DE3131508A1

DE3131508A1 - Method for splitting a flowing gas/liquid mixture into a plurality of component flows

Info

Publication number: DE3131508A1
Application number: DE19813131508
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl.-Phys. Dr. 6380 Bad Homburg Reddemann
Original assignee: Vereinigte Deutsche Metallwerke AG; Ver Deutsche Metallwerke AG
Current assignee: VDM Nickel Technologie AG
Priority date: 1981-08-08
Filing date: 1981-08-08
Publication date: 1983-02-17

Abstract

It is known for the purpose of splitting a flowing gas/liquid mixture into a plurality of component flows firstly to separate the flowing mixture at a substantially reduced rate of flow with the use of the gravity field into a lower lying liquid phase and a gaseous phase situated thereabove, and to extract and unite gaseous and liquid component flows, respectively. The known methods are, however, still relatively complicated and, in particular, very expensive in terms of design. It is proposed for the purpose of overcoming these disadvantages to extract component flows in a "liquid-gaseous" fashion in the region of the interface which is produced. Suitable for carrying out the method is a shell-and-tube (tube-shell) heat exchanger which is characterised in that the tubes (1) project outwards from the tube plate (sheet) (2) into the inlet header (3) (i.e. are lengthened), and in that all the inlet ends (7) of the tubes (1) are arranged in a horizontal plane, taking account of the operating setup of the tube-and-shell heat exchanger. <IMAGE>

Description

Verfahren zur Aufteilung eines strömenden Method of dividing a flowing

Gas-Flüssigkeit-Gemisches in mehrere Teilströme Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufteilung eines strömenden Gas-Flüssigkeit- Gemisches in mehrere Teilströme, wobei zunächst das strömende Gemisch bei we sentlich verringerter Strömungsgeschwindigkeit sowie unter Ausnutzung des Schwerefeldes in eine untenliegende flüssige Phase und eine darüberliegende gasförmige Phase getrennt wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Gas-liquid mixture in several substreams The invention relates refers to a method for dividing a flowing gas-liquid mixture in several substreams, initially the flowing mixture at we significantly reduced Flow velocity as well as using the gravitational field in an underlying liquid phase and an overlying gaseous phase is separated, as well as on a device for carrying out the method.

Derartige Verfahren und Vorrichtungen sind aus den DE-OS 24 60 214 sowie 27 31 279 bekanntgeworden. In beiden Fällen wird im Anschluß an die Trennung in die beiden Phasen eine Aufteilung in wenigstens zwei Einzelphasen-Teilströme vorgenommen und anschließend jeweils ein Flüssigkeits-Teilstrom mit einem Gas-Teilstrom gemischt.Such methods and devices are from DE-OS 24 60 214 and 27 31 279 became known. In both cases, following the separation a division into at least two individual phase substreams in the two phases made and then in each case a liquid partial flow with a gas partial flow mixed.

Dieses Verfahren ist insbesondere dann, wenn eine sehr große Anzahl von Teilströmen erreicht werden soll, konstruktiv sehr aufwendig. Gleichgültig welche der verschiedenen bekannten Trenn- und Mischeinrichtungen benutzt wird, es ist in jedem Fall erforderlich, das den Teilstrom abführende Rohr mit dem Einzelrohr eines Apparates zu verbinden, in dem der in Teilstrom aufgeteilte Strom eines Gas-Flüssigkeit-Gemisches genutzt werden soll. Geht man einmal davon aus, daß die bekannten Verfahren und Vorrichtungen bei einem Rohrbündelverdampfer benutzt werden sollen, so ist klar ersichtlich, daß sich die Gefahr von Undichtig -keiten um wenigstens 50 % erhöht, weil neben der absolut dichten Einbindung der Rohre in die beiden Rohrplatten bei jedem einzelnen Rohr des Rohrbündels für eine dichte Verbindung mit einer entsprechenden Anzahl von Abgangsrohren der Verteilereinrichtung gesorgt werden muß. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die genannten Verfahren und Vorrichtungen weiterzubilden, insbesondere den konstruktiven Aufwand herabzusetzen und die Betriebssicherheit zu verbessern.This procedure is especially useful when there are very large numbers is to be achieved by partial flows, structurally very complex. No matter which one of the various known separating and mixing devices is used, it is in each case required that the partial flow discharge pipe with to connect the single pipe of an apparatus in which the divided into partial flow Stream of a gas-liquid mixture is to be used. If you walk away once from that the known methods and devices in a shell and tube evaporator are to be used, it is clear that there is a risk of leaks opportunities increased by at least 50%, because in addition to the absolutely tight integration of the Pipes in the two tube plates at each individual tube of the tube bundle for one tight connection with a corresponding number of outlet pipes of the distribution device needs to be taken care of. The invention is based on the object of the above-mentioned methods and to further develop devices, in particular to reduce the structural effort and improve operational safety.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren der eingangs genannten Gattung vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Teilströme im Bereich der sich einstellenden Trennschicht "flüssig-gasförmig" abgezogen werden.A method of the type mentioned at the outset is used to solve this problem Proposed genus, which is characterized in that the partial flows in the area the resulting separating layer can be withdrawn in "liquid-gaseous form".

