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Vorrichtung zur gleichmäßigen Durchströmung eines Rohrbündelapparates
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur glejohmässigen Durchströmung eines Rohrbündelapparates
in Porm einer sich erweiternden Eintritts-Vorkamier und einer sich verengenden Austritts-Vorkammer
vor bzw. hinter einem Rohrbündel.
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Bei derartigen Vorrichtungen ist es erforderlich, in der Eintritts-Vorka:nmer
des Rohrütindelapparates das Strömungemittel von dem verhältnismäßig kleinen Strdmungquerschnitt
der Zuleitung auf den großen Querschnitt des Rohrbtuidels zu verteilen und nach
dem Durchströmen der Rohre die Teilströme in der Austritts-Vorkammer wieder auf
den Strömungsquerschnitt der Ableitung zu vereinigen. PEr die Verwendung von Rohrbilndelapparaten
als Rohrbündel-Wärmeaustauscher und chemische Reaktoren ist es wegen des einheitlichen
Ablaufs des in dem Rohrbündel angestrebten verfahrenstechnischen Prozesses weiterhin
erforderlich, die Strömung möglichst gleichmäßig auf die einzelnen Rohre des Rohrbtindeis
zu verteilen, in der Eintritts-Vorkammer selbst geordnete Strömungsverhältnisse
mit einheitlicher Verweilzeit des Strömungsmittels zu erreichen, d.h. es
sind
die gleichmäßige Durchströmung der Rohre und die geordnete Zuströmung zum Rohrbündel
ohne unkontrollierbare Wirbelströmungen in der Eintritts-Vorkammer sicherzustellen.
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Die Strömung in der Eintritts-Vorkammer stellt eine Diffusorströmung
dar, d.h. eine Strömung in einem sich erweiternden Kanal. Bei idealer Durchströmung
solcher Kanäle nimmt der Druck infolge der Geschwindigkeitsverringerung in Strömungsrichtung
zu. Dadurch entstehen im Fall zu starker Erweiterungen Ungleichförmigkeiten durch
Strömungsablösungen an den Wänden und teilweise Rückströmungen entgegen der Hauptströmung
von den stromabwärts gelegenen Gebieten höheren Drucks zu den Gebieten niedrigen
Drucks am Eintritt.
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Diese Erscheinungen treten bekanntlich nicht bei sehr schlanken Diffusoren
mit nur geringer Erweiterung auf, bei denen die Hauptströmung von der Mitte her
der verlustbehafteten Strömung an der Wand genügend Energie Buftihr-t, wodurch Ablösungen
vermieden werden. Die geringen zulässigen maximalen Erweiterungen bedingen,.3edoch
derart lange Baulängen, die praktisch als Ausführungsformen für Eintritts-Vorkammern
nicht in Betracht kommen.
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Es ist bekannt, zur Erfüllung de4Erfordernisse der Erfindung mehrere
kegelförmige Diffusoren mit unterschiedlichen Öffnungswinkeln so ineinander zu setzen,
daß die zwischen ihren Mantelflächen entstehenden, parallel durchströmten Ringspalte
trotz großer Gesamterweiterung und kurzer Baulänge jeweils hinreichend kleine Erweiterungen
ohne abgelöste Strömung aufweisen.
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(Buch "Angewandte Strömungslehren von W. Albring, 2. Aufl. 1962,
Seite
271, Verlag Theodor Steinkopff, Dresden und Leipzig.).
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Für eine Vergleichgmäßigung der Strömung in den Vorkammern üblicher
Rohrbündel-Wärmeaustauscher durch derartige Multidiffusoren mifssen diese vom Eintrittsstutzen
bis dicht an die Rohrplatte geführt werden und bilden dann relativ enge Kanäle mit
erhöhtem Druckverlust und größerer Verschmutzungsgefahr bei gleichzeitig schlechter
Reinigungsmöglichkeit. Anstelle der sich erweiternden, ringspaltähnlichen Kanäle
der Multidiffusoren hat man auch vorgeschlagen, Jedes einzelne Rohr des Rohrbündels
mit einem besonders geformten rohrförmigen Einsatz fast bis zum Eintrittsstutzen
zu verlängern, wobei alle ZufUhrungsrohre ganz dicht bis zur gegenseitigen Berührung
zusammengeführt werden (deutsche Patentschrift 1 298 108). Neben den bereits genannten
Nachteilen, wie erhöhter Druckverlust und schlechte Reinigungsmöglichkeit, stellt
diese Lösung eine sehr aufwendige Konstruktion dar. Eine weitere bekannte Methode
zur Vergleichmäßigung der Strömung besteht darin, den Strömungswiderstand durch
eingesetzte Siebe, Lochplatten oder ähnlich zu erhöhen und dadurch die Strömung
über den ganzen Querschnitt aufzustauen (Zeitschrift aKältetechnik 15. Jahrgang,
Heft 3/1963, Seit435, Bild 2). Auch diese Lösung bedeutet aber einen merklich erhöhten
Druckverlust der Strömung und eine besondere Verschmutzungsgefahr. In ähnlicher
Weise bewirken auch Prallplatten in der Eintritts-Vorkammer wohl eine gleichmäßige
Durchströmung des Rohrbündels, doch bedingen sie in der Eintritts-Vorkammer selbst
neben einem erhöhten Druckverlust unerwunschte unkontrollierbare irbelströmungen,
die leicht zu Gutansätzen führen. Eine andere I¢iöglichkeit, die Strömung durch
zusätzliche
Strömungswiderstände zu vergleichmäßigen, besteht in
der Anordnung besonderer Irosseleinsätze in den Rohreinläufen (deutsche Offenlegungsschriften
1 501 491 und 1 811 596). Auch diese Lösung bedeutet eine Erhöhung des Druckverlustes,
ohne daß gleichzeitig in der Eintritts-Vorkainmer eine geordnete, anliegende Strömung
erzeugt wird. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten hat man besondere, trompetenartige
Formen der Eintritt-Vorkammer untersucht, mit denen in gewissen Geschwindigkeitsbereichen
eine gleichmäßigere Durchströmung der Rohre zu erzielen ist (Dissertation I.H.
