung,
14 eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform der Erfindung,
15 eine schematische, perspektivische offene Darstellung in Außenansicht der in 14 dargestellten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Illustration der Durchströmung,
16 eine schematische, perspektivische offene Darstellung in Außenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung hinein,
17 eine schematische, perspektivische offene Darstellung in Außenansicht der in 16 dargestellten Ausführungsform angeschlossen an einen Rohrboden für den Anschluss an einen Rohrbündelwärmeübertrager.

In 3 ist die Erfindung an einer ersten Ausführungsform realisiert dargestellt. Die Vorrichtung 1 zur Fluidführung in einen Apparat oder aus einem Apparat hat eine Längsachse 7. Um die Längsachse herum verläuft ein Kanal 10. Dieser hat auf seiner von der Längsachse entfernten Seite eine Außenwand 2 mit einer ersten und einer zweiten Begrenzung 21, 22. Auf seiner der Längsachse 7 zugewandten Seite hat der Kanal 10 eine Innenwand 3. Die Außenwand 2 erstreckt sich beginnend von einem Anfang 27 benachbart zu der ersten Öffnung 20 hin zu ihrem Ende 28. Die Höhe der Außenwand nimmt gesehen von ihrem Anfang 27 hin zu ihrem Ende 28 ab. Anfang 27 und Ende 28 der Außenwand 2 schließen aneinander an, so dass die Außenwand einen Absatz aufweist.
Des Weiteren weist der Kanal 10 einen Deckel 4 auf. Der Deckel 4 verbindet die erste Begrenzung 21 der Außenwand 2 mit der Innenwand 3. Der Kanal 10 hat zudem eine von der zweiten Begrenzung 22 der Außenwand umschlossene Bodenfläche 5. Die Vorrichtung 1 hat eine erste Öffnung 20 im Kanal 10 und eine zweite Öffnung in der Bodenfläche 5.
Die erste Öffnung 20 liegt in der in 3 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 1 in einer Fläche 25, welche sich von der Kante 42 des Deckels 4 am Anfang 27 der Außenwand 2 aus gesehen zwischen der Außenwand und der Innenwand 3 in Richtung auf die Bodenfläche 5 hin erstreckt
Im Betrieb der Vorrichtung 1, wenn diese mit einem entsprechenden verfahrenstechnischen Apparat wie einem Wärmeübertrager, einem Reaktor oder einem Filter verbunden ist, strömt ein Fluid zwischen der ersten Öffnung 10 und der zweiten Öffnung 20 durch den Kanal 10.
Bei der Vorrichtung im ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet der um die Längsachse 7 herum verlaufende Kanal 10 einen ersten Kanal bildet und die Vorrichtung 1 weist einen zweiten Kanal 6 aufweist, der die Vorrichtung 1 kreuzt, so dass im Betrieb ein zweites Fluid in dem zumindest einen zweiten Kanal 6 durch die Vorrichtung 1 strömen kann. Der zweite Kanal 6 von einer Wand 61 umschlossen, welche mit ihrer von der Längsachse 7 abgewandten Seite die Innenwand 3 des um die Längsachse herum verlaufenden Kanals 10 bildet. Der zweite Kanal 6 ist im Ausführungsbeispiel gemäß 3 koaxial zur Längsachse 7 positioniert. Diese Positionierung ist nicht zwingend für die Realisierung der Erfindung.
Auf diese Weise ist der zweite Kanal 6 im Ausführungsbeispiel gemäß 3 ein Zentralrohr entlang und koaxial der Längsachse 7. Die Vorrichtung kann so beispielsweise als Haube eines Rohrbündelwärmeübertragers eingesetzt werden, in welchem durch den zweiten Kanal 6 das Fluid eingeleitet wird, welches durch die Rohre strömt, und durch den ersten Kanal 10 das Fluid, das die Rohre im Raum zwischen deren Außenseite und der Innenseite des Mantels des Rohrbündelwärmeübertragers durchströmt. Mit ihrer konstruktiv einfachen Lösung stellt die Erfindung so beispielsweise eine Haube als Fluidverteiler beziehungsweise Fluidsammler für den Eintritt bzw. Austritt auch mehrerer, hier zweier Fluide in beziehungsweise aus einem Apparat zur Verfügung.
In 4 ist eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 1 dargestellt, bei welcher die erste Öffnung 20 in dem um die Längsachse 7 herum verlaufenden Kanal 10 in der Außenwand 2 liegt.
Insbesondere in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird das den ersten Kanal 10 durchströmende Fluid durch die erste Öffnung 20 im Wesentlichen tangential in Bezug auf eine zylindrische Außenwand 2 um die Längsachse 7 der Vorrichtung 1 in die Haube eingeführt. Die Strömung ist schematisch in der Abbildung gemäß 5 dargestellt.
