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Verwandte Anmeldungen
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Diese Anmeldung leitet die Priorität ab von und beansprucht ansonsten den Nutzen der provisorischen US Anmeldung 61/080 050, welche am 11. Juli 2008 eingereicht wurde, und welche hierin unter Bezugnahme eingebunden ist.
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Technischer Bereich
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf Türme zum Herbeiführen von Wärmetransfer oder chemischen Reaktionen und insbesondere auf Füllkörper für solche Türme sowie auf Türme, die solche Füllkörper enthalten.
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Technischer Hintergrund
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Viele industrielle Prozesse machen Gebrauch von Türmen, die zufallsbedingte Füllungen enthalten, um den Wärmetransfer zwischen der Füllung und Gasen, die durch solche Türme strömen, herbeizuführen oder um chemische Reaktionen zwischen verschiedenen Fluiden zu unterstützen, welche gleichzeitig durch solche Türme strömen. Die herkömmliche Füllung nimmt die Gestalt sattelförmiger Körper an, die buchstäblich in einen Turm gekippt werden, wo sie zufällige Ausrichtungen einnehmen. Wo der Turm zum Wärmetransfer benutzt wird, strömen heiße Gase über und um die Körper und erhöhen die Temperatur der Körper. Sie werden folglich zu Wärmesenken. Anschließend strömen kältere Gase durch den Turm und entziehen den Füllkörpern Wärme, um die Temperatur dieser Gase zu erhöhen. Der Turm wechselt hin und her zwischen heißen und kalten Gasen. Der große Oberflächenbereich der Körper unterstützt den Wärmetransfer. Wenn ein Turm dazu dient, chemische Reaktionen zwischen zwei Fluiden zu unterstützen, was als Massentransfer bezeichnet wird, strömen die beiden Fluide gleichzeitig durch den Turm. Der große Oberflächenbereich, der durch die zufällig angeordneten Körper geschaffen wird, erleichtert die chemische Reaktion. Im allgemein sind die Füllkörper, die dem Wärmetransfer dienen, verhältnismäßig klein, während jene, die für den Massentransfer genutzt werden, groß oder klein sein können.
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Sattelförmige Füllkörper setzen der Fluidströmung in einem Turm ein erhebliches Maß an Widerstand entgegen und verursachen einen entsprechenden Druckabfall. Zur Reduzierung der Energie, die erforderlich ist, um Fluide durch solche Türme zu zwingen, sind die Betreiber einiger Türme auf scheibenförmige Körper übergegangen, welche den Druckabfall reduzieren und dennoch große Oberflächen beibehalten, um den Wärmetransfer zu steigern oder chemische Reaktionen zu unterstützen. Der typische scheibenförmige Körper besitzt eine kreisrunde Form, jedoch ist sein Durchmesser erheblich größer als seine Länge. Intern hat der Körper Scheidewände, welche ihn in eine Vielzahl kleiner Durchlässe aufteilen, die sich durch den Körper erstrecken. Die Scheidewände stellen eine beträchtliche Oberfläche bereit, was erwünscht ist. Da die Durchlässe jedoch klein sind, tendieren sie dazu, die Fluidströmung zu drosseln, und es gelingt ihnen nicht, die Querströmung des Fluids über die stromaufwärts gerichteten Flanken der Körper einzufangen.
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Diese Querströmung rührt von der zufälligen Ausrichtung der scheibenförmigen Körper her. Obwohl die Körper die Tendenz haben, sich im allgemeinen horizontal auszurichten, wenn sie in den Turm gekippt werden, sind viele leicht geneigt. Als Folge entsteht ein Hohlraum zwischen einem geneigten Körper und einem eher horizontalen Körper darüber oder darunter, weshalb eine zahlreiche scheibenförmige Körper aufweisende Füllung eine Vielzahl von Hohlräumen zwischen seinen Körpern aufweist. Ein durch den Turm strömendes Fluid neigt dazu, als Querströmung den Hohlräumen zu folgen und nicht den kleinen Durchlässen durch die Körper, umso mehr als es den kurzen Seitenrändern, welche die Durchlässe an den stromaufwärts gerichteten Flanken eingrenzen, nicht gelingt, viel von der Querströmung einzufangen. Im Ergebnis sind die großen Oberflächen, die durch die Scheidewände erzeugt werden, weniger effizient.