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Aachen 1958 von T. Dia "Experimentelle Untersuchungen zur Dimentionierung
der Zu- und ibflußhauben von Wärmeaustauachernt, Seite 14 Nr. 2 Abs. 1 und Seite
43 und 44). Eine ablösungsfreie Strömung mit einheitlicher Verweilzeit des Strönungsmittels
in der Eintritts-Vorkammer selbst ist jedoch nicht su erreichen. Um diese Strömung
in der Eintritts-Vorkwer besser zu beherrschen, hat jan Eintritts-Vorkammern mit
möglichst kleinem Volumen entwickelt. Solch kleine Volumen erzielt man beispielsweise
durch eine pyramidenförmig abgestufte iusfilhrung eines aus mehreren ringförmigen
Sammlern aufgebauten Rohrbodens (deutsche AuslegeschriSt 1 217 944) oder durch eine
weitgehende ausfüllung des Eintritts-Vorkammervolumens mit Isolierstampfmasse (deutsche
Offenlegungsschrift 1 551 479). Bei diesen Lösungen werden Jedoch durch den Stau
der Strömung in der Mitte die zentralen Rohre des Rohrbündels stärker beaufschlagt
als die übrigen Rohre.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gleichmäßige I>urchströmung
der Rohre und der Eintritts-Vorkammer eines Rohrbündels ohne große zusätzliche Druckverluste
und ohne Strömungsablösungen unter Vermeidung unkontrollierbarer Rückströmungen
innerhalb des Hauptströmraums der Eintritts-Vorkammer zu erzielen. Die Eintritts-Vorkammer
soll wegen der Verschmutzungsgefahr keine Einbauten, wie Siebe oder Platten, in
der Hauptströmung enthalten und soll eine möglichst kleine Baulänge aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß entweder in
der Eintritta-Vorkammer allein eine Einsatzhaube oder in der Eintritts-Vorkammer
und in der Austritts-Vorkammer je eine Einsatzhaube vorhanden ist, wobei die Einsatzhaube
der Eintritts-Vorkammer Öffnungen zeigt und mit der Wand der Eintritts-Vorkammer
einen Zwischenraum und die Einsatzhaube der Austritts-Vorkammer mit der Wand der
Austritts-Torksmmer einen Zwischenraum bildet.
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Zur Erreichung einer gleichmäßigen Zu strömung innerhalb der Eintritts-Vorkwnmer
auf das Rohrbündel, also zur Vermeidung eines besonders ausgebildeten, örtlich begrenzten
Staupunktes in der Mitte der Strömung beim Auftreffen auf die Rohrplatte ist nach
einer weiteren Ausbildung der Erfindung im Austritt des Stutzens am Eintritt der
Eintritts-Vorkammer eine bekannte diffusorartige Umlenkvorrichtung angeordnet.
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Um bei der an der Wand abgebremsten Grenzschicht, die bei starker
Erweiterung der Eintritts-Vorkammer und damit verbundenen
relativ
starken Druckzunahme in Strömungarichtung leicht Ablösungen zeigen kann, Ablösungserscheinungen
durch Energie zufuhr mittels Einblasens eines Qeilstroppa des Strömungelittels in
die Grenzschicht an der Innenseite der Sinsatshaube verhindern zu können, ist nach
der Erfindung die Einsatzhaube der Eintritts-Vorkammer innerhalb des Stutzens ei
zutritt der Eintritts-Vorkammer mit einem Stutzen verbunden, der mit dem erstgenannten
Stutzen einen Ringspalt bildet.