Der wesentliche Unterschied zu den bekannten Verfahren besteht darin, daß die Teilströme nicht an getrennten Orten abzogen werden, sondern dort, wo sich die, Trennschicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase ausbildet.The main difference to the known methods is that that the partial flows are not withdrawn at separate locations, but where they are the separating layer between the liquid and gaseous phase forms.

Das Verfahren kann sowohl für die Aufteilung eines strömenden Gas Flüssigkeit-Gemisches auf eine Mehrzahl parallel geschalteter Wärmetauscherelemente beliebiger Bauart, wie auch auf die Rohre eines Rohrbündelwärmeaus- tauschers angewendet werden.The method can be used both for dividing a flowing gas Liquid mixture on a plurality of heat exchanger elements connected in parallel of any design, as well as the tubes of a tube bundle heat exchanger exchangers be applied.

Ein Rohrbündelwärmeaustauscher zur Durchführung des Verfahrens wird zweckmäßigerweise derartig ausgebildet, daß die Rohre von der Rohrplatte aus in die Eintrittsvorlage hineinragen (d.h. verlängert sind) und daß alle Einlaufenden der Rohre unter Berücksichtigung der Betriebsaufstellung des Rohrbündelwärmeaustauschers in einer horizontalen Ebene angeordnet sind. Dabei mün det der Anschluß für den Gemischzulauf vorzugsweise derartig in die Eintrittsvorlage, daß eine direkte Beaufschlagung einzelner Rohre vermieden wird. Falls erforderlich, können in der Eintrittsvorlage auch noch Prallbleche oder dergleichen angeordnet werden. Ferner kann vorgesehen werden, daß die Rohre an den in die Eintrittsvorlage hineinragenden Bereichen eine oder mehrere kleine Bohrungen oder aber einen oder mehrere schmale Längsschlitze aufweisen.A shell-and-tube heat exchanger is used to carry out the process expediently designed such that the tubes from the tube plate in the entry templates protrude (i.e. are lengthened) and that all entry ends of the tubes taking into account the operational setup of the tube bundle heat exchanger are arranged in a horizontal plane. The connection for the opens Mixture feed preferably in such a way into the inlet template that a direct application individual pipes is avoided. If necessary, can in the entry template baffles or the like can also be arranged. It can also be provided be that the tubes at the protruding into the inlet template areas a or several small holes or one or more narrow longitudinal slots exhibit.

Weitere Einzelheiten und Vorteile werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.Further details and advantages are based on the in the figures illustrated embodiments explained in more detail.

Figur 1 zeigt schematisiert einen Rohrbündelwärmetauscher herkömmlicher Bauart.FIG. 1 schematically shows a conventional tube bundle heat exchanger Design type.

Figur 2 zeigt einen Rohrbündelwärmetauscher gemäß der Erfindung für vertikale Aufstellung.Figure 2 shows a tube bundle heat exchanger according to the invention for vertical installation.

Figur 3 zeigt einen Rohrbündelwärmeaustauscher für horizontale Aufstellung.FIG. 3 shows a tube bundle heat exchanger for horizontal installation.