Der um die Längsachse 7 herum verlaufende Kanal 10 beschreibt dabei eine Helix um die Längsachse 7. Die Strömung wird entlang dieser Helix geführt, was durch den in gepunkteter starker Linie um das Zentralrohr umlaufenden Pfeil in 5 illustriert ist. In Folge der abnehmenden Höhe des Kanals 10 in Strömungsrichtung wird dabei immer mehr Fluid normal zur Hauptstromlinie in Richtung der Bodenfläche 5 gedrückt, was durch die parallel zur Längsachse 7 nach unten weisenden Pfeile in dünn gepunkteten Linien in 5 illustriert ist. So tritt das Fluid gleichmäßig verteilt durch die Bodenfläche 5, was durch die parallel zur Längsachse 7 nach unten weisenden, in durchgezogenen Linien dargestellten Pfeile gezeigt ist. Die abnehmende Höhe in Strömungsrichtung des Kanals 10 zwingt dem Strömungsprofil zunehmend eine Normalkomponente senkrecht zur Hauptstromlinie und parallel zur Längsachse auf. Dadurch wird eine Aufwirbelung unterbunden und eine gleichmäßige Verteilung des Fluids in den nachfolgenden Apparat gewährleistet.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist die Bodenfläche durch eine poröse Membran gebildet. Ebenso kann die Bodenfläche durch einen Siebboden, eine Fritte, einen Filter oder eine Füllkörperschicht gebildet werden, je nachdem, an welchem Apparat die Vorrichtung verwendet werden soll.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form einer Haube kann in einer Weiterbildung als Fluidverteiler in ein Lochblech eingesetzt werden. Eine solche Ausführungsform der Erfindung ist in 6 dargestellt. Der Aufbau der Vorrichtung entspricht im Wesentlichen der Ausführungsform, die oben in Bezug zu 3 beschrieben ist. Die zweite Begrenzung 22 der Außenwand 2 umschließt eine kreisringförmige Bodenfläche 5, welche Löcher 58 aufweist, so dass die Bodenfläche 5 von einem Lochboden gebildet wird. Ein derartiger Lochboden kann im Rahmen der Erfindung in der Anzahl, der Verteilung sowie der Abmessung der Löcher 58 an das Rohrbündel angepasst werden, welches in dem Rohrbündelwärmetauscher eingesetzt wird, mit welchem die Vorrichtung als Ein- und/oder Austritthaube zum Einsatz kommen soll.
In 7 ist die Vorrichtung 1 gemäß der in 6 gezeigten Ausführungsform mit einem Rohrbündel 80 verbunden. Jedes Rohr 8 des Rohrbündels 80 mündet in ein passend bemessenes und positioniertes Loch 58 des Lochbodens, welcher den Boden 5 der Vorrichtung 1 bildet. Durch den ersten Kanal 10 strömt im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers das rohrseitig verwendete Fluid ein oder aus. Bei Verwendung der Vorrichtung 1 für die Fluidzufuhr verteilt sich das Fluid gleichmäßig über die Bodenfläche 5 und damit gleichmäßig in alle Rohre 8 des Rohrbündels 80. Bei Verwendung der Vorrichtung 1 zur Fluidabfuhr wird das Fluid nach Austritt aus den Rohren 8 in die Bodenfläche 5 der Vorrichtung 1 gleichmäßig aus allen Rohren 8 abgeführt, so dass ein Rückstau in einzelnen Rohren, welche weiter entfernt von der Entnahmestelle der Öffnung 20 im Kanal 10 liegen, vermieden wird.
Durch das Zentralrohr 6 strömt im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers das mantelseitig verwendete Fluid, welches also die Rohre umströmt. Da der Durchfluss durch alle Rohre im Wesentlichen gleich ist, ist das jeweils treibende Gefälle für die Wärmeübertragung über das gesamte Rohrbündel sehr homogen, so dass einzelne heiße oder kalte Zonen vermieden werden, was die Effizienz des Rohrbündelwärmeübertragers verbessert.
In 8 ist ein im Wesentlichen zylindrisches Rohr schematisch dargestellt, das mit einer Füllung 90 versehen ist, welche grafisch durch die verteilten Punkte angedeutet ist. Ein derartiges Rohr kann je nach Form und Material der Füllkörper 90 und der Betriebsweise beispielsweise ein Filter, ein Festbettreaktor oder ein Fließbett sein. Im Folgenden wird in der Beschreibung der in 8 dargestellten Ausführungsform der Apparat 102 als „Filter“ bezeichnet, dieser Begriff ist im Hinblick auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 jedoch austauschbar gegen andere wie zum Beispiel „Festbettreaktor“ oder „Fließbett“.