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In Türmen, die monolithische oder strukturierte Medien enthalten, nehmen die Füllkörper die Form von Blöcken an, die übereinander gestapelt sind. Typischerweise enthalten die einzelnen Blöcke eine Vielzahl an Zellen, die voneinander isoliert sind, so dass die Luftströmung innerhalb jeder Zelle in dieser Zelle verbleibt und sich nicht über den Block ausbreiten kann. Druckabfall und Strömung durch die Zelle sind nicht gleichförmig, und dies wiederum hat eine schlechte Ausnutzung der Wärme- oder Massen-Transfer-Charakteristik der blockförmigen Körper zur Folge.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines Turms, der Füllkörper enthält, welche gemäß der und in Verkörperung der vorliegenden Erfindung konstruiert sind;
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2 ist eine Draufsicht auf einen der Füllkörper;
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3 ist eine Seitenansicht des Füllkörpers;
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4 ist eine Schnittzeichnung des Füllkörpers, geschnitten entlang Linie 4-4 in 2;
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5 ist eine Draufsicht auf einen geringfügig modifizierten Füllkörper mit Stegen;
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6 ist eine Draufsicht auf einen weiteren, geringfügig modifizierten Füllkörper mit Stegen;
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7 ist eine Schnittzeichnung, geschnitten entlang Linie 7-7 in 6;
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8 ist eine Schnittzeichnung eines weiteren, geringfügig modifizierten Füllkörpers; und
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9 ist eine perspektivische Darstellung von Füllkörpern in Form von Blöcken, welche gemäß der vorliegenden Erfindung konstruiert sind.
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Beste Art und Weise zur Handhabung der Erfindung
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Bezug nehmend auf die Zeichnungen enthält ein Turm A (1) eine aus einer Vielzahl von Füllkörpern 2 gebildete Schüttung oder Füllung B, die zufallsbedingt aber ansonsten generell horizontal in dem Turm A angeordnet sind. Die Füllung B kann dem Wärmetransfer zwischen der Füllung B und Gasen dienen, die durch den Turm A strömen, oder sie kann entsprechend ihrer Massentransfer-Fähigkeit dazu dienen, chemische Reaktionen zwischen den Fluiden zu fördern, die gleichzeitig durch den Turm A strömen. Hierzu hat der Turm A eine Hülle 4, welche die Füllung B einschließt, und mindestens eine Öffnung 6 an jedem Ende der Hülle 4, und sofern der Turm A zum Massentransfer benutzt wird, üblicherweise mehr als einen Anschluss 6, so dass verschiedene Fluide getrennt aber gleichzeitig in den Turm A eingebracht werden können.
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Jeder Füllkörper 2 besitzt einen unitären Aufbau, das heißt, er ist aus einem einzigen Stück geformt. Er umfasst (2–4) eine Außenwand 10, welche kreisrund oder in anderer Weise in sich geschlossen ist und dadurch eine Achse X für den Körper 2 festlegt. Darüber hinaus hat der Körper 2 eine aufgerollte Innenwand 12, welche einen gewundenen Durchlass 14 durch den Körper 2 bildet und einfasst. Die Innenwand 12 tritt aus der Außenwand 10 an einem verdickten Bereich 16 der Außenwand 10 hervor und windet sich spiralförmig einwärts, wobei sie in die Nähe der X Achse des Körpers 2 endet. Die Außenwand 10 und die aufgerollte Innenwand 12 bilden Endflächen 18 an dem Körper 2, und diese Endflächen 18 liegen in parallelen Ebenen, wobei der Abstand dazwischen die Länge des Körpers 2 darstellt. Das Aspektverhältnis des Körpers 2, welches das Verhältnis seines Durchmessers zu seiner Länge (axiale Abmessung) ist, sollte zwischen etwa 2 und 6 betragen.