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Um durch Erzeugung eines Unterdrucks mit Hilfe der kine-Hauptströmung
tischen Energie und des geringen statischen Drucks der/im Zwischenraum zwischen
der Eintritts-Vorkammer und ihrer Einsatzhaube die Strömungsgrenzschicht durch Absaugen
beeinflussen zu können, ist nach der Erfindung diese Einsatzhaube mit dem Stutzen
der Efntritts-Vorkammer verbunden, und es ihren Öffnungen in diesem Stutzen zu dem
besagten Zwischenraum.
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Soll das aus dem Zwischenraum zwischen der Eintritts-Vorkammer und
ihrer Einsatzhaube durch die Öffnungen im Stutzen der Eintritts-Vorkammer absusaugende
Strömungsmittel dem Zentrum der llauptströmung zur besseren Vermischung zugeführt
werden, so sind nach einer ferneren Ausgestaltung der Erfindung an die Öffnungen
im obengenannten Stutzen gebogene Rohre angebracht, deren freie Enden im Mittelbereich
der Hauptströmung in Strömungsrichtung blinden.
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Ist beabsichtigt, im Austrittsstutzen der Austritts-Vorkammer den
Unterdruck fUr das Absaugen der Strömungsgrenzschicht in der Eintritts-Vorkammer
zu erzeugen, so liegt nach der Erfindung das eintrittsseitige Ende der Einsatzhaube
der BintrittX3-
Vorkammer an der Wand seiner Eintritts-Vorkammer
oder an deren Stutzen, und der größte Außendurcbmesser beider Einsatzhauben ist
etwas kleiner als der Innendurchmesser des Kreiaringea der äußeren Rohre den Rphrbitndeln,
wobei der Austrittsstutzen der Austritts-Vorkumer als Strahlpumpe ausgestaltet ist
und der austrittsseitige Stutzen der Einsatzhaube der austritts-Torkammer mit der
kegelig verjüngt außgebildeten Wand der Saugseite der Strahlpumpe im Austrittsstutzen
einen Ringspalt bildet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden ii folgenden näher beschrieben. Ea zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt durch
eine schematisch dargestellte Eintritts-Vorkammer, das Rohrbündel abgebrochen gezeichnet,
Fig. 2 eine Abwandlung der Fig. 1, Fig. 3 eine weitere Abwandlung der Fig. 1 und
Fig. 4 einen Längsschnitt durch einen Rohrbündelapparat mit Eintritts-und Austritts-Vorkammer
in schematischer Darstellung.
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In Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem ein Teil
des mit hoher Geschwindigkeit in den Rohrbündelapparat eintretenden Strömungsmittels
der Grenzschichtströmung in der Eintritts-Vorkammer zugeführt wird.
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Das Strömungsmittel tritt durch den Stutzen 1 der Eintritts-Vorkammer
2 in den Rohrbündelapparat ein. In der Eintritte-Vorkammer 2, die aus dem Stutzen
1 mit dem Innendurchmesser d und der Wand 3 besteht, ist die Einsatzhaube 4 angeordnet,
die an
ihrer Xantelfläche die Öffnungen 5 aufweist und mit dem Stutzen
6 mit dem Innendurchmesser D1 verbunden ist. Der Innendurchmesser D1 ist etwas kleiner
als der Innendurchmesser d des Stutzens 1, so daß ein eil des Strömungsmittels direkt
in den Swischenraum 7 zwischen der Einsatzhaube 4 und der Wand 3 der Eintritts-Vorkammer
2 geleitet wird. Der von den Stutzen 1 und 6 gebildete Ringspalt ist mit 8 bezeichnet.
Die Wand 3 braucht nicht unbedingt die Außenwand der Eiütritts-Vorkammer 2 zu sein.
Sie kann vielmehr auch durch die Verkleidung einer inneren Wärmeisolierung der Eintritts-Vorkammer
2 gebildet sein. Durch die Öffnungen 5 in der Einsatzhaube 4 wird das Strömungsmittel
aus dem Zwischenraum 7 in die Grenzschicht an der Innenseite der Einsatzhaube 4
eingeblasen.
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Zur besseren Verteilung des direkt durch den Stutzen 6 mit dem Innendurchmesser
D1 in die Einsatzhaube 4 eintretenden Strömungsmittels ist in bekannter Weise die
kurze, diffusorartige Umlenkvorrichtung 9 vorgesehen. Mit 1o ist das Rohrbündel
bezeichnet und mit 11 die auf einer kreisringförmigen Grundfläche angeordneten äußeren
Rohre des Rohrbündels 10.
