DE2439144A1 - Vorrichtung zum verteilen stroemender medien von einem stroemungsquerschnitt auf einen davon verschiedenen stroemungsquerschnitt - Google Patents
Vorrichtung zum verteilen stroemender medien von einem stroemungsquerschnitt auf einen davon verschiedenen stroemungsquerschnittInfo
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Description
Vorrichtung zum Verteilen strömender Medien von einem Strömungsquerschnitt auf einen davon
verschiedenen Strömungsquerschnitt
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verteilen strömender Medien (Gase oder Flüssigkeiten) von einem
Strömungsquerschnitt auf einen davon verschiedenen Strömungsquerschnitt.
Derartige Vorrichtungen werden z.B. benötigt, wenn in einer Anlage für chemische Prozesse der Querschnitt eines ein
strömendes gasförmiges oder flüssiges Medium führenden Zuleitungsrohres so an den Querschnitt eine3 folgenden Teiles
der Anlage angepaßt werden soll, daß das strömende Medium in einer für die Anwendung günstigen Weise, z.B. gleichmäßig,
über den Querschnitt des folgenden Anlageteiles verteilt wird. Besonderer Bedarf an einer derartigen Vorrichtung
besteht, wenn eine zylindrische, mit einem Katalysator
erfüllte Kammer mit einem aus einem engeren Zuleitungsrohr kommenden Gemisch von gasförmigen Reaktanten so beschickt
werden soll, daß der Katalysator gleichmäßig belastet wird. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise die
gleichmäßige Berieselung von Füllkörpern mit Flüssigkeiten oder die Belüftung von Flüssigkeiten mit Gasen in entsprechenden
Anlagen.
Weist ein sich trichterförmig erweiterndes Rohr einen öffnungswinkel
unter 6 bis 8 auf (gemessen zwischen der Mittelachse des Rohres und einsr in der Mantelfläche des Trichters
gelegenen Geraden), so ist eine laminare Strömung noch in der Lages der Öffnung des Eohres ohne Ausbildung von Tot-
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räumen und Tubulenzen zu folgen. Einen über den ganzen Querschnitt
von Null verschiedenen Medienstrom kann man folglich durch lange, sich langsam erweiternde Übergangsstücke
zwischen den verschiedenen Querschnitten einer Anlage erreichen, deren öffnungswinkel entsprechend klein sind.
Neben der unerwünscht großen Baulänge weisen derartige Leitungen aber ein Strömungsprofil der Medien entsprechend
der von Hagen und PoiseuiLle berechneten Form mit einer zur
Wand hin abfallenden Flußdichte auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aus einer
Zuleitung strömendes Medium möglichst gleichmäßig über einen vom Querschnitt der Zuleitung verschiedenen Querschnitt zu
verteilen.
Dies wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß erreicht durch ein sich trichterförmig
erweiterndes, an beiden Enden offenes Hüllrohr, mindestens eine in dem Hüllrohr senkrecht zur Hüllrohrachse angebrachte,
von einer Vielzahl von parallelen Durchtrittskanälen durchsetzte Platte mit Durchtrittsöffnungen zwischen Plattenrand
und Hüllrohr und eine die erweiterte öffnung des Hüllrohres ausfüllende, von einer Vielzahl paralleler Durchtrittskanälen
durchsetzte Abschlußplatte.
Durch die trichterartige Form des Hüllrohres wird die Ausbildung
von Toträumen vermieden. Die seitlichen Durchtrittsöffnungen stellen für die die Vorrichtung durchsetzenden-Medien
einen geringeren Strömungswiderstand dar als die Durchtrittskanäle und bewirken dadurch auch bei geringen
Durchsätzen eine ausreichende Strömungsgeschwindigkeit in ,Nähe tier Hüllrohrwandung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind zur Verstärkung der Verteile:f.*wirkung in
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Richtung der Hüllrohrachse mehrere Platten mit seitlichen
öffnungen zwischen Plattenrand und Hüllrohr hintereinander mit Abstand voneinander im Hüllrohr angeordnet.
Es ist hierbei vorteilhaft, wenn die Grundflächen von in Richtung der Hüllrohrerweiterung aufeinanderfolgenden
Platten zunehmen, um damit zu sichern, daß der Medienstrom der Änderung des Eüllrohrquerschnittes auch bei kurzen
Hüllrohren bzw. sehr großen Öffnungswinkeln folgt.
Besonders vorteilhaft formt man die Platten so, daß die Dicke mindestens einer Platte zum Plattenrand hin abnimmt.