In Kombination mit dem Filter wird die Ausführungsform der Vorrichtung 1 verwendet, welche in 5 dargestellt und oben beschrieben ist. Der Filter 102 kann damit auf zweierlei Arten betrieben werden. Zum einen kann durch das Zentralrohr 6 das zu filtrierende Fluid eingeleitet werden. Es fließt durch das Zentralrohr 6 hindurch und wird in der Umlenkkammer 9, welche in 8 auf der der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gegenüberliegenden Seite des Filters angebracht ist, umgelenkt. Dann tritt das zu filtrierende Fluid in die Packung 90 ein, die das Filtermedium beinhaltet, und durchströmt dieses. Nach dieser Passage entweicht das Filtrat aus der Packung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 sehr gleichmäßig über die gesamte Bodenfläche verteilt in den Kanal 10 der Vorrichtung 1 und wird schließlich aus der Öffnung 20 abgezogen.
Je nachdem, wie das Fließverhalten des zu filtrierenden Fluids ist, kann auch die alternative Betriebsweise gewählt werden. Dabei wird durch die Öffnung 20 das zu filtrierende Fluid zugeführt und mit Hilfe der Strömungsvergleichmäßigung über die Bodenfläche durch den Kanal 10 über die Packung 90 verteilt, die das Filtermedium beinhaltet. Das zu filtrierende Fluid durchströmt den Filter in der Ansicht gemäß 8 von oben nach unten in die Umlenkkammer 9 am Ende des Apparats 102. Von dort wird es in das Zentralrohr 6 geleitet. Aus dem Zentralrohr wird nach oben das Filtrat abgezogen.
In beiden Fällen wird über die besonders gleichmäßige Verteilung des FLuids infolge der Wirkung des Kanals 10 auf die Strömung die Druckverlustverteilung in der Packung 90 gesehen in Ebenen senkrecht zur Längsachse 7 homogen sein, so dass die Packung über ihr gesamtes Volumen gleichmäßig durchströmt wird. Dadurch ist die Beladungsverteilung des Filtrats mit herauszufilternden Partikeln extrem eng. Zudem kann aufgrund dieser schonenden Betriebsweise der Filter über eine lange Betriebsdauer nahe am Optimum der Auslegung gefahren werden.
In 9 ist ein Rohrbündelwärmeübertrager 101 schematisch in der Außenansicht gezeigt. In der Abbildung ist mittig der Mantelraum 81 des Rohrbündelwärmeübertragers 101 dargestellt, in welchem sich das Rohrbündel 80 befindet (vergleiche 7, in 9 verdeckt durch die Außenwand des Mantelraums). Das Rohrbündel 80 schließt an beiden Enden jeweils in einem Lochboden ab, welcher die Bodenfläche jeweils einer Vorrichtung 1 bildet, wenn jeweils eine Vorrichtung 1 auf jedes Ende des Rohrbündelwärmeübertragers montiert ist, wie in der in 9 dargestellten Ausführungsform.
Im gezeigten Betriebszustand wird der Rohrbündelwärmeübertrager 101 im Gegenstrom betrieben. Das rohrseitig strömende Fluid 1 wird über die Öffnung 20 der in 9 oben dargestellten Vorrichtung 1 zugeführt. Die oben dargestellte Vorrichtung 1 leistet damit die gleichmäßige Verteilung des FLuids 1 in die Rohre 8 des Wärmeübertragers. Nach der Passage der Rohre wird das Fluid 1 in der in 9 unten dargestellten Vorrichtung 1 aufgefangen und über deren Öffnung 20 entnommen. Die unten dargestellte Vorrichtung 1 leistet damit die gleichmäßige Sammlung des Fluids 1 zur Abfuhr aus den Rohren des Wärmeübertragers. Durch das Zentralrohr 6 der in 9 unten beziehungsweise oben dargestellten Vorrichtung 1 wird das mantelseitig strömende Fluid 2 in entgegengesetzter Strömungsrichtung zu Fluid 1 dem Wärmeübertrager zugeführt beziehungsweise aus dem Wärmeübertrager abgezogen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung als Haube eines Rohrbündelwärmeübertragers 101 ist in 10 dargestellt. Dieser Wärmeübertrager wird im Kreuzstrom betrieben. Das mantelseitig strömende Fluid 2 wird durch einen in 10 oben rechts dargestellten Stutzen in den Mantelraum 81 eingeführt und durch einen in 10 unten links dargestellten Stutzen aus dem Mantelraum 81 abgeführt. Die beiden Stutzen sowie die Begrenzung des Mantelraums 81 ist mit schwarzen durchgezogenen Linien illustriert. Im Mantelraum 81 ist ein Bündel 80 U-förmig gebogener Rohre 8 angeordnet, welche durch gepunktete Linien dargestellt sind.
Diese Rohre 8 münden in einen Lochboden, dargestellt in 10 durch die breit von links unten nach rechts oben schraffierte Linie. Der Lochboden bildet die Bodenfläche 5 der Vorrichtung 1. Durch die Öffnung 20 der Vorrichtung 1 wird das rohrseitig strömende Fluid 1 zugeführt. Die Vorrichtung 1 hat einen um die Längsachse 7 herum verlaufenden Kanal 10. Beim Durchlaufen des Kanals 10 wird das Fluid 1 gleichmäßig über die Bodenfläche und damit in die Rohre 8 verteilt, und zwar in das eine Ende jedes Rohrs, welches in den Lochboden der Bodenfläche 5 der Vorrichtung 1 mündet. Das andere Ende jedes Rohrs 8 ist derart durch die Vorrichtung 1 geführt, dass es den Kanal 10 durchstößt. So wird außerhalb der Vorrichtung 1 das Fluid 1 aus den einzelnen Rohrenden entnommen.
