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Kennwort: Verteilung Zweiphasenströmung Erfinder: Dr. Jeromin, Dr.
Knapp Vorrichtung zum Verteilen einer Zweiphasenströmung auf Plattenwärmeaustauscher
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verteilen einer Zweiphasenströmung auf
Plattenwärmeaustauscher bei großen volumetrischen Flüssigkeits- zu Dampfverhältnissen.
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Im Prinzip besteht ein solcher Wärmeaustauscher aus- einer Vielzahl
aneinandergelagerter Platten (Passagen), die von den wärmeaustauschenden Medien
durchströmt werden. Dabei ist immer eine Passage mit wärmeaufnehmenden Medium benachbart
mit zwei Passagen mit wärmeabgebendem Medium und umgekehrt.
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Jede dieser beiden Gruppen von Passagen besitzt am Einlauf und am
Auslauf ein Verteiler- bzw. Sammelrohr, in dem die wärmeaustauschenden Medien auf
die Pssagen verteilt bzw. nach Durchlaufen der Passagen gesammelt werden.
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Plattenwärmeaustauscher aus Aluminium haben sich besonders in der
Tieftemperaturtechnik gut bewährt, da sich bei ihnen die Forderung, verschiedene
Stoffströms ohne gegenseitige Vermischung gegeneinander Wärme austauschen zu lassen,
bei einem relativ niedrigen Preis optimal verwirklichen läßt.
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Als Alternative zu den Plattenwärmeaustauschern bieten sich aus Rohren
gewickelte Wärmeaustauscher an, die jedoch wesentlich teurer sind, Der Hauptnachteil
der Plattenwärmeaustauscher gegenüber gewickelten öiegt in der Notwendigkeit, daß
alle Passagen möglichst gleichmäßig mit den wärmeaustauschenden Stoffen
beaufsohlagt
werden müssen, da ein Auegleioh der Mengenströme von Passage zu Passage nicht möglich
ist, Wenn s.3, ein Stoff A gleichmäßig auf seine Passagen verteilt ist, so wird
er pro Passage die gleiche wärmemenge zum Austausch anbieten. Strömt nun in den
benachbarten Paseagen der Stoff B ungleichmäßig verteilt auf seine Passagen, so
werden die einzelnen Passagenströme des Stoffes B mit unterschiedlichen Temperaturen
aus ihren Passagen austreten. Bei starker Ungleichverteilung kann das zu einem völlig
unzureichenden Wärmeaustausch führen. Bei gewickelten Wärmeaustauschern macht sich
dagegen die Ungleichverteilung in den einzelnen Rohren nicht so unangenehm bemerkbar,
da im Außenraum ein gewisser Ausgleich stattfindet. Rohre, die mit überdurchschnittlich
großen Mengenströmen belastet sind, weisen nämlich auch größere Wärmeübergangszahlen
und so auch größere Wärmedurchgangszahlen auf. Die entsprechend höhere Wärmemenge
wird im Außenraum in gewissem Umfang auch tatsächlich angeboten.
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Besonders kritisch wird der Einsatz von Plattenwärmeaustauschern,
wenn zumindest einer der wärmeaustauschenden Stoffe zweiphasig ist, d.h. aus einem
Flüssigkeits-Dampf-Gemisch besteht. Die gleichmäßige Verteilung des Gemisches auf
die einzelnen Passagen hat sich als äußerst schwierig erwiesen.
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Soll z.B. ein in den Plattenwärmeaustauscher eingetretendes Flüssigkeits-Dampf-Gemisch
völlig kondensiert werden und es wir konstruktiv nicht gewährleistet, daß das Gemisch
gleichmäßig auf alle Passagen verteilt ist, so kann es leicht passieren, daß aus
einigen Passagen immer noch ein Zweiphasengemisch austritt, während aus anderen
das erwünschte Kondensat herausläuft. In den erstgenannten Passagen war der Dampfanteil
zu hoeh, so daß der durch die benachbarten Passagen angebotene Wärmeentzug nicht
ausreich, das Zweiphasengemisch völlig zu kondensieren.