Ein aus einem Zuleitungsrohr strömendes Medium trifft dadurch im Bereich der aus der Mitte des Zuleitungsrohres
beschleunigt austretenden Kernströmung auf längere Durchtrittskanäle, die einen höheren Strömungswiderstand besitzen
und daher die Kernströmung verlangsamen und teilweise zum Rand hin ableiten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist bei jeder Platte die Pläehensumme der Durchtrittsöffnungen
zwischen Plattenrand und Hüllrohr kleiner als die Querschnittsfläche der engeren Öffnung des Hüllrohres.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist für je
zwei in Richtung der Hüllrohrerweiterung aufeinanderfolgende Platten bei der nachfolgenden Platte die Flächensumme der
Durchtrittsöffnungen zwischen Plattenrand und Hüllrohr
kleiner als bei der vorangehenden Platte. Dadurch kann erreicht werden, daß stets ein ausreichender Teil des Medienstromes
durch die parallelen Durchtrittsöffnungen fließt.
Vorzugsweise können die einzelnen Platten in ins Hüllrohr einsetzbaren Rohrstücken befestigt und die Durchtrittsöffnungen
zwischen Plattenrand und Hüllrohr von Schlitzen in
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den Rohrstückwänden gebildet sein.
Eine derartige Vorrichtung eignet sich besonders zur
Verwendung als Verteiler für ein aus einem engen Zuleitungsrohr strömendes, einer mit Katalysator gefüllten Reaktionskammer größeren Querschnittes zuzuführenden Gemisch miteinander
umzusetzender Gase. Die engere Öffnung des Hüllrohres stellt die Eintrittsöffnung für das Gasgemisch dar, das die
Vorrichtung durch die Abschlußplatte in der weiteren Hüllrohröffnung in gleichmäßiger Verteilung wieder verläßt.
Dadurch wird gewährleistet, daß der in der Reaktionskammer befindliche Katalysator gleichmäßig belastet wird. Die
Abschlußplatte kann dabei gleichzeitig als einlaßseitige Begrenzung der Reaktionskammer und als Rückschlagsicherung
dienen, um ein unkontrolliertes Zünden des in der Vorrichtung befindlichen reaktionsfähigen Gasgemisches durch die
in der Kammer ablaufende Reaktion zu verhindern.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch vorteilhaft als Sammler für ein aus einem Rohr größeren Querschnittes
kommendes, einen Rohr kleineren Querschnittes zuzuführendes Medium verwendet werden. Die von der Abschlußplatte ausgefüllte
erweiterte öffnung des Hüllrohres dient hierbei als Eintrittsöffnung des Medienstromes, die am engeren Ende
befindliche öffnung als Austrittsöffnung. Um beispielsweise eine mit Katalysator gefüllte Reaktionskammer gleichmäßig
mit einem Gemisch reagierender Gase zu durchsetzen und die Reaktionsprodukte in einer engeren Saugleitung abzuführen,
kann man der Reaktionskammer eine erfindungsgemäße Vorrichtung als Sammler strömungsmäßig nachschalten. Durch eine
als Sammler dienende Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Ansaugleistung der engeren Saugleitung
auf den größeren Austrittsquerschnitt der Reaktionskammer gleichmäßig verteilt.
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Anhand einer Figur und eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung noch, näher erläutert werden.
Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine beispielhafte
Ausführungsform der erfindungs-gemäßen Vorrichtung.
Der äußere Mantel der Vorrichtung "besteht aus einem sich
trichterförmig erweiternden, beiderseits offenen Hüllrohr 1,
das an der engeren Öffnung 2 und der weiteren Öffnung 3 je
einen Flansch 4 bzw. 5 besitzt. Die weitere Öffnung 3 ist ausgefüllt von einer als Sinterlochstein mit vielen
parallelen Durchtrittskanälen 6 ausgebildeten Abschlußplatte, Im Hüllrohr sind zwei koaxiale Einsätze· angebracht. Diese
Einsätze bestehen aus je einem Rohrstück 8 bzw. 9, das an dem einen Ende mittels eines Sprengringes 10 bzw. 11 am
Hüllrohr befestigt ist und am anderen Ende einen in das Rohrstück hineinragenden Vorsprung 12 bzw. 13 besitzt. Auf
diesen Vorsprüngen liegen Platten 14 und 15 auf, die von einer Vielzahl paralleler Kanäle 16, 17 durchsetzt sind und
abgeschrägte Seiten aufweisen. Diese Platten sind beispielsweise Sinterlocnsteine aus Aluminiumoxid oder Magnesiumoxid.
In den Rohrstücken sind ferner parallel zu den Plattenrändern verlaufende Schlitze 18 und 19 als seitliche Durchtrittsöffnungen
angebracht.