Figur 4 zeigt ein Rohrende mit Bohrungen.Figure 4 shows a pipe end with holes.

Figur 5 zeigt ein Rohrende mit Längsschlitz. Rohrbündelwärmetauscher gemäß Figur 1 bestehen üblicherweise aus einem einen Innenraum 5 umschließenden Gehäuse 10 mit Eintritts- und Austrittsvorlagen 3 und 4, sowie aus einem Bündel parallel (oder haarnadelförmig) angeordneten Rohren 1, die endseitig abdichtend mit Rohrplatten 2 verbunden sind. Ein erstes fluides Mittel wird durch den Anschluß 6 in die Eintrittsvorlage 3 zugeleitet, auf die Rohre 1 verteilt in der Austrittsvorlage 4 gesammelt und durch den Abfluß 13 wieder abgeführt, während ein zweites fluides Mittel durch die Anschlüsse 11 und in den Innenraum 5 zu- und abgeführt wird.Figure 5 shows a pipe end with a longitudinal slot. Shell and tube heat exchanger according to Figure 1 usually consist of an interior 5 enclosing an interior Housing 10 with inlet and outlet templates 3 and 4, as well as from a bundle parallel (or hairpin-shaped) arranged tubes 1, the end sealing are connected to tube plates 2. A first fluid medium is through the connection 6 fed into the inlet template 3, distributed over the tubes 1 in the outlet template 4 collected and discharged through the drain 13, while a second fluid Means through the connections 11 and in the interior 5 is supplied and discharged.

Bei einem erfindungsgemäßen Rohrbündeltauscher für senkrechte Aufstellung nach Figur 2, sind die Rohre 1 über die untere Rohrplatte 2 hinaus in die Eintrittsvorlage 3 verlängert, wobei ihre Einlaufenden 7 alle in einer horizontalen Ebene angeordnet sind. Der Anschluß 6 für den Gemischzulauf ist seitlich angeordnet und ermöglicht eine tangentiale Beaufschlagung der Eintrittsvorlage mit dem zuzuführenden Gemisch, wodurch eine direkte Beaufschlagung einzelner Rohre vermieden wird. Alle übrigen Bezeichnungen haben die gleiche Bedeutung wie in Figur 1.In a tube bundle exchanger according to the invention for vertical installation According to FIG. 2, the tubes 1 are beyond the lower tube plate 2 into the inlet template 3 extended, with their inlet ends 7 all arranged in a horizontal plane are. The connection 6 for the mixture feed is arranged laterally and enables a tangential application of the inlet template with the mixture to be supplied, whereby a direct application of individual pipes is avoided. The rest Designations have the same meaning as in Figure 1.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß sich die Trennschicht zwischen flüssiger und gasförmiger Phase in aller Regel selbsttätig derartig einstellt, daß sie nicht oder nur unwesentlich von der konstruktiv vorgegebenen horizontalen Ebene abweicht, in der die Einlaufenden 7 der Rohre 1 angeordnet sind. Oberhalb dieser Ebene bildet sich ein gasgefüllter Raum, während sich unterhalb dieser Ebene die flüssige Phase sammelt. Da die Rohre alle auf gleichem Niveau enden, werden sie auch gleichmäßig mit einem Gemisch der gasförmigen und flüssigen Phase beaufschlagt.Surprisingly, it has been found that the separating layer adjusts automatically between liquid and gaseous phase in such a way, as a rule, that they do not or only insignificantly differ from the structurally prescribed horizontal Deviates from the plane in which the inlet ends 7 of the tubes 1 are arranged. Above This level forms a gas-filled space while below this level the liquid phase collects. Since the pipes all end at the same level, there will be a mixture of the gaseous and liquid phases is also applied to it evenly.

