DE19732540B4 - Abscheideeinrichtung zur mechanischen Trennung von Flüssigkeit und gasförmigen Medien - Google Patents

Abstract

Abscheideeinrichtung zur mechanischen Trennung von Flüssigkeit und gasförmigen Medien, bestehend aus einem in einem Gehäuse angeordneten Tropfenfangsystem und einem davorgeschalteten Agglomerator und einer dazugehörigen Kondensatableitung, wobei das Tropfenfangsystem im Abstand voneinander angeordnete abgewinkelte Fangbleche mit zwei Fangtaschen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Agglomerator (4) und das Tropfenfangsystem (5) ein Modul bilden und in Strömungsrichtung gesehen dem Modul ein Kühler in Form von flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscherbündeln (3) vorgeschaltet ist und das Modul mit dem Kühler eine Einbaueinheit (2) bildet und die Kondensatableitung (6) in einem Strömungstotraum des Gehäuses (1) liegt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Abscheideeinrichtung zur mechanischen Trennung von Flüssigkeit und gasförmigen Medial gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Das beispielsweise in der Kühleinrichtung eines Verdichters angewandte Abscheideverfahren wird auch als Separation bezeichnet. Es handelt sich um ein mechanisches Trennverfahren zur Trennung von Flüssigkeit und gasförmigen Medien. Bei diesem Trennverfahren wird das mit Flüssigkeitströpfchen beladene Gas so geführt, dass Fliehkräfte wirksam werden können. Die größere Trägheit des Tröpfchens läßt dieses seine Strömungsrichtung beibehalten, wogegen die leichteren und auch sehr viel kleineren Gasmoleküle von dem Hindernis abgelenkt und in eine neue Bahn gelenkt werden. Je größer die Tröpfchen sind, je kleiner wird die auf die projezierte Fläche des Einzeltropfens wirkende Mitführungskraft durch die Gasströmung. Treffen nun die dem Hindernis zustrebenden Tropfen auf eine Prallfläche, so wird die kohäsionskraftbedingte Tröpfchenform durch die zwischen Tropfenmolekülen und den Prallflächenmolekülen wirksame Adhäsionskraft aufgebrochen und das deformierte Tröpfchen haftet fest an der Prallfläche. Geraten viele benachbarte Tröpfchen auf der Fläche in Kontakt, so bewirken Kohäsionskräfte die Ausbildung eines Flüssigkeitsfilms, der sich nur auf der Fläche verschieben läßt. Als Verschiebekraft wird in der Regel die Gravitationskraft genutzt. Sie transportiert die so separierte Flüssigkeit in entsprechend dimensionierte Ablaufkanäle. Selbst größere Strömungen – abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit – sind nicht mehr in der Lage, die Flüssigkeit von der Fläche zu lösen.
• Aus der DE 44 30 939 C2 ist ein Kühler einer Verdichtungsanlage mit integrierter Abscheideeinrichtung bekannt, die dazu dient, mit einer Emulsion und/oder Öl verunreinigte Abluft einschl. mitgerissener fester Partikel zu reinigen. Diese Abluft entsteht beispielsweise beim Absaugen der in eingehausten Werkzeugmaschinen zugeführten Luft. Mittels einer im Luftstrom vorgesehenen Pralldüse, wird dieser intensiv mit einer Flüssigkeit in Berührung gebracht, um Festteilchen auszuwaschen. Gleichzeitig sollen hierdurch auch die Aerosole gebunden und die Flüssigkeitströpfchen vergrößert werden, um sie wirkungsvoller abscheiden zu können.
• Eine gattungsmäßige Abscheideeinrichtung ist aus der DE-OS 33 33 172 bekannt. Diese Abscheideeinrichtung weist ein Tropfenfangsystem mit mehreren parallel zueinander angeordneten Abscheideplatten auf. In der Mitte der Erstreckung und am Ende sind die Abscheideplatten mit je einer Fangtasche versehen. Am Anfang der Abscheideplatten ist eine Einströmphasentrennkammer angeordnet. Zur Erhöhung des Abscheidegrades wird darüber hinaus vorgeschlagen, dem Tropfenfangsystem einen Agglomerator vorzuschalten. Die bekannte Abscheideeinrichtung ist nicht optimal ausgelegt und für einen Kühler einer ein- und mehrstufigen Verdichteranlage nicht geeignet.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abscheideeinrichtung zur mechanischen Trennung von Flüssigkeit und gasförmigen Medien anzugeben, die bei platzsparender Bauweise unabhängig von der Geschwindigkeit der Gasströmung einen hohen Abscheidegrad aufweist und insbesondere als Kühleinrichtung für eine ein- oder mehrstufige Verdichteranlage geeignet ist.