Die Querschnittsflächen der seitlichen öffnungen jedes
Einsatzes sind dabei so bemessen, daß ihre Flächensummen in Richtung der Hüllrohrerweiterung abnehmen und jeweils
kleiner sind als die Querschnittsfläche der engeren Hüllrohröffnung»
Zur Verdeutlichung der Wirkungsweise sind in der Figur
Strömungslinien 20 für ein in Richtung der Hüllrohrerweiterung
strömendes Medium dargestellt. Der aus einem engeren Zuleitungsrohr mit parabolischem Geschwindigkeitsprofil
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austretende Medienstrom trifft in der Vorrichtung auf örtlich verschiedene Strömungswiderstände. Dabei kommt es
an jedem Einsatz zu einer Stauwirkung, die verbunden ist mit einer Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und hinter
den Einsätzen, insbesondere hinter den seitlichen Durchtrittsöffnungen, zu Turbulenzen führt.
Bei niedrigem Durchfluß ist die Strömung weitgehend laminar. Die aufgrund der abgeschrägten Seiten innerhalb einer
Platte sich zum Rand hin verkürzenden Durchtrittskanäle stellen einen zum Plattenrand hin abnehmenden Strömungswiderstand
dar. Der Strömungswiderstand der seitlichen Durchtrittsöffnungen ist demgegenüber gering und wird weitgehend
von den Turbulenzen bestimmt. Dadurch kommt es zu einem Ausgleich des parabolischen Geschwindigkeitsprofiles.
Bei größerem Durchfluß wächst die Stauwirkung und die Ausbildung von Turbulenzen, gleichzeitig wird der Widerstand
der Durchtrittskanäle weitgehend von Anströmvorgängen bestimmt. Das Zusammenspiel dieser Einflüsse bewirkt auch
bei größeren Durchflüssen eine gute Verteilung. Die Verteilerwirkung ist somit weitgehend unabhängig von der Größe
des Durchflusses.
Bei dem in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel erv/eitert sich der Innendurchmesser des Hüllrohres 1 auf
einer Länge von ca. 70 mm von etwa 32 mm auf etwa 105 mm.
Die als Sinterlochsteinplatten aus Magnesiumoxid gefertigten Platten 14, 15 und 7 besitzen kreisförmige Grundflächen von
etwa 32 mm, 85 mm bzw. 105 mm Durchmesser bei einer Dicke von etwa 10 mm. Die seitlichen Durchtrittsöffnungen in den
lineätzen sind beim Rohratück 8 etwa 6,3 mm und beim
Rohrstück 9 etwa 1 mm breit. Die Durehtrittsksnäle weisen
©inen Durchmesser von 1 mm und eine Pläcbendi^btc von etwa
ρ
4fi Kanälen pro am Plattenoberfläche auf. Die Abstände
4fi Kanälen pro am Plattenoberfläche auf. Die Abstände
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zwischen den Platten 14 und 15 bzw. 15 und 7 "betragen etwa
12 mm.
Zur Erläuterung der Vorteile einer Vorrichtung gemäß der
Erfindung sei angenommen, man würde ein aus einem engeren Zuleitungsrohr austretendes Gemisch von kälteren reaktionsfähigen
Gasen durch ein einfaches, trichterförmiges Übergangsrohr einer Kammer größeren Eingangsquerschnittes
zuführen, um dort an einem Katalysator eine Reaktion durchzuführen, wobei die Reaktionswärme eine erhöhte Reaktionstemperatur aufrechterhalten soll. Es bestünde hierbei die
Gefahr, daß der Hauptteil des aus dem Zuleitungsrohr austretenden Gases in Form einer Kernströmung nur einen kleinen
Bereich des Katalysatorvolumens in Nähe der Mittelachse der Katalysatorkammer durchsetzen würde. Während der Katalysator
in anderen Bereichen mangels ausreichenden Gasdurchsatzes kalt bliebe, könnten die kälteren Gase im Bereich der Kernströmung
den Katalysator abkühlen ("Kaltblasen11) und dadurch könnte die Umsetzungsfähigkeit des Katalysators überschritten
werden. Eine unvollständige Umsetzung, womöglich verbunden mit dem Auftreten störender fester Rückstände, wären die
Folge.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung verteilt demgegenüber dem Gasstrom gleichmäßig über den ganzen Kammerquerschnitt.
Darüber hinaus entstehen in der Vorrichtung keine Toträume, die das Abscheiden von Verunreinigungen und als stationäre
Reaktionsräume ein Rückschlagen der Reaktion begünstigen würden. Zudem schützen die Platten als Wärmeschilder davor,
daß sich die Gase bereits innerhalb der Vorrichtung durch die Wärmestrahlung des heißen Katalysators unzulässig
erhitzen.
