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Verfahrenstechnische Packung
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Die Erfindung betrifft eine Packung zum Einbau in durchströmte Kolonnen
bzw. Rohre zum Zweck des Stoffaustausches. Technische Anwendungsgebiete sind in
erster Linie die Rektifikation, Absorption, Mischung, Wärmeübertragung bzw. Partikel-
und Tropfenabscheidung. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine Packung, die
aus einer Vielzahl, in einer rotationssymmetrischen Anordnung parallel zueinander
geschichteten verdrillten Streifen besteht. Derartige Apparateeinbauten sind aus
der FR-PS 2 301 281 und EP-OS 0 011 176 bekannt. Sie haben sich zwar in der Praxis
recht gut bewährt, besitzen aber bei Fertigung aus Gewebe den Nachteil einer verhältnismäßig
geringen mechanischen Stabilität. Dies hat zur Folge, daß die Packung beim Ein-
oder Ausbau verhältnismäßig leicht deformiert und damit beschädigt wird.
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Solche Schäden sind aber häufig von außen nicht zu erkennen, so daß
sie sich erst im Betrieb im Sinne eines stark reduzierten Wirkungsgrades bemerkbar
machen. Bei den bekannten Packungen sind die Einzelelemente, d.h.
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die verdrillten Streifen (Wendeln), entweder mit Hilfe
von
Stegen, Bändern oder Drähten mechanisch miteinander verbur pn oder direkt an den
Berührungsstellen der Streife: untereinander verschweißt oder verlötet.
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Solche Verbindungen erfordern eine komplizierte und damit aufwendige
Fertigungstechnik.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Packung zu schaffen,
die eine hohe mechanische Stabilität besitzt, leicht herzustellen ist, und verfahrenstechnisch
einen hohen Wirkungsgrad hat.
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Bei der Lösung dieser Aufgabe wird von einer Packung ausgegangen,
die aus einer Vielzahl in einer rotationssymmetrischen Anordnung parallel zueinander
geschichteten verdrillten Streifen besteht. Erfindungsgemäß sind die Streifen plissiert,
gleichsinnig zu Wendeln verdrillt und die Wendeln derart gegeneinander versetzt
angeordnet, daß in vier achsensymmetrischen Richtungen (Z1 - Z4) deren Projektionen
auf die Horizontalebene untereinander einen Winkel von 900 einschließen und deren
Winkel OL zur Achse M durch tan CC = hb-lr2 definiert ist, h eine Schar von durchgehenden
geradlinigen Kanälen gebildet werden, wobei h die Ganghöhe und b die Breite der
Wendeln bedeuten.
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Vorzugsweise haben die Wendeln alle gleiche Ganghöhe h und gleiche
Breite b. Beim Zusammenlegen der Wendeln begegnen sich dann jeweils innerhalb einer
Ganghöhe vier Punkte S, an denen sich die Kanten von vier benachbarten Wendeln untereinander
in einem Punkt berühren.
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Das Ausgangsmaterial für die Wendeln besteht vorzugsweise aus perforierten
Streifen oder Gewebematerialstreifen.
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Hinsichtlich der Plissierung werden optimale Ergebnisse erzielt, wenn
die Plissierhöhe einem Zahnprofil des Moduls 0,5 bis 2 entspricht.
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Von besonderem Interesse ist die Packungsgeometrie, welche sich durch
die erfindungsgemäße Anordnung von Wendeln ergibt. Dabei entsteht eine Vielzahl
geordneter Kanäle in achsensymmetrischen Richtungen. Derartige Kanäle treten bei
den bisher bekannten Wendelpackungen nicht auf. Diese Kanäle bewirken beim Stoffaustausch
zwischen Flüssigkeiten und Gasen oder Flüssigkeiten und Dämpfen eine hohe Quervermischung
der Gas- oder Dampfphase, sowie bei Extraktion oder Mischung eine hohe Quervermischung
der dispersen Phase.
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Auf diese Weise wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt.
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Die Kanäle sind also für die vorteilhafte Wirkung der Erfindung wesentlich.
Überraschend ist ferner, daß ohne irgendwelche mechanischen Verbindungen zwischen
den Wendeln (z.B. durch Löten, Schweißen oder Verweben) eine außergewöhnlich hohe
mechanische Stabilität erreicht wird.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.
Es zeigen schematisch: Fig. 1 einen Aufriß der Packung; Fig. 2 einen Schnitt AA
gemäß Fig. 1 durch die Packung; Fig. 3 eine alternative Packungsgeometrie im Grundriß;
Fig. 4 die Hauptrichtungen Z 1 - 4 der schrägliegenden Kanäle in der Packung;
Fig.
5 eine Vorrichtung zur Herstellung eines plissierten Streifens und Fig. 6 den zu
einer Wendel verdrillten plissierten Streifen.
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Gemäß Fig. 1 und 2 sind die zu Wendeln 1 verdrillten Streifen in einer
rotationssymmetrischen Anordnung aneinandergeschichtet. Dabei hat jede Wendel 1
innerhalb einer Ganghöhe h vier Berührungspunkte S mit benachbarten Wendeln. In
jedem dieser Berührungspunkte S schneiden sich vier Wendelkanten 2 (s. Fig. 2).
Bei dieser Anordnung treten keine Berührungspunkte zwischen Streifenkanten 2 und
Wendelachsen auf (s. Fig. 2).
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Als Ausgangsmaterial für die zu Wendeln 1 verdrillten Streifen werden
gemäß Fig. 6 plissierte Streifen aus Blech, Gewebematerial oder Thermoplasten benutzt.