• Diese Aufgabe wird ausgehend vom Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Bestandteil von Unteransprüchen.
• Erfindungsgemäß bildet der an sich bekannte Agglomerator und das Tropfenfangsystem ein Modul und in Strömungsrichtung gesehen ist dem Modul ein Kühler in Form von flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscherbündeln vorgeschaltet und das Modul bildet mit dem Kühler eine Einbaueinheit und die Kondensatableitung liegt in einem Strömungstotraum des Gehäuses.
• Die Anordnung des Moduls erfolgt im Bereich der Austrittsseite des gasförmigen Mediums des Wärmetauscherbündels. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Distributionswirkung des Wärmetauscherbündels voll ausgenutzt wird, weil an dieser Stelle die bestmögliche Strömungsverteilung für das Gemisch Gas-Flüssigkeitstropfen vorliegt. Außerdem wirkt das Wärmetauscherbündel im Sinne einer Voragglomeration, während die Nachagglomeration durch den dichtgepackten Agglomerator erfolgt. Dabei wird unter dichtgepackt eine Packungsdichte von mindestens 300 kg/m³ Bauvolumen verstanden. Vorzugsweise ist bei sehr großen Kühlem mit breiten Wärmetauscherbündeln die Einbaueinheit horizontal angeordnet. Dabei soll unter breit ein stark rechteckiger Querschnitt verstanden werden. Anders ausgedrückt ist bei Anströmung des Wärmetauscherbündels in Fallrichtung das Modul unterhalb des Wärmetauscherbündels angeordnet. Der Abscheidegrad kann noch gesteigert werden, wenn die Einbaueinheit insgesamt geneigt ist oder wenn das Modul eine Neigung zum Wärmetauscherbündel aufweist, wobei durch die Neigung die Gravitationswirkung auf den Tröpfchenabfluß ausgenutzt wird. Die Neigung kann sich über die gesamte Breite des Moduls erstrecken oder auf zwei gleichartige Elemente aufgeteilt werden. Die beiden Elemente des Moduls können dach- oder trogartig in Bezug auf das horizontal liegende Wärmetauscherbündel angeordnet werden. Vorteilhaft ist im tiefsten Punkt des Moduls die in Richtung des Kondensatablasses geneigte Kondensatableitung angeordnet. Von Vorteil ist außerdem, wenn der Endbereich der Kondensatableitung sich durch ein Totraumblech erstreckt. Auf diese Weise wird ein Mitreißen der abfließenden Tropfen durch den Gasstrom verhindert.
• Die vorgeschlagene Abscheideeinrichtung weist einen weiteren Vorteil hinsichtlich der Unempfindlichkeit seines Strömungsspektrums auf. Das wirkt sich positiv aus, beispielsweise bei modernen Turboverdichtern, die einen großen Regelbereich haben. Dabei bedeutet großer Regelbereich eine Leistung weit unterhalb von 50% bis herauf zur Nennleistung. Der bisher übliche Kondensatabscheider funktioniert nur unterhalb der Flutgrenzströmung, während der klassische Lamellenabscheider eine Mindestströmung benötigt, damit Fliehkräfte wirksam werden.
• Das vorgeschlagene Gesamtsystem einer kompakten Einbaueinheit ist auf die Anforderungen in Strömungsräumen höheren Druckes, mit z. T. verdichterspezifischer Schwingungsanregung zugeschnitten. Der Dämpfungscharakter wird durch die Reibung zwischen den über Distanzhülsen verspannten Fangblechen erzeugt. Über die Veränderung der freien Schwingungslänge der Fangbleche kann eine Eigenfrequenz außerhalb der Resonanzzone eingestellt werden. Dazu wird der parallele Abstand der die Fangbleche fixierenden Verschraubungen entsprechend gewählt. Auf die durch den steigenden Stufendruck sich einstellenden Strömungsgeschwindigkeiten kann mit einer veränderten Distanzhülsenlänge ein Optimum eingestellt werden. Versuche haben ergeben, dass eine Distanzhülsenlänge im Bereich von 20 bis 35 mm vorzugsweise von 25–30 mm günstige Werte im Hinblick auf den Abscheidegrad ergibt.