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Der Körper 2 kann in einer Reihe von Größen bereitgestellt werden, von etwa 1,5 inches im Durchmesser bis zu etwa 8,0 inches im Durchmesser. Die kleineren Größen werden für den Wärmetransfer bevorzugt, wogegen beide, die kleinen und großen Größen für den Massentransfer geeignet sind. Das Material, aus dem der Körper 2 hergestellt wird, hängt in erheblichem Masse von den Fluiden ab, welche durch die Füllung B strömen, von der Körper 2 ein Teil darstellt, und von der Temperatur der Fluide. Der Körper 2 kann aus Keramik, aus einem Metall oder aus einem Polymer hergestellt sein.
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Für die meisten Anwendungen wird der Körper 2 aus Keramik in einem Extrusionsverfahren hergestellt werden. Dieses Verfahren liefert ein extrudiertes Profil aus einem geeigneten Material. Beim Austreten aus dem Extrusionswerkzeug wird das Profil mit einer Klinge oder Draht in einzelne ungesinterte Körper geschnitten, die anschließend in einem Meiler oder Ofen gebrannt werden um die Füllkörper 2 fertig zu stellen. Sofern eine Klinge benutzt wird, sollte sie in das extrudierte Profil da eindringen, wo das Profil am dicksten ist, nämlich an dem verdickten Bereich 16. Das Extrusionsverfahren ist besonders geeignet zur Herstellung der Körper 2 mit kleineren Durchmessern, es ist jedoch auch für größere Durchmesser anwendbar. Bei größeren Durchmessern können jedoch die ungesinterten Körper auch durch Giessen oder Strangpressen hergestellt werden, was in technischer Hinsicht vorteilhaft ist, da es genauere Abmessungen liefert. Es ist jedoch teurer als Extrudieren.
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Um zu verhindern, dass eine Klinge, die das extrudierte Profil in einzelne ungesinterte Körper schneidet, diese Körper deformiert, kann jeder Körper 2 mit Stegen 22 (5) versehen werden, die den gewundenen Durchlass 14 von dem verdickten Bereich 16 aus, wo die Klinge in das Profil eindringt, quer durchlaufen, So verbinden die Stege 22 die Außenwand 10 sowohl mit der größten Windung der Innenwand 12 als auch nachfolgende Windungen der Innenwand 12 untereinander. Jedoch unterbrechen die derart angeordneten Stege 22 den gewundenen Durchlass 14 und teilen ihn in verkürzte Abschnitte auf.
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Um Verformungen durch die Schnitte, welche die ungesinterten Körper von dem extrudierten Profil abtrennen, zu minimieren und dennoch den Durchlass 14 ohne zu viele Unterbrechungen zu belassen, können die Stege 22 in aufeinander folgenden Windungen des Durchlasses 14 winkelversetzt sein, so dass sie quer zum Körper 2 nicht fluchten (6&7). Derart angeordnet verstärken die Stege 22 den Körper 2. Obwohl die Stege 22 den Durchlass 14 immer noch in Abschnitte aufteilen, sind die Abschnitte länger als wenn die Stege 22 quer zu dem Körper 2 fluchten.
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Wenn die Körper 2 in die Hülle 4 des Turms A gekippt werden, nehmen sie zumeist eine horizontale oder annähernd horizontale Ausrichtung ein. Trotzdem werden viele leicht geneigt sein. Typischerweise wird ein geneigter Körper 2 über einem eher horizontalen Körper 2 liegen oder umgekehrt, wodurch ein Hohlraum zwischen den Endflächen 18 an den beiden Körpern 2 entsteht. Ungeachtet des Hohlraums werden Fluide in diesem Hohlraum, wenn sie auf die aufgerollte Wand 12 des stromabwärts gelegenen Körpers 2 treffen, abgelenkt an den Rändern entlang der stromaufwärts gerichteten Ränder der Wand 12 und in den gewundenen Durchlass 14 fließen, der von der Wand 12 eingegrenzt wird, umso mehr als sich der Durchlass 14 über eine beträchtlich Länge ohne Unterbrechung erstreckt. Er hat seine maximale Länge, wenn er sich spiralförmig den ganzen Weg bis ins Zentrum des Körpers 2 windet. Darüber hinaus wird das Fluid zum Verwirbeln durch den Durchlass 14 tendieren und dadurch den Kontakt zwischen dem Fluid und dem Körper 2 verstärken, alles mit minimalem Druckverlust.