Daß sich die Trennschicht ~flüssig-gasförmig1, stets mehr oder weniger schnell auf das konstruktiv vorgegebene Niveau einstellt, soll für den Fall, daß der Rohrbündelwärmetauscher zum Verdampfen eines in den Rohren strömenden Kältemittels benutzt wird, näher erläutert werden. In diesem Fall soll das in dem Innenraum 5 strömende Medium gekühlt werden. Bei derartigen Anlagen sind bestimmte Temperaturen vorgegeben, wobei eine Regelung dafür sorgt, daß durch mehr oder weniger große Zufuhr von Kältemittel das zu kühlende Medium auf eine vorgegebene Temperatur gekühlt wird. Würde sich bei einem derartigen Apparat das Gasvolumen in der Eint trittsvorlage weiter ausdehnen, so daß die Trennschicht 1,flüssig-gasförmig', und damit das Niveau der flüssigen Phase unter die Ebene der Einlaufenden absinkt, so würde das Rohrbündel nur noch mit der Gasphase des Kältemittels beaufschlagt und nicht mehr die erforderliche Kühlleistung bringen. Die Temperatur des zu kühlenden Mediums würde ansteigen, wodurch das Regelsystem veranlaßt würde, den Kältemittelstrom zu erhöhen. Damit würde in der Eintrittsvorlage zwangsläufig das Volumen der flüssigen Phase vergrößere und die Trennschicht wieder bis zu einem höheren Pegelstand verlagert, bis schließlich auch wieder die flüssige Phase anteilig in das Bündel von Rohren einfließt. Damit wird die Kühlleistung erhöht, die Temperatur des zu kühlenden Mediums abgesenkt und über die Regelung der Kältemittelstrom gedrosselt. Umgekehrt würde bei zu hohem Pegelstand nur die flüssige Phase in das Rohrbündel einströmen, die Temperatur des zu kühlenden Mediums würde zu stark absinken und die Regelung den Kältemittelstrom so weit drosseln, bis die Trennschicht wieder mit der geometrisch vorgegebenen Ebene der Rohreinlaufenden zusammenfällt und in dem Rohrbündel bestimmungsgemäß ein Gemisch aus gasförmiger und flüssiger Phase des Kältemittels strömt.That the separating layer (liquid-gaseous) is always more or less quickly adjusts to the constructively specified level, should in the event that the tube bundle heat exchanger for evaporating a refrigerant flowing in the tubes is used, are explained in more detail. In this case, this should take place in the interior 5 flowing medium are cooled. In such systems there are certain temperatures predetermined, with a control ensures that by more or less large supply the medium to be cooled is cooled to a specified temperature by refrigerant. With such an apparatus, the gas volume would occur in the inlet template expand further, so that the separating layer 1 'liquid-gaseous', and thus the level If the liquid phase sinks below the level of the inlet end, the tube bundle would only exposed to the gas phase of the refrigerant and no longer the required one Bring cooling performance. The temperature of the medium to be cooled would rise, which would cause the control system to increase the refrigerant flow. That would be in the inlet template inevitably increase the volume of the liquid phase and the separating layer shifts again up to a higher water level, until finally the liquid phase also flows proportionally into the bundle of tubes. In order to if the cooling capacity is increased, the temperature of the medium to be cooled is reduced and throttled through the regulation of the refrigerant flow. The opposite would be true if the Only the liquid phase flows into the tube bundle, the temperature of the water level The medium to be cooled would drop too much and the control would reduce the refrigerant flow throttle until the separating layer is back with the geometrically specified plane the pipe inlet coincides and a mixture in the pipe bundle as intended from gaseous and liquid Phase of the refrigerant flows.

Figur 3 zeigt einen Rohrbündelwärmetauscher für horizontale Anordnung, bei dem die in die Eintrittsvorlage 3 hineinverlängerten Rohre 1 abgewinkelt sind, so daß ihre Einlaufenden 7 wiederum in einer horizontalen Ebene liegen. Die Bezifferung entspricht im übrigen der Figur 1. Aus einem Vergleich der Figuren 2 und 3 ergibt sich ohne weiteres, daß der Erfindungsgedanke konstruktiv für jede Einbaulage von Rohrbündelwärmetauschern realisiert werden kann, wenn nur dafür gesorgt wird, daß die Einlaufenden aller Rohre in der Eintrittsvorlage in einer bei Betriebsaufstellung horizontalen Ebene angeordnet sind.Figure 3 shows a tube bundle heat exchanger for horizontal arrangement, in which the pipes 1 extended into the inlet template 3 are angled, so that their inlet ends 7 again lie in a horizontal plane. The numbering otherwise corresponds to FIG. 1. A comparison of FIGS. 2 and 3 shows without further ado that the concept of the invention is constructive for every installation position of Shell and tube heat exchangers can be realized if only it is ensured that the inlet ends of all pipes in the inlet template in one at the company installation horizontal plane are arranged.

