DE1675501A1 - Einrichtung zum Verteilen von Stroemungsmedien auf mehrere Durchtrittsoeffnungen - Google Patents
Einrichtung zum Verteilen von Stroemungsmedien auf mehrere DurchtrittsoeffnungenInfo
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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
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
2 0 9 8 2 A /07 7 U ' §Äß ORIGINAL - 8 -
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
1 209824/0774 "9J
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.
2 0 9 8 2 4/077 4
Claims (7)
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
. 209824/0774 - 11 -
(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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