• Als Gesamtvorteil der vorgeschlagenen Anordnung ist die geringe Kühlergesamtlänge sowie große Freiheitsgrade für die Gasstutzen zu nennen. Insgesamt ergibt sich daraus eine kostengünstige Kühlergröße, bei optimaler Anpassung an die verdichterspezifischen Geometrieanforderungen.
• In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispieles die erfindungsgemäße Abscheideeinrichtung näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 eine Prinzipskizze der Einbaueinheit mit der erfindungsgemäßen Abscheideeinrchtung
• 2 einen unterbrochenen Längsschnitt durch eine Kühlanlage
• 3 einen Schnitt in Richtung A-A in 2
• 4 im vergrößerten Maßstab das Detail B in 3
• 1 zeigt schematisch die grundsätzliche Anordnung der Einbaueinheit 2 mit der erfindungsgemäßen Abscheideeinrichtung. Die Einbaueinheit 2 ist in einem Gehäuse 1, angeordnet mit einem in Strömungsrichtung gesehen vorgeschalteten Kühler in Form eines Wärmetauscherbündels 3 und dem erfindungsgemäßen Modul. Das Modul besteht aus einem dichtgepackten Agglomerator 4 und einem Tropfenfangsystem 5. Den Abschluß bildet die Kondensatableitung 6, die erfindungsgemäß in einem Strömungstotraum des Gehäuses 1 angeordnet ist.
• Die Einbaueinheit 2 ist quer zur Hauptachse 7 des Gehäuses 1 angeordnet, wobei der durchgezogene Pfeil 8 die Richtung des zu kühlenden Gasstromes angibt, wohingegen der gestrichelt gekennzeichnete Pfeil 9 die Richtung des Kondensatablasses kennzeichnet. Diese Anordnung des horizontalen Einbaus wird vorzugsweise immer dann gewählt, wenn es sich um Kühler mit sehr breiten Wärmetauscherbündeln 3 handelt oder anders ausgedrückt wenn die Anströmung in Fallrichtung erfolgt.
• 2 zeigt in einem unterbrochenen Längsschnitt eine Kühlanlage mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Abscheideeinrichtung entsprechend der Anordnung, wie in 1 dargestellt. Nach Durchtritt des Gasstromes durch die Einbaueinheit 2 verläßt der heruntergekühlte Gasstrom, wie die Pfeile 10, 10', 10'' verdeutlichen über den Austrittstutzen 11 die Kühlanlage. Die Kondensatableitung 6 ist leicht geneigt, so dass das Kondensat ungehindert abfließen kann. An der rechten Gehäusedeckelwand 12 ist ein Totraumblech 13 angeordnet, durch das sich die Kondensatableitung 6 erstreckt. Durch diese Anordnung des Totraumbleches 13 soll verhindert werden, dass der zum Austrittstutzen 11 fließende Gasstrom die abtropfenden Flüssigkeitsteilchen mitreißen kann. An der tiefsten Stelle des Gehäuses 1 ist der Kondensatablaß 14 vorgesehen.
• 3 zeigt einen Schnitt in Richtung A-A in 2. Leicht geneigt unter dem Wärmetauscherbündel 3 ist das Modul angeordnet. Um einen guten Abfluß der Tropfen bzw. des Flüssigkeitsfilmes zu erreichen, besteht das Modul aus zwei gleichartigen Elementen 22.1, 22.2, die geneigt zueinander stehen, wobei die Neigung vom Gehäuserand zur Mittelachse hin gerichtet ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide Elemente 22.1, 22.2 gleich groß und die Nahtstelle der beiden aneinanderstoßenden Modulelemente fällt mit der Gehäusemittelachse zusammen. Durch die Neigung des Moduls in Bezug auf das horizontal liegende Wärmetauscherbündel 3 ergibt sich dazwischen ein Spaltraum 23.