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Die Außenwand 10 des Körpers 2 braucht nicht zylindrisch zu sein, obwohl zylindrisch bevorzugt ist. Sie kann eine elliptische oder andere längliche Konfiguration annehmen. Darüber hinaus kann sie eine polygonale Konfiguration annehmen. In jeder dieser Varianten können die jeweiligen Windungen der Innenwand 12 und des Durchlasses 14 die allgemeine Form der Außenwand 10 annehmen.
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Außerdem kann der Körper 2 zwei oder mehr Innenwände 12 und entsprechende Durchlässe 14 haben, die sich von verschiedenen Stellen entlang der Außenwand 10 einwärts winden, im wesentlichen eine Spirale innerhalb einer anderen.
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Wenn der Körper 2 gegossen oder gepresst wird, können seine Innenwände 12 gebogene Enden 24 (8) an den Endflächen 18 aufweisen und sich darüber hinaus von der Mitte der Wand 4 aus abwärts in Richtung dieser Enden 24 verjüngen, so dass die Wand 12 die Enden des gewundenen Durchlasses 14 vergrößert und somit der Durchlass 14 mehr Durchfluss aufnehmen und durch das Element 2 lenken kann.
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In einer alternativen Ausführung kann die Aussenwand 10 unterbrochen sein, nämlich sie kann eine schmale Öffnung oder einen Spalt enthalten. In dieser Konfiguration würde der Füllkörper 2 mehr einer reinen Spule gleichen.
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Polygone Konfigurationen, vorzugsweise vierseitige Konfigurationen, sind geeignet für monolithisch/strukturierte Füllungen C. Während die runden Füllkörper typischerweise zufallsbedingt in einem Turm verteilt sind, enthalten monolithisch/strukturierte Füllungen typischerweise Füllkörper in Form von Blöcken 28 (9), welche einer über dem anderen und Seite an Seite gestapelt sind mit geringem oder gar keinem Abstand zwischen angrenzenden Blöcken 28, unabhängig davon, ob sie über oder unter oder seitlich eines anderen Blocks 28 liegen. Soweit hat jeder Block 28 eine Außenwand 30 von polygoner Form und eine aufgerollte Innenwand 32, die einen gewundenen Durchlass 34 durch den Block 28 bildet. Die gewundenen Durchlässe 34 in den Blöcken 28 ermöglichen es den Fluiden, frei durch die Blöcke 28 zu strömen und darüber hinaus, den Druckabfall durch verschiedene Bereiche des Blocks 28 auszugleichen, dies im Gegensatz zu den typischen monolithisch/strukturierten Blöcken, welche getrennte Durchlasskanäle oder Zellen aufweisen, die sich durch sie erstrecken, wobei die Zellen isoliert voneinander sind. Ein monolithisch/strukturierter Block 28 würde typischerweise 6×6×12 inches messen, wobei die längste Abmessung in axialer Richtung liegt und damit die Länge des gewundenen Durchlasses 34 durch den Block 28 repräsentiert.
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Zusammenfassung
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Ein Turm (A) zum Herbeiführen eines Wärmetransfers oder chemischer Reaktionen enthält eine Füllung (B), die durch eine Vielzahl von Füllkörpern (2, 28) gebildet wird. Jeder Körper umfasst eine Außenwand (10, 30) und eine aufgerollte Innenwand (12, 32), die sich von der Außenwand spiralförmig nach innen zum Zentrum des Körpers windet und dabei einen gewundenen Durchlass (14, 34) durch den Körper bildet. Die gewundenen Durchlässe in dem Körper fangen die Strömung des Fluids durch die Füllung ein, so dass weniger Fluid den Hohlräumen zwischen den Körpern folgt und mehr die Körper durchfließt. Außerdem bietet die aufgerollte Innenwand jedes Körpers eine große Oberfläche für Wärmeübertragung oder chemische Reaktionen.
