DE1675501A1 - Einrichtung zum Verteilen von Stroemungsmedien auf mehrere Durchtrittsoeffnungen - Google Patents

Einrichtung zum Verteilen von Stroemungsmedien auf mehrere Durchtrittsoeffnungen

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Description

Stichwort: "Strömungsverteilung"
Deggendorfer Werft und Deggendorf /Donau,·den 7. März I968 Eisenbau, Ges.m.Td.H.
F. Pat
Einrichtung zum Verteilen von Strömungsmedien auf mehrere Durchtrittsöffnungen
Auf verschiedenen technischen Gebieten, vor allem im Bereich der chemischen Industrie und damit verwandten Industriezweigen, sind Flüssigkeiten oder Gase häufig in einem bestimmten Verhältnis auf mehrere zueinander parallelgeschaltete Öffnungen oder Rohre zu verteilen. Das kommt etwa bei Röhrenwärmetauschern, Kolonnen und Reaktionsapparaten in Betracht. Aus der Formel
2 gb
ist zu ersehen, welche Faktoren damit von Bedeutung sind. Wenn man nämlich berücksichtigt, dass
f = Durehtrittsquerschnitt (einer Öffnung oder
eines Rohres) in m
q. = Durchströmmenge in m /see
= Gesamtwiderstandsbeiwert (bedingt durch Kontraktion, Reibung, Stoss usw.)
h = Druckhöhe in m Flüssigkeitssäule V2 g = 4,43 - konstanter Wert.
sind, ergibt sich, dass ein Medium nur dann gleich- massig auf mehrere Durchtrittsöffnungen verteilt werden
209824/0774
kann, wenn vor diesen Durchtrittsöffnungen bei gleichen Einzelquerschnitten derselben und auch sonst gleichen Verhältnissen hinsichtlich des Einflusses auf den Gesamtwiderstandsbeiwert überall eine gleiche Druckhöhe des Mediums vorhanden ist.
Letzteres trifft jedoch nicht immer zu. Ungleiche Druckhöhen können sich durch verschieden lange Anströmwege zwischen einer Druckquelle (Pumpe, Propeller usw.) und den einzelnen Durchtrittsquerschnitten oder/und durch verschieden grosse Strömungswiderstände in den einzelnen Anströmwegen ergeben. Solche Verhältnisse treffen beispielsweise zu bei Reaktionsapparaten mit einem Rohrbündel, wobei ein zur gleichmässigen Beaufschlagung aller Rohre bestimmtes Wärmetauschmittel in den Endbereichen der Rohre in Querrichtung und im dazwischenliegenden Mittelbereich in Längsrichtung derselben geführt wird. In diesem Zusammenhang hat man zwischen den quer- und längsdurchströmten Bereichen der Rohre Verteilerplatten mit proportional der Druckhöhe an den jeweiligen Stellen bemessenen Durchtrittsquerschnitten angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das vorerwähnte Problem in anderer Weise zu lösen, weil es nicht immer ganz einfach und zweckmässig ist, für Plattenöffnungen oder Rohre verschiedene Durchtrittsquerschnitte vorzusehen, um eine gleiehmässige oder sonstwie vorbestimmte Verteilung eines Strömungsmediums zu erreichen.
Die Erfindung "besteht darin, dass die Öffnungen bei
2 09824/0774 " 3 "
gleichem MindeSteuerschnitt eintrittsseitig derart verschieden ausgebildet sind, dass der Strahlquerschnitt über den Gesamtwiderstandbeiwert unter Berücksichtigung des an der betreffenden Stelle herrschenden Druckes im Sinne einer gewünschten Durchflussmenge beeinflusst wird.
Auf diese Weise lassen sich zunächst alle Öffnungen einer Platte gleich ausführen oder überall gleiche Rohre verwenden, was vielfach schon aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft ist. Ausserdem ist die Bestimmung der einzelnen Teilmengen mit Hilfe des von der Eintrittsform jeder Öffnung bzw. jedes Rohres abhängigen Widerstandsbeiwertes gerade bei geringen Abstufungen günstig. Die G-rösse des Widerstandsbeiwertes in Abhängigkeit von den für ihn massgebenden Paktoren lässt sich rechnerisch oder versuchsmässig verhältnismässig einfach festlegen.