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Die Pig. 2 und 3 zeigen Lösungen mit Grenzrchichtabsaugung unter
Ausnutzung der kinetischen Energie des eintretenden Strömungsmittels. Die Sinsatshaube
4 ist in diesem Fall mit ihrer Eintrittsseite fest oder durch Anliegen mit dem in
die Eintritts-Vorkammer 2 hineinragenden Stutzen 1 verbunden. Der Zwischenraum 7
ist direkt mit dem als Strahlpumpe wirkenden Stutzen 1 verbunden. Im einfachsten
Fall erfolgt diese Verbindung durch die Öffnungen 12 in der Wand des Stutzens 1
(Fig. 2). Durch diese Öffnungen 12 erzeugt der geringe statische Druck des schnell
fließenden Strömungsmittels
im Stutzen 1 dem Innenraum 13 der Einsatzbaube
4 gegenüber einen Unterdruck in dem Zwischenraum 7, æ daß durch die Öffnungen 5
in der Einsatzhaube 4 die Grenzschicht von deren Innenseite abgesaugt wird. Zur
besseren Vermischung des rückgesaugten Strömungsmittels mit dem eintretenden Strömungsmittelstrom
können entsprechend Fig. 3 die gebogenen Rohre 14 im Stutzen 1 eingesetzt sein,
wo sie anstelle der Öffnungen 12 der Fig. 2 die Strahlpumpenwirkung des eintretenden
Strömungsmittelstroms ausnutzen und das abgesaugte Strömungsmittel der Mitte des
Eintrittsstrahla zuführen.
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Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Ausführungen sind lediglich
Beispiele für die Ausnutzung des Eintrittsstutzens als Strahlpumpe, die in bekannter
Weise auch aus besonderen Ereib-und Mischdüsen mit anschließendem Diffusor bestehen
kann und mit dem Zwischenraum 7 in Verbindung steht.
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Fig. 4 veranschaulicht eine andere Möglichkeit der Grenzschichtabsaugung,
bei der die kinetische Energie des aus dem Rohrbündelapparat austretenden Strömungsmittelstroms
ausgenutzt wird.
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Die Einsatzhaube 4 der Eintritts-Vorkammer 2 liegt mit ihrem eintrittaseitigen
Ende dicht an der Wand 3 der Eintritts-Vorkammer 2 oder an dem Stutzen 1 an. An
ihrem anderen Ende zeigt die Einsatzhaube 4 ihren größten Durchmesser, und zwar
den Außendurchmesser D2, der etwas kleiner als der Innendurchmesser D des Ereisringes
der äußeren Rohre 11 ist, so daß diese äußeren Rohre 11 in dem Zwischenraum 7 zwischen
der Einsatzhaube + und der Wand 3 der Eintritts-Vorkammer 2 itnden. ähnlich wie
in der Eintritts-Vorkammer 2 ist auch in der Austritts-Vorkammer 15 die Einsatzhaube
16
angeordnet. Sie bildet mit der Wand 17 der Austritts-Vorkammer 15 den Zwischenraum
18, der durch die äußeren Rohre 11 des Rohrbündeis 10 mit dem Zwischenraum 7 der
Eintritts-Vorkammer 2 in Verbindung steht. Der Austrittsstutzen 19 des Rohrbündelapparates
ist als Strahlpumpe ausgeführt und mit dem Zwischenraum 18 über den Stutzen 20 der
Einsatzhaube 16 verbunden, wobei die Wand 21 der Saugseite der Strahlpumpe im Austrittsstutzen
19 mit dem Stutzen 20 der Einsatzhaube 16 den Ringspalt 22 bildet. Auf diese Weise
wird die Grenzschicht an der Innenseite der Einsatzhaube 4 der Eintritts-Vorkammer
2 durch die Öffnungen 5, den Zwischenraum 7, die äußeren Rohre 11 und den Zwischenraum
18 der Austritts-Vorkammer 15 von dem durch den Austrittaatutsen 19 fließenden Strömungsmittelstrom
abgesaugt.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile besteheninsbesondere darin,
daß eine geordnete Zuströmung des Strömungsmittels zum Rohrbündel ohne unkontrollierbare
Wirbel strömungen in der Eintritt-Torkarmer und somit eine gleichmäßige Durchströmung
des Rohrbündeln erreicht wird. Ganz besondere Vorteile zeigt die Lösung nach Fig.
4. Diese Lösung vermeidet jede Rückvermischung des abgesaugten Strömungsmittels
mit dem in den Rohrbündelapparat eintretenden Strömungsmittelstrom und unterwirft
den abgesaugten Strömungsmittelstrom in den äußeren Rohren 11 der gleichen Zustandsänderung
wie sie die Hauptströmung in dem Rohrbündel 10 erfährt. Diese Ausführung ist daher
besonders Ftir Anwendungsfälle geeignet, bei denen es auf eine möglichst einheitliche
Verweilzeit des Strömungsmittels in dem gesaten Rohrbündelapparat ankommt.