Für die Abnahme des Fluids 1 ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, eine weitere Vorrichtung 1 auf die in 10 dargestellte aufzusetzen, und zwar mit einer Bodenfläche, welche vom Deckel 4 des Kanals 10 der als Haube im Anschluss an den Wärmeübertrager 101 dienenden Vorrichtung 1 gebildet wird, der Löcher aufweist, in den die Rohre mit ihrem Ausstromende münden. Dann tritt das entnommene Fluid 1 in den Kanal 10 der zweiten Vorrichtung 1 ein und kann aus dieser durch deren Öffnung 20 abgezogen werden. Damit wird eine äußerst kompakte Bauweise für einen im Kreuzstrom betriebenen Rohrbündelwärmeübertrager realisiert.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen, dass die Erfindung die Möglichkeit schafft, in einen Apparat eintretendes ebenso wie aus einem Apparat austretendes Fluid bei unterschiedlichen Apparate insbesondere über eine als Helix-Fluidverteiler ausgebildete Vorrichtung 1 gleichmäßig in den Eintritts- beziehungsweise Austrittsquerschnitt zu verteilen.
Der um die Längsachse 7 umlaufende Kanal 10 kann im Rahmen der Erfindung grundsätzlich rechtsdrehend oder linksdrehend sein.
Die Eintritts- sowie Austrittskanäle können eine beliebige Form im Querschnitt senkrecht zur Hauptstromlinie haben, zum Beispiel rund, oval, quadratisch, rechteckig oder polygonal geformt sein.
Der insbesondere als Helix um die Längsachse 7 herum laufende Kanal 10 kann um die Längsachse einen Teilkreis oder einen Vollkreis beschreiben. Der gesamte Umlauf kann jedoch auch mehr als einen Vollkreis bilden, zum Beispiel 1,5-fache oder 2-fache Vollkreise, um den Verlauf der einzelnen Fluidströmungslinien vor dem Eintritt in den Vollkreis über der Bodenfläche aneinander anzugleichen beziehungsweise zu parallelisieren und/oder eine homogene Stromlinienverteilung beim Austritt zur unterstützen.
In 11 ist ein Rohrbündelwärmeübertrager nach dem Stand der Technik dargestellt. Ein derartiger Wärmeübertrager ist Gegenstand der Patentanmeldung DE 10 2015 102 311 A1 . In einem Mantelraum ist ein Rohrbündel aus mehreren Rohren angeordnet, wobei die Anordnung der Rohre im Rohrbündel einen Rohrspiegel definiert, welcher einen von Rohren freien inneren Kanal um die Längsachse und einen von Rohren freien äußeren Kanal zwischen dem äußeren Rand des Rohrbündels und der Mantelfläche aufweist, wobei gemäß der Erfindung der Rohrspiegel zwischen innerem und äußeren Kanal zumindest eine Verbindungszone aufweist, durch welche im Betrieb des Rohrbündelwärmeübertragers Fluid in den Mantelraum eintritt und/oder aus dem Mantelraum austritt.
Diese Verbindungszone ist in der in 11 gezeigten Ausführungsform im unteren Bereich des Wärmeübertragers angeordnet und zu dem mit Rohren bestückten Bereich hin durch als schwarze Flächen dargestellte Bleche abgegrenzt. Schlagwortartig ausgedrückt wird mit einem solchen Rohrbündelwärmeübertrager eine „semiradiale Strömung“ realisiert. Ein entsprechender Wärmeübertrager wird daher auch als „Semi RF Heat Exchanger“ bezeichnet. Dabei soll der Ausdruck „semi“ dahingehend verstanden werden, dass nur ein Teil - nicht zwingend die Hälfte - des Rohrspiegels mit Rohren bestückt ist.
Das rohrseitige Fluid R tritt über die in der ebenen Wiedergabe der perspektivischen Darstellung links nach hinten mündende Haube ein, wird auf die Rohre verteilt und tritt durch die rechts vorne mündende Haube wieder aus. Das Mantelraumfluid M wird durch die in der perspektivischen Darstellung der 11 rechts unten liegende Öffnung in die Verbindungszone zugeführt und tritt nach seiner Passage des Mantelraums der ersten Kammer des Wärmeübertragers durch den Ringspalt zwischen Rohrbündel und Mantel in die zweite Kammer ein. Es durchströmt die zweite Kammer von außen nach innen und tritt dann durch den zentralen Kanal des Wärmeübertragers von der zweiten in die dritte Kammer ein. Es durchströmt diese von außen nach innen, um schließlich nach seiner Passage des Mantelraums der dritten Kammer des Wärmeübertragers durch den Ringspalt zwischen Rohrbündel und Mantel in die vierte Kammer einzutreten. Nach deren Durchströmung tritt das Mantelraumfluid durch die rechts liegende Öffnung aus dem Wärmeübertrager aus. Die Geometrie der Verbindungszone wird neben der Länge des Mantelraums der Kammer, welche mit der Eintrittsbeziehungsweise Abführeinrichtung für das Mantelraumfluid in Verbindung steht, bestimmt durch die Breite dieser Kammer und die Abmessung und Positionierung der beiden flächig schwarz dargestellten seitlichen Begrenzungen der Verbindungszone.