Je nach den gegebenen Verhältnissen können für die eintrittsseitig verschiedene Ausbildung der Öffnungen bestimmte Mindestdruckunterschiede massgebend sein. Ausserdem lässt sich der Erfindungsgedanke sowohl bei öffnungen in einer Platte als auch bei Öffnungen in am Eintrittsende von Rohren eingesetzten Stopfen durchführen, und zwar derart, dass die Öffnungen von der bzw. jeder Stelle des relativ höchsten Vordruckes zu den anderen Stellen hin eintrittsseitig entsprechend dem Druckgefälle im Sinne eines grosser werden-■lon ;trahlquerschnittes zunehmend trichterförmig erweit ·r-t üind. 209824/0774 8A&
- A
Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, dass die Öffnungen zusätzlich auch austrittsseitig verschieden ausgebildet sind. Ebenso kann zusätzlich die Reibung, die ja auch ein Teil des Gesamtwiderstandsbeiwertes ist, verändert werden, und zwar durch Längenänderung der zylindrischen Durchtrittsöffnungen (z.B. eingesetzte Büchsen, verschieden lange Gewebestopfen o.a.).
Der Gegenstand der Erfindung ist auf der Zeichnung in mehreren Ausfuhrungsformen beispielsweise dargestellt.
Fig. 1 zeigt im vertikalen Längsschnitt (Ebene I-I) einen Teil eines.Wärmetauschers mit einem Bündel paralleler Rohre 1, die sich zwischen einem oberen Rohrboden 2 und einem nicht dargestellten unteren* Rohrboden erstrecken. Etwas unterhalb des oberen Rohrbodens und parllel zu diesem, also ebenfalls quer zu den Rohren ist eine Platte 5 angeordnet, welche die Rohre dicht umgibt, aber zwischen denselben eine Anzahl von Durchtrittsöffnungen, gruppenweise mit 4, 5) 6 bezeichnet, aufweist, die ebenso wie die Rohre in zu diesen parallelen Reihen angeordnet sind. Eine entsprechende, nicht dargestellte Platte kann sich etwas oberhalb des unteren Rohrbodens befinden.
Mit den Pfeilen A und B sind die Strömungsrichtungen eines Wärmetauschmittels bezeichnet, das im oberen Endbereich der Rohre 1 quer zu diesen herangeführt und dann nach Durchströmen der Platte 2 längs der Rohre weitergeführt wird.
Fig. 2 gibt einen horizontalen Querschnitt durch die An-
BAD ORIGINAL
Ordnung nach Fig. 1 in der Ebene II-II wieder, d.h. 2.0 9824/0774
zwischen dem Rohrboden 2 und der Platte 3· Dabei ist zu sehen, dass sowohl die Rohre 1 als auch die Durehtrittsöffnungen in der Platte 3 in quer zur Anströmrichtung A des Wärmetauschmittels verlaufenden und abwechselnd zueinander versetzten Reihen angeordnet sind. In der Praxis können deshalb mehrere, z.B. zwei aufeinanderfolgende Reihen zu gemeinsamen Gruppen 4, 5, zusammengefasst werden, in deren Bereich eintrittsseitig je ein etwa gleicher Druck herrscht. Innerhalb jeder Gruppe sind die Durchtrittsöffnungen gleich ausgebildet, während sie in den aufeinanderfolgenden Gruppen verschiedene Eintrittsformen aufweisen.
Fig. 3 lässt diese gruppenweise bestehenden Unterschiede der in der Platte 2 angeordneten Durchtrittsöffnungen 4, 5, 6 in grösserem Maßstab bei einer der Fig. 1 entsprechenden Darstellung erkennen.
Die Durchtrittsöffnungen 4 in den beiden ersten Reihen, die vom anströmenden Wärmetauschmittel zuerst und mit dem relativ grössten Druck erreicht werden, weisen eine scharfe Eintrittskante 7 auf. Dadurch ergibt sich ein gegenüber dem überall gleichen Durchmesser d dieser Durchtrittsöffnungen relativ stark verringerter Strahlquerschnitt S-j.