Als bevorzugtes Anwendungsgebiet seien Anlagen zur katalytischem
Spaltgaserzeugung genannt. Hierbei handelt es sich um
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die Umsetzung verdampfter, schadstofffreier Brennstoffe, wie
bleifreies Benzin niedriger Octanzahl, mit sauerstoffhaltigen Gasen, wie luft oder Abgas, zu Brenngas (Spaltgas)
hervorragender Brenneigenschaften, z.B. für die Speisung von Brennkraftmaschinen. Die Umsetzung findet in Reaktionskammern
mit geeigneten Katalysatoren statt, sogenannten Spaltgasgeneratoren, wie sie z.B. in den deutschen Offenlegungsschriften
2 103 008 und 2 135 650 beschrieben sind. Für diese Anwendung sind als Plattenmaterialien Aluminiumoxid
und Magnesiumoxid besonders geeignet, weil an ihnen unerwünsche Nebenreaktionen weitestgehend vermieden werden. Es
können aber auch insbesondere für andere Anwendungszwecke
Platten aus anderen Materialien, z.B. aus Metall, verwendet werden.
Hierbei tritt auch beim Austritt der Reaktionsprodukte aus der Katalysatorkammer ein ähnliches Verteilungsproblem auf.
Wird beispielsweise bei der Verwendung in Kraftfahrzeugen der Gastransport durch die Saugwirkung einer auf den Spaltgasgenerator
folgenden Brennkraftmaschine bewirkt, so muß die Saugleistung der zur Brennkraftmaschine führenden engeren
Ansaugleitung auf den größeren Querschnitt der Reaktionskammer verteilt werden, um in der Kammer eine Einschnürung
des Gasstromes vor dem,Eintritt in die Ansaugleitung zu verhindern. Dies kann vorteilhaft dadurch erreicht werden,
daß man eine als Sammler betriebene Vorrichtung gemäß der Erfindung zwischen der Reaktionskammer und der Ansaugleitung
anbringt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist nicht nur auf kreisförmige Querschnitte beschränkt und durch ihre kompakte und
einfache Bauweise vielseitig verwendbar.
9 Patentansprüche
1 Figur
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Claims (9)
1.yVorrichtung zum Verteilen strömender Medien von einem
.STtrömungsquerschnitt auf einen davon verschiedenen Strömungsquerschnitt, gekennzeichnet durch ein sich trichterförmig
erweiterndes, an "beiden Enden offenes Hüllrohr (1), mindestens eine in dem Hüllrohr (1) senkrecht zur Hüllrohrachse angebrachte,
von einer Vielzahl von parallelen Durchtrittskanälen (16) durchsetzte Platte (14) mit Durchtrittsöffnungen (18)
zwischen Plattenrand und Hüllrohr (1) und eine die erweiterte öffnung (3) des Hüllrohres (1) ausfüllende, von einer Vielzahl
paralleler Durchtrittskanäle (6) durchsetzte Abschlußplatte (7).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere in Richtung der Hüllrohrachse hintereinander mit Abstand
voneinander im Hüllrohr (1) angeordnete Platten (14» 15) mit seitlichen öffnungen (8, 9) zwischen Plattenrand und Hüllrohr.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundflächen von in Richtung der Hüllrohrerweiterung
aufeinanderfolgenden Platten (14, 15) zunehmen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke mindestens einer Platte (14, 15)
zum Plattenrand hin abnimmt.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei jeder Platte (14, 15) die Flächensumme
der Durchtrittsöffnungen (18, 19) zwischen Plattenrand und Hüllrohr kleiner ist als die Querschnittsfläche der
engeren Hüllrohröffnung (2).
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6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
für je zwei in Richtung der Hüllrohrerweiterung aufeinanderfolgende Platten (H, 15) bei der nachfolgenden Platte (15)
die Flächenaumme der Durchtrittsöffnungen zwischen Plattenrand
und Hüllrohr kleiner ist als bei der vorangehenden Platte (H).
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Platten (H, 15) in ins
Hüllrohr einsetzbaren Rohrstücken (8, 9) befestigt sind und die Durchtrittsöffnungen zwischen Plattenrand und Hüllrohr
von Schlitzen (18, 19) in den Rohrstuckwänden (8, 9)
gebildet sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Verteiler für ein aus
einem engen Zuleitungsrohr strömendes, einer mit Katalysator gefüllten Reaktionskammer größeren Querschnittes zuzuführendes
Gemisch miteinander umzusetzender Gase.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Sammler für aus einem
Rohr größeren Querschnitts kommende, einem Rohr kleineren Querschnittes zuzuführende Gase.
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