In 12 ist ein Rohrbündelwärmeübertrager mit einer Verbindungszone und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angeschlossen als Fluidzufuhr und Fluidabfuhr dargestellt. Im Vergleich mit der Darstellung in 11 ist der Wärmeübertrager 101 um etwa eine Viertelumdrehung „nach hinten gekippt“. Das rohrseitige Fluid R tritt durch eine Öffnung 20 in die in 12 links dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 ein. Die Höhe von deren Außenwand verringert sich vom Start bei der Öffnung 20 an kontinuierlich, bis der Deckel 4 der Vorrichtung 1 auf deren untere Begrenzung stößt.
In der in 12 gezeigten Darstellung ist die Konstruktion so ausgelegt, dass durch die Verringerung der Höhe der Außenwand der Vorrichtung 1 deren äußerer Kanal von der Öffnung 20 bis zu seinem Ende derart läuft, dass der äußere Kanal an seiner Bodenfläche den Eintritt des rohrseitigen Fluids R in den mit Rohren bestückten Bereich des Wärmeübertragers 101 ermöglicht. An den Bereich der Vorrichtung 1 zwischen der Einmündung des Deckels 4 auf die Bodenfläche der Vorrichtung 1 und ihrer Öffnung 20, der also keinen äußeren Kanal aufweist, schließt sich im Inneren des Wärmeübertragers 101 die Verbindungszone an, durch die das mantelseitige Fluid M aus dem Wärmeübertrager 101 aus dem in 12 links gezeigten Anschlussstutzen austritt. Die obige Beschreibung gilt entsprechend für die rechts in 12 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung 1, durch die das rohrseitige Fluid R austritt.
13 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Verzweigung der Strömung. Dazu hat die Vorrichtung 1 zwei Außenwände, die zwischen ihrem einen jeweiligen Anfang 27 und ihrem Ende 28 mit sich verringernder Höhe verlaufen. In der in 13 gezeigten Ausführungsform fallen die Enden 28 der Außenwände 2 zusammen. Dies ist nicht zwingend für die Verwirklichung der Erfindung. Die Vorrichtung 1 hat eine erste Öffnung 20 im Bereich 27, welcher der Anfang jeder Außenwand 2 ist. Die zweite Öffnung ist im Bereich des Bodens 5. zwischen der Öffnung 20 und der zweiten Öffnung verläuft der erste Kanal um die Innenwand 3 herum, die durch den zweiten Kanal in Form eines Zentralrohrs um die Längsachse gebildet wird.
Der Höhenunterschied zwischen der Ausgangshöhe der Außenwand am Anfang 27 hin zur minimalen Endhöhe am Ende 28 wird in der gezeigten Ausführungsform in Umfangsrichtung um die Längsachse gesehen bei einem halben Umlauf überwunden. Dadurch wird das Fluid, dessen Durchströmung durch die Vorrichtung 1 durch die strichpunktierten Pfeile illustriert ist, im Vergleich mit der in 3 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 1 stärker in Richtung der zweiten Öffnung im Boden 5 gelenkt.
Das Fluid wird durch die Erfindung von der Öffnung 20 hin zu der zweiten Öffnung im Boden 5 gefördert, indem dem Fluid eine Strömungskomponente um die Längsachse herum aufgeprägt wird und gleichzeitig die durchströmte Fläche senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids bei der Durchströmung der Vorrichtung beginnend von der Öffnung 20 an abnimmt. Wie oben beschrieben kann dies zum einen verwirklicht werden, indem die Höhe der Außenwand reduziert wird. Zum anderen kann die Erfindung realisiert werden, indem die Breite des ersten Kanals, welcher um die Längsachse herum verläuft, verringert wird.
Eine entsprechende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist in 14 dargestellt. Um die Längsachse 7 herum verläuft ein zentraler Kanal 6, der die Innenwand 3 des äußeren Kanals 10 zur Verfügung stellt. Der äußere Kanal 10 wird von der Außenwand 2 begrenzt, der Abstand zwischen der Außenwand 2 und der Innenwand 3 bei jeder Position φ (phi) auf dem Umfang ist die Breite D(φ) des äußeren Kanals. Der Abstand der Außenwand 2 von der Innenwand 3 nimmt bei der in 14 gezeigten Ausführungsform von der Breite D_Start(φ) am Anfang 27 des äußeren Kanals 10 benachbart zur Öffnung 20 hin zu der Breite D_End(φ) am Ende 28 des äußeren Kanals 10 kontinuierlich ab.