Die Durchtrittsöffnungen 5 in den beiden nächsten Reihen weisen bei gleichem Durchmesser d eintrittsseitig eine geringe trichterartige Erweiterung 8 auf. Dadurch ergibt oich ein etwas weniger stark verringerte S\.rahlquer-
üchnitt S2. BADORIGiNAL
209824/0774 " 6 "
Die DurchtrittsÖffnungen 6 in den beiden letzten Reihen, die vom anströmenden Wärmetauschmittel zuletzt auf dem relativ längsten Wege und mit dem relativ geringsten Druck - nach Überwindung des durch alle davor liegenden Rohre bedingten grössten Widerstandes - erreicht werden, weisen bei ebenfalls gleichem Durchmesser d eintrittsseitig eine noch grössere trichterartige Erweiterung auf, die sich fast bis zum austrittsseitigen Endquer-*· schnitt erstreckt. Dadurch ergibt sich ein gegenüber dem Durehmesser d kaum noch verringerter Strahlquerschnitt s-z ·
Die Bedeutung dieser unterschiedlichen Ausbildung der Durchtrittsöffnungen liegt nun darin, dass im Bereich des eintrittsseitig grössten Druckes (in der einleitend angegebenen Formel mit h bezeichnet) und der dadurch bedingten grössten Durchtrittsgeschwindigkeit der Strahlquerschnitt so stark verringert wird, dass die in der Zeiteinheit durchströmende Menge des Wärmetauschmittels nur ebenso gross ist wie in den anderen Bereichen, in denen eintrittsseitig geringere Drücke und dementsprechend geringere Durchtrittsgeschwindigkeiten, dafür aber relativ grössere Strahlquerschnitte vorhanden sind. ,.
Die eintrittsseitigen Unterschiede zwischen den verschiedenen Gruppen 4, 5, 6 der Durchtrittsöffnungen sind bei der dargestellten Ausführung besonders;gross, um den Sinn des Erfindungsgedankens verständlich zu machen. In Wirklichkeit handelt es sich normalerweise nur um verhältnismässig geringfügige Abweichur^a,weil auch die Druck-
j ^209824/0774
_7_
höhenuntersehiede nur gering sind und deshalb eine entsprechend geringe Korrektur durch den Gesamtwiderstands-■beiwert genügen. Gerade deshalb ist die gemäss der Erfindung vorgeschlagene Massnahme neben der vergleichsweise einfacheren Berechnung auch für die praktische Anwendung besonders einfach und somit vorteilhaft, weil für die Herstellung aller Durchtrittsöffnungen wegen ihres gleichen Mindestquerschnittes das gleiche Bohrwerkzeug verwendet werden kann» Der dann ohnehin übliche anschliessende Arbeitsgang zum "Verbessern der Widerstandsbeiwerte durch Entgraten, Glätten und gegebenenfalls Ansenken der Kanten bzw. Flächen lässt sich gleichzeitig zur unterschiedlichen Beeinflussung der Widerstandsbeiwerte benutzen.
Fig. 4 veranschaulicht in gleicher Art wie Pig. 3 eine andere Anordnung, bei der die Rohre 10, die an ihrem oberen Ende wieder in einen Rohrboden 11 münden, durch die Durchtrittsöffnungen 12, 13, 14 der Yerteilerplatte 15 geführt sind. Die Durchtrittsöffnungen haben einen etwas grösseren Durchmesser bzw". Mindest durchmess er d als die Rohre, so dass um die letzteren ein Ringspalt vorhanden ist, der im Bereich aller Rohre eine gleiche Breite bzw Mindestbreite hat.
Dagegen sind die Durchtrittsöffnungen auch bei dieser Anordnung eintrittsseitig verschieden ausgebildet, und zwar ganz entsprechend der vorhergehenden Anordnung, d.h. in dem vom seitlich anströmenden Wärmetauschmittel (s.Pfeil i zuerst erreichten Bereich mit einer im wesentlichen ungebrochenen Kante 16, in dem nächstfolgenden Bereich mit einer relativ kleinen trichterförmigen Erweiterung 17 und
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in dem letzten Bereich, mit einer grösseren trichterförmigen Erweiterung 18. Auch hierbei sind diese Unterschiede zwischen den verschiedenen Gruppen von Durchtritt soff nungen zum besseren Verständnis grosser dargestellt als es in Wirklichkeit der Pail ist.