Durch kleine Bohrungen 8 gemäß Figur 4 oder Längsschlitze 9 gemäß Figur 5 im Bereich der Einlaufenden 7 der Rohre 1, kann dafür gesorgt werden, daß betriebsbedingte oder regelungstechnische Schwankungen des Pegelstandes der flüssigen Phase nicht zu stark schwankenden Zusammensetzungen der Teilströme führen. An sich ist es bei der gewählten Konstruktion mit konstruktiv festgelegter Ebene für die Rohreinlaufenden theoretisch möglich, daß in rascher Folge abwechselnd nur die Gasphase oder nur die Flüssigkeitsphase durch das Rohrbündel strömt. Eine feinfühlige Regelung würde hierauf reagieren und den Zu strom des Gas-Flüssigkeit-Gemisches ständig auf und zuregeln. Mit den vorgesehenen feinen Bohrungen oder Längsschlitzen, kann - abgestimmt auf die jeweilige Anlage -erreicht werden, daß ein breiter Übergangsbereich zwischen reiner Gas-und reiner Flüssigkeitsströmung geschaffen wird und Über-steuerungen der Regelanlage vermieden werden.Through small bores 8 according to FIG. 4 or longitudinal slots 9 according to FIG FIG. 5 in the area of the inlet ends 7 of the tubes 1, it can be ensured that operational or control-related fluctuations in the level of the liquid Phase do not lead to strongly fluctuating compositions of the substreams. Per se it is with the selected construction with a structurally defined level for the Pipe inlet theoretically possible that only the gas phase alternates in rapid succession or only the liquid phase flows through the tube bundle. A sensitive control would react to this and constantly increase the flow of the gas-liquid mixture and regulate. With the provided fine bores or longitudinal slots, - Matched to the respective system, that a broad transition area can be achieved between pure gas and pure liquid flow is created and over-controls the control system can be avoided.

Patentansprüche LeerseiteClaims Blank page

Claims

PATENT CLAIMS 1., 'Method for dividing a flowing gas-liquid mixture in several substreams, initially the flowing mixture at significantly reduced Flow velocity as well as taking advantage of the gravitational field in a bottom the liquid phase lying above and an overlying gaseous phase are separated, characterized in that the partial flows in the area of the separating layer that is established 1 # liquid-gaseous "can be withdrawn.

2. Application of the method according to claim 1 for dividing a flowing Gas-liquid mixture on a plurality of heat exchanger elements connected in parallel.

3. Application of the method according to claim 1 for dividing a flowing Gas-liquid mixture on the tubes of a tube bundle heat exchanger.

4. Tube bundle heat exchanger for carrying out the method according to Claim 3, characterized in that the tubes (1) start from the tube plate (2) protrude into the entry template (3) (i.e. are elongated), and that all entry ends (7) of the tubes (1) taking into account the operational setup of the tube bundle heat exchanger are arranged in a horizontal plane.

5. Tube bundle heat exchanger according to claim 4, characterized in that that the connection (6) for the mixture feed into the inlet template (3) The result is that a direct BeauS impact on individual pipes is avoided.

6. Tube bundle heat exchanger according to claim 5, characterized in that that baffle plates or the like may be arranged in the inlet template (3).

7. Tube bundle heat exchanger according to one of claims 4 to 6, characterized characterized in that the tubes (1) protrude into the inlet template (3) Areas have one or more small bores (8).

8. Tube bundle heat exchanger according to one of claims 4 to 6, characterized characterized in that the tubes (1) protrude into the inlet template (3) Areas have one or 9 several narrow longitudinal slots.