Im Rahmen der Erfindung könnte die Breite D_End auch bei φ < 360° (phi kleiner 360°) erreicht werden. Auch kann die Verringerung von D(φ) mit zunehmendem φ vom Fachmann an die jeweilige Durchströmungsanforderung und die zur Verfügung stehenden konstruktiven Möglichkeiten angepasst werden.
Beispielsweise kann die Verringerung bei kleinen Werten für φ größer sein als bei größeren Werten oder umgekehrt.
Des Weiteren weist die in 14 dargestellte Ausführungsform der Erfindung Einbauten 12 auf. Diese sind hier in Verbindung mit der Variante der sich verringernden Breite des zweiten Kanals 10 gezeigt. Ebenso können solche Einbauten im Rahmen der Erfindung grundsätzlich auch in Verbindung mit der Variante der sich verringernden Höhe der Außenwand kombiniert werden.
Es sind drei Einbauten 12 gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. Im Rahmen der Erfindung können auch mehr oder weniger Einbauten 12, gleichmäßig oder in beliebigen Abständen zueinander über den Umfang verteilt, im äußeren Kanal 20 der Vorrichtung 1 positioniert sein. Im Zusammenhang mit 15 ist zu erkennen, dass diese Einbauten 12 sozusagen schaufelartig im äußeren Kanal 20 von einem jeweiligen Anfang im oberen Bereich hin zu einem Ende im unteren Bereich verlaufen, wobei sie umlaufend um die Längsachse 7 eine Strecke zwischen der Position φ1 am Anfang und φ2 am Ende überspannen.
Die Einbauten verlaufen dabei oberhalb und insbesondere in Projektion auf die Bodenfläche 5. Im Rahmen der Erfindung können Einbauten jedoch auch derart dimensioniert und angeordnet sein, dass sie die gesamte Breite des äußeren Kanals 20 überspannen.
Ein Einbau 12 weist in der dargestellten Ausführungsform eine obere Kante 120 auf, die im Bereich der oberen Begrenzung des Kanals 20 beziehungsweise der Vorrichtung 1 positioniert ist. Die innere Ecke 121 der oberen Kante 120 des Einbaus 12 ist benachbart zur Innenwand 3 angeordnet. Der Einbau 12 weist eine untere Kante 150 auf, deren innere Ecke 151 benachbart zur Innenwand 3 im Bereich des Bodens 5 angeordnet ist. Die die Ecken 121 und 151 verbindende, der Längsachse zugewandte Kante des Einbaus 5 verläuft entlang der Innenwand 3, also im gezeigten Ausführungsbeispiel auf einer zylindrischen Fläche um die Längsachse 7.
Die dieser, der Längsachse zugewandten Kante des Einbaus 12 gegenüber liegende zweite Kante zwischen oberer Kante 120 und unterer Kante 150 kann parallel zu der der Längsachse zugewandte Kante verlaufen, so dass der Einbau 12 über seine Länge zwischen den Kanten 120 und 150 eine konstante Breite hat. Dies ist bei den drei in 14 beziehungsweise 15 gezeigten Einbauten 12 der Fall. Im Rahmen der Erfindung liegen jedoch auch Vorrichtungen 1 mit Einbauten mit sich von der Kante 120 an in Richtung zur Kante 150 in ihrer Breite und/oder Dicke kontinuierlich, schrittweise und/oder abschnittsweise ändern.
In 16 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt, welche grundsätzlich der in 15 gezeigten Ausführungsform entspricht. Die Einbauten 12 dieser weiteren Ausführungsform weisen im Unterschied zu den in 15 dargestellten massiv flächig ausgebildeten Einbauten Durchgangslöcher 122 auf. Durch die Positionierung, Dimensionierung und Verteilung der Durchgangslöcher 122 im jeweiligen Einbau 12 kann die Strömung durch den äußeren Kanal 10 weiter beeinflusst werden. In der dargestellten Ausführungsform weist jeder Einbau 12 in seinem oberen Bereich, in seiner Mitte und in seinem unteren Bereich jeweils eine Gruppe von 6 Löchern 122 auf, die in etwa jeweils auf einem Kreis angeordnet sind.
Insbesondere ermöglicht die Erfindung durch die Kombination der schneckenförmigen Einströmung und mit Löchern versehener Einbauten eine gleichmäßige Verteilung des Fluids, ohne dass zu starke Turbulenzen auftreten. Die Löcher in den Einbauten werden gemäß der Erfindung genutzt, um gezielt das Strömungsprofil zu beeinflussen. Durch Position, Größe und Verteilung der Löcher 122 sind dem Fachmann mehrere Möglichkeiten an die Hand gegeben, die Strömung so schnell und dabei so gleichmäßig wie erforderlich für die jeweilige verfahrenstechnische Aufgabe einzustellen.