Pig. 5 und 6 zeigen im vertikalen Längsschnitt (Ebene V-V) bzw. in Draufsicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei handelt es sich um die Verteilung einer in Pfeilrichtung A über eine Stauwand 19 hinwegströmenden Flüssigkeit auf mehrere hinter der Stauwand in zu dieser parallelen Reihen angeordnete, gleich bemessene Rohre 20, die in einer horizontalen Platte 21 eingeschweisst sind. In die über diese Platte bis zu einer geringeren Höhe als die Stauwand hinausragenden oberen Enden der Rohre sind Stopfen 22, 23, 24 eingesetzt, die alle einen gleichen Mindestdurchtrittsquerschnitt aufweisen, aber eintrittsseitig verschieden ausgebildet sind. Diese Unterschiede bestehen wieder im Sinne der Erfindung darin, dass entsprechend dem in der Strömungsrichtung A hinter der Stauwand 19 von Rohrreihe zu Rohrreihe etwas sinkenden Flüssigkeitsspiegel 25 und den dadurch bedingten abnehmenden Staudruckhöhen h^, h^, h~ die Stopfen 22 in den beiden vorderen Rohrreihen einen bis zur Eintrittskante reichenden Minde st quer schnitt aufweisen, während die Stopfen 23 in den beiden folgenden Rohrreihen einen geringen und die Stopfen 24 in den beiden letzten Rohrreihen einen grösseren Eintrittstrichter aufweisen, der auch schon durch entsprechendes Ab- oder Ausrunden der Eintrittskante gebildet sein kann. Q
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Austrittsseitig weisen.alle Stopfen eine diffusorartige Erweiterung auf, um einen strömungsmässig günstigen Übergang von ihrem Mindestdurchtrittsquerschnitt zu dem grösseren lichten Rohrquerschnitt zu schaffen. Solche austrittsseitigen Erweiterungen können gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgebildet sein, um ergänzend zu der eintrittsseitigenGestaltung der Durchtrittsöffnungen deren G-esamtwiederstandsbeiwert im Sinne der "beabsichtigten Verteilung der Flüssigkeit zu "beeinflussen.
Die Erfindung ist nicht nur anwendbar zur gleichmässigen Verteilung eines Strömungsmediums bei ungleichen eintritsseitigen Druckhöhen, sondern auch im umgekehrten Falle, d.h. für eine in bestimmtem Masse ungleichmassige Verteilung eines Strömungsmediums bei gleichen oder sonstwie dieser Verteilung nicht entsprechenden eintrittsseitigen Druckhöhen.
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Claims (7)

Stichwort:'"Strömungsverteilung" Deggendorfer Werft und Deggendorf /Donau, den. 7. März I968 Eisenbau, G-es.m.b.H. P. Bat " · Patentansprüche:
1. Einrichtung zum Verteilen von Strömungsmedien in einem "bestimmten Verhältnis auf mehrere Durchtrittsöffnungen, vor denen verschieden hohe Drücke herrschen, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (4, 55 6; 12, 15» bei gleichem Mindestquerschnitt eintrittsseitig'derart verschieden ausgebildet sind, dass der Strahlquerschnitt (s-, , Sp1 s^) über den Gesamtwiderstandsbeiwert (μ.) unter Berücksichtigung des an der betreffenden Stelle herrschenden Druckes im Sinne einer gewünschten Durchflussmenge beeinflusst wird. ' ;
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die eintrittsseitig verschiedene Ausbildung der Öffnungen bestimmte Mindestdruckunterschiede massgebend sind,
3. Einrichtung nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (4, 5»' 6; 12, 13» 14) sich in einer Platte (2; 15) befinden»
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen sich in am Eintritt sende von Rohren
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(20) eingesetzten StcP'fen(22, 25, 24) befinden.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (4, 5, 6; 12, 13» 14) von der bzw. jeder Stelle des relativ höchsten Vordruckes zu den anderen Stellen hin eintrittsseitig entsprechend dem Druckgefälle im Sinne eines grosser werdenden Strahl-Querschnittes (s,,, Sp5 s.,) zunehmend trichterförmig erweitert sind.
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen zusätzlich auch austrittsseitig verschieden ausgebildet sind.
7. Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Anwendung auf das Verteilen einer Flüssigkeit bei Röhrenwärmetauschern, Kolonnen oder ähnlichen Apparaten.
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Leerseit e
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