• In 4 ist im vergrößerten Maßstab das Detail 8 in 3 dargestellt. Das Modul besteht, wie zuvor schon erwähnt, aus dem dichtgepackten Agglomerator 4 und dem Tropfenfangsystem 5. Das hier dargestellte Tropfenfangsystem 5 ist dadurch gekennzeichnet, dass es aus im Abstand voneinander angeordneten abgewinkelten Fangblechen besteht. In diesem Ausführungsbeispiel weist das abgewinkelte Fangblech insgesamt drei Abschnitte auf. Einen ersten im Gasstrom schrägstehenden Abschnitt 15, an dem sich ein parallel zum Gasstrom liegender Abschnitt 16 anschließt, der dann übergeht in eine erste Fangtasche 17. An diese erste Fangtasche 17 schließt sich ein dritter wiederum im Gasstrom schrägstehender Abschnitt 18 an, der dann übergeht in eine zweite Fangtasche 19. Bei dieser Anordnung verläuft die Schräge der beiden schrägstehenden Abschnitte 15, 18 des abgewinkelten Fangbleches in entgegengesetzter Richtung und die erstgenannte Fangtasche 17 ist auf der einen Seite und die zweitgenannte Fangtasche 19 auf der anderen Seite des abgewinkelten Fangbleches angeordnet. Im Längsschnitt gesehen haben die abgewinkelten Fangbleche die Gestalt eines hochkantstehenden Trapezes, wobei der Abstand 20 der Fangbleche zueinander so gewählt ist, dass das Lot des Anfangsbereiches des einen Fangbleches zumindest mit der äußersten Kante der erstgenannten Fangtasche 17 des davor angeordneten Fangbleches zusammenfällt. Um das Fangsystem noch zu verbessern, weist der Anfangsbereich der Fangbleche noch einen nach der anderen Seite hin schräggeneigten Abschnitt 21 auf. Dessen Erstreckung ist so gewählt, dass das Lot des Endes dieses Abschnittes 21 in den mittleren Bereich der Fangtasche 17 des davor angeordneten Fangbleches fällt.
• Fixiert werden die parallel im Abstand zueinander angeordneten Fangbleche durch Verschraubungen 24 und darauf angeordnete Distanzhülsen 25. Durch die Länge der Distanzhülsen 25 kann der Abstand 20 zwischen den Fangblechen variiert und den sich ergebenden Gasgeschwindigkeiten angepaßt werden. Durch den hier nicht dargestellten Abstand zwischen den parallel angeordneten Verschraubungen 24 ist die freie Schwingungslänge der Fangbleche veränderbar, wobei angestrebt wird, dass die sich ergebende Eigenfrequenz unterschiedlich ist von der Resonanzfrequenz des Gesamtsystems.

Claims (9)

1. Abscheideeinrichtung zur mechanischen Trennung von Flüssigkeit und gasförmigen Medien, bestehend aus einem in einem Gehäuse angeordneten Tropfenfangsystem und einem davorgeschalteten Agglomerator und einer dazugehörigen Kondensatableitung, wobei das Tropfenfangsystem im Abstand voneinander angeordnete abgewinkelte Fangbleche mit zwei Fangtaschen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Agglomerator (4) und das Tropfenfangsystem (5) ein Modul bilden und in Strömungsrichtung gesehen dem Modul ein Kühler in Form von flüssigkeitsgekühlten Wärmetauscherbündeln (3) vorgeschaltet ist und das Modul mit dem Kühler eine Einbaueinheit (2) bildet und die Kondensatableitung (6) in einem Strömungstotraum des Gehäuses (1) liegt.
2. Abscheideeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Anströmung in Fallrichtung die Einbaueinheit (2) horizontal und somit das Modul unterhalb des Wärmetauscherbündels (3) angeordnet ist.
3. Abscheideeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul eine Neigung zum Kühler aufweist.
4. Abscheideeinrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Modul aus zwei gleichartigen Elementen (22.1, 22.2) besteht, die geneigt zueinander stehen, wobei die Neigung entweder vom Gehäuserand zur Mitte hin oder umgekehrt gerichtet ist.
5. Abscheideeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass am tiefsten Punkt des Moduls die in Richtung Kondensatablaß (14) geneigte Kondensatableitung (6) angeordnet ist.
6. Abscheideeinrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsbereich des Fangbleches des Tropfenfangsystems (5) einen nach der anderen Seite hin schrägverlaufenden Abschnitt (21) aufweist, dessen Erstreckung so gewählt ist, dass das Lot des Endes dieses Abschnittes (21) in den mittleren Bereich der erstgenannten Fangtasche (17) des davor angeordneten Fangbleches fällt.
7. Abscheideeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Endbereich der Kondensatableitung (6) sich durch ein Totraumblech (13) erstreckt.
8. Abscheideeinrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (20) der Fangbleche des Tropfenfangsystems (5) mittels mehrerer parallel liegender Verschraubungen (24) und darauf angeordneter Distanzhülsen (25) einstellbar ist.
9. Abscheideeinrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Agglomerator (4) dichtgepackt ist mit einer Packungsdichte von mindestens 300 kg pro m³ Bauvolumen.