Aus Gründen der Darstellung ist in Fig. 1 die Plissierung fortgelassen. Es hat sich
überraschenderweise herausgestellt, daß sich die plissierten Wendeln 1 in ihren
Berührungspunkten S verklemmen, was zu einer besonders stabilen Packung führt und
die Berührungspunkte S fixiert.
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Aufgrund der hohen Dichte der Packungsgeometrie und durch die Art
und die große Zahl der Berührungspunkte S ergibt sich für den Stoffaustausch zwischen
Flüssigkeiten und Dämpfen ein Wirkungsgrad, den die bisher bekannten Packungen nach
dem eingangs beschriebenen Stand der Technik nicht erreichen.
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Charakteristisch für die neue Packung sind ferner eine Vielzahl von
schrägliegenden Kanälen 3 (s. Fig. 7), deren geometrische Lage in Fig. 4 dargestellt
ist. Die
Kanäle 3, die etwa einen halbsondförmigen Querschnitt aufweisen,
verlaufen parallel zu den vier achsensymmetrischen Richtungen Z 1 - Z 4. Entsprechend
den Richtungen Z 1 - 4 werden also vier Scharen von Kanälen gebildet, wobei alle
Kanäle innerhalb einer Schar parallel zueinander sind. In Fig. 4 sind in der linken
oberen Ecke die parallel zur Achse M der Packung geschichteten Wendeln 1 angedeutet.
Der einhüllende Zylinder für die Packung ist mit 4 bezeichnet.
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Die Durchstoßpunkte der für die Kanäle maßgebenden Richtungen Z 1
- 4 an der oberen und unteren Kreisfläche der zylindrischen Packung sind mit P 1,
P 2, P 3, P 4 bezeichnet. Die Projektionen der Richtungen Z 1 - Z 4 auf die Horizontalebene
schließen untereinander einen Winkel von 900ein.Für den Winkel dD, den die Richtungen
Z 1 - 4 mit der Packungsachse M bilden, gilt die Beziehung tan α = b/h.#2,
wobei h die Ganghöhe und b die Breite der Wendel 1 bedeuten (s.Fig. 1). Projiziert
man alle Kanäle 3 auf eine Horizontalebene (d.h. senkrecht zur Achse M), so ergibt
sich also ein rechtwinkliges Gitter. Durch diese Relation und die oben angegebene
Winkelbedingung ist die Packungsgeometrie eindeutig charakterisiert. Die Stärke
der Verdrillung wird durch das Verhältnis b charakterisiert.
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Vorzugsweise soll h/b in der Praxis zwischen 1 und 5 liegen (1h/b5).
zuh/b #5) . Dies bedeutet, daß die Richtungen der durchgehenden Kanäle zwischen
α= 550 und&= 150 liegen (15O£55O).
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Die oben angegebene Winkelbeziehung gilt natürlich nur für den Idealfall.
Bei einer Verzerrung der regulären Anordnung, z.B. durch Deformation, können geringfügige
Abweichungen auftreten.
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Eine alternative Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 dargestellt.
Obwohl die Packungsgeometrie gegenüber der nach Fig. 1 und 2 erheblich abweicht,
treten ebenfalls die schrägliegenden Kanäle 3 auf.
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Die Packung besteht hier aus parallel und deckungsgleich zueinander
angeordneten Lagen mit achsensymmetrischen Wendeln, die um h/2 zueinander versetzt
sind.
Es entstehen pro Ganghöhe h sechs Berühtungspunkte, in den-n sich jeweils zwei benachbarte
Wendeln mit ihren Kanten I-- rühren. Insgesamt sind also weniger Berührungspunkte
vorhanden als bei der Packung gemäß Fig. 1 und 2.
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Damit ist auch der verfahrenstechnische Wirkungsgrad etwas geringer.
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Anhand der Fig. 5 und 6 wird die Plissierung und Verdrillung erläutert.
Gemäß Fig. 5 bewegt sich ein Blechstreifen 5 zwischen zwei im Eingriff befindlichen
Zahnrädern 6 und 7 hindurch. Dadurch wird der Streifen 5 senkrecht zur Transportrichtung
und damit auch senkrecht zur Streifenachse plissiert. Die Plissierhöhe Hz, d.h.
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die Amplitude der Wellung, entspricht dem Zahnprofil der Zahnräder
6 und 7. Die besten Ergebnisse wurden mit einer Plissierhöhe H z erzielt, die einem
Zahnprofil-des Moduls 0,5 bis 2 entspricht. Hieraus resultiert eine Plissierung
des ungewendelten Streifens, die im Profil etwa einem gleichseitigen Dreieck der
Kantenlänge 1 bis 3 mm entspricht. Durch Verdrillung des plissierten Streifens 8
wird die Wendel 1 erzeugt.
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Dabei flacht die Plissierung zu den Randzonen etwas ab (s. Fig. 6).
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Durch die Plissierung und die Lage der Wendeln 1 zueinander (s. Fig.
1 und 2) erreicht man schon mit einer Packung aus Blechwendeln einen Benetzungsgrad
wie ihn andere bekannte Packungen erst durch eine aufwendige und teure Gewebestruktur
erreichen (Tressen-oder Köperbindung). Bei Einsatz eines Leinengewebes ergab sich
für die erfindungsgemäße Packung mit einer
Plissierung entsprechend
dem Zahnmoldul 1, einer Streifenbreite von 14 mm und einer Wendelhöhe von 25 mm
eine Trennleistung, die weit über den eingangs erwähnten Packungen nach dem Stand
der Technik liegt.