Beispielsweise kann die Vorrichtung 1 wie in 16 gezeigt an eine Lochplatte am Eintritt in einen Elektrofilter angeschlossen sein. Durch die Größe der Apparate besteht bei Elektrofiltern die Gefahr einer Ungleichverteilung eines einströmenden, mit Partikeln beladenen Gases. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 erlaubt eine gleichmäßige Verteilung des Gases, wobei Turbulenzen durch die Löcher in den Einbauten vermieden werden. Auf diese Weise wird ein langsames Durchströmen des Elektrofilters ermöglicht, in welchem die Partikel dann mit Hilfe des elektrischen Feldes aus dem Gas abgeschieden werden.
In 17 ist die in 16 dargestellte Ausführungsform angeschlossen an einen Rohrboden für den Anschluss an einen Rohrbündelwärmeübertrager 101 gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber ist von dem Rohrbündelwärmeübertrager 101 allein die Außenwand ohne Rohrbündel im Inneren dargestellt. Der Rohrbündelwärmeübertrager hat einen Rohrboden, der als Boden 5 der Vorrichtung 1 ausgebildet ist. Der Rohrboden 5 weist Öffnungen 58 auf, an welche Rohre des Rohrbündelwärmeübertragers angefügt werden können. Das durch die erste Öffnung 20 in die Vorrichtung 1 eintretende Fluid strömt in der Ansicht gemäß 17 nach innen und oben auf den Rohrboden 5 zu. Dabei wird es durch die sich verjüngende Breite des äußeren Kanals der Vorrichtung 1 und mit Hilfe der Einbauten 12 auf die zweite Öffnung am Ausgang der Vorrichtung, der durch den Rohrboden 5 gebildet wird, hin beschleunigt. Beispielsweise durch die Positionierung der Einbauten 12 und die Wahl der Anzahl, der Position und der jeweiligen Durchmesser der Öffnungen 122 in den Einbauten stehen dem Fachmann im Rahmen der Erfindung mehrere Parameter zur Verfügung, die Beschleunigung des Fluids derart zu beeinflussen, dass es mit der gewünschten Strömungsgeschwindigkeit und gleichmäßig über den gesamten Rohrboden 5 verteilt durch die Öffnungen 58 des Rohrbodens tritt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Beispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise variiert werden kann. Insbesondere können die Merkmale der einzeln dargestellten Beispiele auch miteinander kombiniert oder gegeneinander ausgetauscht werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Fluidführung, Anschlusselement
101: Apparat, Wärmeübertrager, Rohrbündelwärmeübertrager
102: Apparat, Festbettreaktor, Filtervorrichtung
7: Längsachse
10: Kanal, erster Kanal, um die Längsachse herum verlaufender Kanal
12: Einbau, Einbauten
120: obere Kante eines Einbaus
121: innere Ecke der oberen Kante, eines Einbaus
122: Öffnungen in einem Einbau
150: untere Kante eines Einbaus
151: innere Ecke der unteren Kante, eines Einbaus
2: Außenwand
20: erste Öffnung im Kanal
21: erste Begrenzung der Außenwand
22: zweite Begrenzung der Außenwand
25: Fläche, in der die erste Öffnung in dem um die Längsachse herum verlaufenden Kanal liegt
27: Anfang der Außenwand
28: Ende der Außenwand
3: Innenwand
4: Deckel
42: Kante des Deckels am Anfang der Außenwand
5: Bodenfläche
50: zweite Öffnung in der Bodenfläche
58: Loch
6: zweiter Kanal, Zentralrohr
61: Wand des zweiten Kanals
63: von der Längsachse abgewandte Seite der Wand des zweiten Kanals = Innenseite der Innenwand des um die Längsachse herum verlaufenden Kanals 8 Rohr
80: Rohrbündel
81: Mantelraum
9: Sammelraum, Umlenkkammer
90: Packung, Füllkörper, Filtermedium

Claims

Vorrichtung (1) zur Fluidführung in einen Apparat (101, 102) oder aus einem Apparat mit einer Längsachse (7) und einem um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanal (10), welcher auf seiner von der Längsachse (7) entfernten Seite zumindest eine Außenwand (2) mit einer ersten Begrenzung (21) und einer zweiten Begrenzung (22) und auf seiner der Längsachse (7) zugewandten Seite eine Innenwand (3) sowie einen Deckel (4), welcher die erste Begrenzung (21) der Außenwand (2) mit der Innenwand (3) verbindet, und eine sich an die zweite Begrenzung (22) der Außenwand (2) anschließende offene oder teilweise geschlossene Bodenfläche (5) aufweist, wobei die Vorrichtung (1) eine erste Öffnung (20) im Kanal (10) und zumindest eine zweite Öffnung (50) in der Bodenfläche (5) aufweist, so dass im Betrieb ein Fluid zwischen der ersten Öffnung (20) und der zweiten Öffnung (50) durch den Kanal (10) strömen kann, wobei sich die Außenwand (2) beginnend von einem Anfang (27) benachbart zu der ersten Öffnung (20) hin zu ihrem Ende (28) erstreckt und die Höhe der Außenwand (2) gemessen als Abstand zwischen der ersten Begrenzung (21) und der zweiten Begrenzung (22) in Richtung der Längsachse und/oder der Abstand der Außenwand (2) von der Innenwand (3) gesehen von ihrem Anfang (27) hin zu ihrem Ende (28) abnimmt, und wobei der um die Längsachse (7) herum verlaufende Kanal (10) einen ersten Kanal bildet und die Vorrichtung zumindest einen zweiten Kanal (6) aufweist, der derart durch die Vorrichtung (1) verläuft, so dass im Betrieb ein zweites Fluid in dem zumindest einen zweiten Kanal (6) durch die Vorrichtung (1) strömen kann dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kanal(6) entlang der Längsachse (7) und insbesondere koaxial zur Längsachse verläuft, wobei der zweite Kanal von einer Wand (61) umschlossen wird, welche mit ihrer von der Längsachse abgewandten Seite (63) die Innenseite der Innenwand (3) des um die Längsachse herum verlaufenden ersten Kanals (10) bildet.