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Die bekannten Maßnahmen zur gleichmäßigen Vorteilung einer Zweiphasenströmung
auf die einzelnen Passagen eines Plattenwärmeaustauschers beruhen auf dem Prinzip
der Phasentrennung in einem Abschneider und einer anschließenden Neuverteilung
im
Verteilerrohr des Plattenwärmeaustauschers US-Patente 3 212 277, S 282 334). Dabei
tritt z.B. die Dampfphase durch einen Stuten in die Mitte des Verteilerrohres am
Plattenwärmoaustauscher en, während die Flüssigkeitsphase durch kleine Löcher oder
Disen eines in der Längsachse daß Verteilerrohres angebrachten rohres in den Dampfstrom
fein verteilt wird, Aus der Art der Fissigkeitsverteilung ist ersichtlich, daß die
Anordnung nur bei relativ kleinen Verhältnissen von Flüssigkeitsmenge zu Dampfmenge
verwendet werden kann. Außerdem ist die Anordnung durch den zusätzlichen Abschneider
und die anschließende Mischung der abgetrennten Phasen im Verteilerkopf recht aufwendig
und zudem mit einem verhältnismäßig hohen Druckabfall behaftet, Besonders für kleine
volumetrische Flüssigkeits-Dapmf-Verhältnisse hat sich eine Anordnung bewährt, bei
der die Fweiphasenströmung seitlich in das Verteilerrohr zugeführt vtird und das
Verteilerrohr durch ein zur Verteilerrohrachse geneigtes oder gekrümmtes Leitblech
geteilt ist, so daß sich zwischen Wärmeaustauschereintrittsfläche und der Verteilerrohrwand
ein sich in Strömungsrichtung verengender Keilraum bildet (deutsche Offenlegungsschrift
1 901 475). Wenn jedoch die volumetrische Flüssigkeitsmenge relativ zur Dampfmenge
stark ansteigt, staut sich die Flüssigkeit hauptsächlich in dem der Eintrittsöffnung
gegenüberliegenden Teil des Weilraumes, so daß eine Gleichverteilung von Flüssigkeit
und Dampf auf alle Passagen nicht mehr gesichert ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
welche die Gleichverteilung einer Zweiphasenströmung mit hoher volumetrischer Flüssigkeitsmenge
über ein seitlich angeordnetes Verteilerrohr auf die einzelnen Passagen eines Plattenwärmeaustauschers
ohne die Verwendung eines Abschneiders ermöglicht. Nach der Erfindung erhält das
Verteilerrohr einen so größen Querschnitt, daß eine Trennung der Phasen in Flüssigkeit
und Dampf erfolgt, und ferner wird im Verteilerrohr nahe an der Eintrittsöffnung
in das Verteilerstück des
Plattenwärmeaustauschers ein Trennblech
senkrecht angeordnet, welches mit der Wand des Verteilerrohres oben und unten Je
einen Spalt bildet.
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Es läßt sich demnach durch sehr einfache Mittel - größeres Verteilerrohr,
Trennblech - die gewünschte Gleichverteilung erreichen.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert werden.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Aluminium-Plattenwärmeaustauscher mit seitlicher
Zuführung der Zweiphasenströmung, geschnitten entlang der Linie C - D in Fig. 2.
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Fig. 2 Eine Seitenansicht von Fig, 1 entlang der Linie A - B.
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Fig. 3 Einen Aluminium-Plattenwärmeaustauscher mit zentraler Zuführung
der Zweiphasenströmung, geschnitten entlang der Linie C - D in Fig. 4.
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Fig. 4 Eine Seitenansicht von Fig. 3 entlang der Linie A - B, Fig.
5 Einen vergrößerten ausschnitt aus Fig. 1, 'ie die Figuren 1 bis 4 zeigen, wird
der Aluminium-Plattenwärmeaustauscher t von unten nach oben durchströmt. Das Verteilerrohr
2 ist seitlich angeordnet. Dic Zuspeisung der Zweiphasenströmung in das Verteilerrohr
durch das Zuführungsrohr 3 kann entweder wie in iig. 1 und 2 seitlich oder wie in
Fig. 3 und 4 zentral erfolgen. Der Querschnitt den Verteilerrohres 2 ird in Jedem
Fall so groß gewählt, daß eine Trennung der Phasen in Flüssigkeit und Dampf nach
dem Eintritt der Zweiphasenströmung mit Sicherheit stattfindet. Die an der Eintrittsöffnung
des Verteilerstückes 5 der einzelnen Passagen 9 wird ein über die
ganze
Länge des Verteilerrohres reichendes Trcnnblech 4 senkrecht angeordnet, welches-
verhindert, daß die Flüssigkeit und der Dampf unkontrolliert in die einzelnen PasEagen
einströmen.
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Zwischen Trennblech 4 und Verteilerrohr 2 bleiben oben und unten je
ein Spalt frei (Fig. 5), wobei der untere so dimensioniert ist, daß sich im Verteilerrohr
2 ein Flüssigkeits spiegel ii ausbildet und somit am unteren Spalt immer ein Flüssigkeitsschluß
vorliegt. Durch den unteren Spalt wird dann die Flüssigkeit und durch den oberen
der Dampf- zur Eintrittsöffnung des Verteilerstückes 5 strömen. Die Druckabfälle
des Dampfes im oberen Spalt und tier Flüssigkeit im unteren werden durch die Wahl
der Spalthöhe so dimensioniert, daß eine gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeit
und Dampf auf der ganzen Breite des Wärmeaustauschers gewährleistet ist und instationäres
Strömungsverhalten verminden wird. Um den Dampf einen abwärts gerichteten und der
Flüssigkeit einen aufwärts gerichteten Impuls zu verleihen, wird das Trennblech
4 so dicht an der Eintrittsöffnung des Verteilerstückes 5 algeordnet, daß die Geschwindigkeiten
des Dampfes und der Flüssigkeit ausreichen, um eine innige Vermischung beider Phasen
beim Aufeinanderprallen an der Einströmöffnung zu gewährleisten.
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Diese Forderung wird durch unordnung eines Strömungsraumes 6 für den
Dampf zwischen Trennblech und Passage sowie eines Strömungsraumes 7 für die Flüssigkeit
unterstützt. Der letzte Strömungsraum wird dadurch gewonnen, daß man unterhalb des
Verteilerstückes 5 einen TIohlraum 8 anordnet, der z.B. aus einem Kastenprofil bestehen
kann. Eine noch gleichmäßigere Verteilung der Flüssigkeit und des Dampfes auf die
ganze Breite einer Passage 9 kann zusätzlich dadurch erreicht werden, daß eine versetzte
Wellblech-Riffelung 10 (lanced fine) für das Verteilerstück 5 vzie auch für Jede
einzelne Passage 9 gewählt wird.