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Außenwand (2) H_außen(φ) des um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanals (10) von einer Ausgangshöhe H_Start bei einer ersten radialen Position φ_Start zu einer Endhöhe H_End bei einer zweiten radialen Position φ_End kontinuierlich abnimmt, wobei insbesondere φ_Start=0° und (φ_End=360' oder φ_End<360° ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Außenwand (2) H_außen(φ) und die Höhe der Innenwand (3) H_innen(φ)des um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanals (10) gesehen in gleicher radialer Position φ µm die Längsachse übereinstimmen.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Außenwand (2) H_außen(φ) zumindest bereichsweise größer ist als die Höhe der Innenwand (3) H_innen(φ)des um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanals (10) gesehen in gleicher radialer Position φ µm die Längsachse.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Außenwand (2) H_außen(φ) zumindest bereichsweise kleiner ist als die Höhe der Innenwand (3) H_innen(φ)des um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanals (10) gesehen in gleicher radialer Position φ µm die Längsachse.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der um die Längsachse (7) herum verlaufende Kanal (10) die Längsachse mehr als einmal umläuft, so dass der Deckel (4) des (n-1)-ten Umlaufs über der Bodenfläche (5) der Boden des n-ten Umlaufs ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (20) in dem um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanal (10) in einer Fläche (25) liegt, welche sich von der Kante (42) des Deckels (4) am Anfang (27) der Außenwand (2) aus gesehen zwischen der Außenwand und der Innenwand (3) in Richtung auf die Bodenfläche (5) hin erstreckt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (25), welche die erste Öffnung (20) in dem um die Längsachse herum verlaufenden Kanal (10) aufweist, nicht geneigt zur Längsachse (7) verläuft.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fläche (25), welche die erste Öffnung (20) in dem um die Längsachse herum verlaufenden Kanal (10) aufweist, geneigt zur Längsachse (7) verläuft.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Öffnung (20) in dem um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanal (10) in der Außenwand (2) und/oder im Deckel (4) positioniert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Außenwand (2) D(φ) von der Innenwand (3) des um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanals (10) von einem Ausgangsabstand D_Start bei einer ersten radialen Position φ_Start zu einem Endabstand D_End bei einer zweiten radialen Position φ_End kontinuierlich abnimmt, wobei insbesondere φ_Start=0° und φ_End=360° oder φ_End<360° ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanal (10) ein Einbau oder mehrere Einbauten (12) angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbau oder die Einbauten (12) eine obere Kante (120) aufweisen, welche mit ihrer inneren Ecke (121) an einer Stelle φ₁ benachbart zur Innenwand (3) des Kanals (10) positioniert ist, und dass der Einbau oder die Einbauten (7) eine untere Kante (150) aufweisen, welche mit ihrer inneren Ecke (151) an einer Stelle φ₂ benachbart zur Innenwand (3) des Kanals (10) positioniert ist, wobei φ₂ _> φ₁ ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder drei oder vier oder fünf oder mehr Einbauten gleichmäßig über einen Umlauf verteilt in dem um die Längsachse (7) herum verlaufenden Kanal (10) angeordnet sind.
Verwendung einer Vorrichtung (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche als Kopfhaube und/oder als Endhaube eines insbesondere radial durchströmten Rohrbündelwärmeübertragers (101) oder eines Festbettreaktors (102) oder einer Filtervorrichtung (103).
Rohrbündelwärmeübertrager (101) umfassend zumindest eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Festbettreaktor (102) umfassend eine Reaktionskammer mit einem insbesondere zentral angeordneten Rohr und zumindest einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
Filtervorrichtung (102) umfassend eine insbesondere mit Filtermedium gefüllte Filterkammer mit einem insbesondere zentral angeordneten Rohr und zumindest einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14.