DE3330533C1 - Tropfenabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus einer Gasströmung - Google Patents

Description

• Die Erfindung geht von den folgenden Überlegungen aus: Neben der Krümmung des Abscheiders spielt die Geschwindigkeit der Tropfen im Umlenkungsbereich für ihre Abscheidung eine entscheidende Rolle. Die Tropfen werden umso eher abgeschieden, je höher ihre Geschwindigkeit ist. Die Beschleunigung der Tropfen wird dadurch bewirkt, daß primär die Gasströmung infolge eines durch Querschnittsverengung verursachten Druckabfalls beschleunigt wird und sekundär die Tropfen durch die Widerstandskräfte angetrieben werden, die aus der Differenz der Geschwindigkeiten des Gases und der Tröpfchen resultieren. Während jedoch eine Gasströmung innerhalb einer kurzen Strömungskanallänge beschleunigt werden kann, benötigt man für die Beschleunigung der Tropfen auf eine der Gasströmung entsprechende Geschwindigkeit eine größere Strömungskanallänge, da die Tropfen im Vergleich zu den sie antreibenden Gasmolekülen große Masseanhäufungen darstellen. Je größer die Tropfen sind desto größer ist die für die Beschleunigung erforderliche Lauflänge.
• Große und kleine Tropfen verhalten sich unterschiedlich im Strömungsfeld. Gas und kleine Tropfen haben in der Eintrittsebene Es etwa die gleiche Geschwindigkeit Die kleinen Tropfen folgen im wesentlichen der Gasströmung, lassen sich also schwieriger abscheiden. Die großen Tropfen lassen sich leichter abscheiden, weil sie der Gasströmung weniger folgen.
• Es treten aber auch Tropfen auf, die gerade so groß sind, daß sie in Schwebezustand bleiben, in welchem die Sinkgeschwindigkeit gerade gleich der vertikalen Komponente der Gasgeschwindigkeit ist. Bei dem Tropfenabscheider nach F i g. list damit zu rechnen, daß solche Tropfen zwischen den Lamellen hindurchtaumeln, da sie im Umlenkbereich keine für ihre Abscheidung ausreichende Geschwindigkeit aufweisen.
• Diese Überlegungen wurden bei der Gestaltung der bisher üblichen Tropfenabscheider (Fig. 1) nicht berücksichtigt. Die Tropfenabscheider herkömmlicher Bauart bewirken eine Beschleunigurig der Gasströmung erst in Verbindung mit der ersten Umlenkung, weil sich erst dort der Querschnitt senkrecht zur Strömungsrichtung verengt. Da die Tropfen aufgrund ihrer größeren Trägheit der durch die Verengung auf kurzer Strecke bedingten Geschwindigkeitszunahme nicht folgen können, erreichen die Tropfen im Umlenkbereich bei weitem nicht die hohe Geschwindigkeit der Gasphase, wie sie für die Tropfenabscheidung vorteilhaft wäre. Um einen befriedigenden Abscheidegrad zu erzielen, müssen die Anströmgeschwindigkeit und/oder die Umlenkung groß gemacht werden, was beides zu hohen Druckverlusten führt Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tropfenabscheider der eingangs genannten Art und ein Verfahren zum Abscheiden von Tropfen aus einer Gasströmung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9 so auszubilden, daß möglichst alle, d. h. auch kleine und schwebende Tropfen, mit hohem Abscheidegrad bei möglichst geringem Druckverlust abgeschieden werden.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Gemäß der Erfindung wird der Strömungsquerschnitt im Bereich vor der ersten Umlenkung verringert. Dadurch erhöht sich die Geschwindigkeit der Gasphase.
• Die Tropfen werden also auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt, bevor sie in den Bereich der ersten Umlenkung gelangen.
• In der Tropfenbeschleunigungsstrecke von etwa gleichbleibendem oder im wesentlichen stetig sich-verengenden Strömungsquerschnitt werden die Tropfen infolge ihres Strömungswiderstandes von der schnelleren Gasphase beschleunigt, bevor sie in die erste Umlenkung gelangen. Dies ist für die Tropfenabscheidung vorteilhaft, weil schnellere Tropfen eher ihre Richtung beibehalten wollen, also eher auf die Druckseiten der Umlenkbereiche ausgeschleudert werden und weil sie demzufolge auch mit größeren Winkeln auf die Profile auftreffen, sodaß eine Tropfenreflexion weniger zu befürchten ist. Außerdem kann mit geringen Geschwindigkeiten die gleiche Abscheideleistung wie bisher erzielt werden, was geringere Druckverluste zur Folge hat. Eine Umlenkung genügt! Es kann sinnvoll sein, eine geringfügige Querschnittsverringerung auch noch in der Umlenkung zu verwirklichen. Dies führt zwar nicht zu einer nennenswerten, zusätzlichen Beschleunigung der Tropfen, insbesondere nicht der größeren Tropfen, weil die Lauflänge hierfür zu gering ist. Die Beschleunigung der Gasphase verhindert jedoch zuverlässig eine Strömungsablösung auf der Saugseite der Profile im Umlenkungsbereich. Dies gewährleistet eine ungestörte Durchströmung der sich anschließenden Abschnitte.
• Bei den herkömmlichen Tropfenabscheidern nach F i g. 1 ist trotz Querschnittserweiterung zum Austritt hin keine Diffusorwirkung, d. h. kein nennenswerter Druckrückgewinn erzielbar, weil die Querschnittserweiterung strömungstechnisch ungünstig ist. Dadurch wird der Druckverlust so groß, daß zu seiner Überwindung z. B. bei Naturzugkühltürmen etwa 10% der Kaminhöhe (10% von 150 m = 15 m) verbraucht werden; bei Ventilatorkühltürmen werden 5-10% der Ventilator-Antriebsleistung hierfür benötigt An einer Verringerung des Druckverlustet besteht demnach ein starkes Interesse. Eine beträchtliche Verringerung ist dadurch erreicht, daß bei gleicher Abscheideleistung die Profile mit einer kleineren Geschwindigkeit angeströmt werden können.
• Um den Druckverlust weiter zu verringern, ist nach einer weiteren wichtigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Stärke der Profile in Richtung zur Austrittsebene der Strömungskanäle, beginnend mit der ersten Umlenkung zur Bildung von Diffusoren mit einem Öffnungswinkel zwischen 40 und 120 vermindert ist. Es schließt sich also an die erste Umlenkung, die mit hoher Geschwindigkeit durchströmt wird, eine schwach gekrümmte und schwach divergente zweite Umlenkung an. Diese zweite Umlenkung spielt für die Tropfenabscheidung nur noch eine untergeordnete Rolle. Hier wird vielmehr die kinetische Energie der Gasströmung in dem Diffusor mit einem mittleren Öffnungswinkel zwischen 40 bis 120 weitgehend zurückgewonnen. Infolgedessen treten nur relativ geringe Druckverluste auf.
• Theoretische Betrachtungen des Erfinders zeigen, daß mit einem Tropfenabscheider der vorgeschlagenen Art im Vergleich zu bisher üblichen Ausführungen der Druckverlust um ca. 20-40% gesenkt werden konnte, ohne daß sich die Abscheideleistung verschlechterte.
• Die auf die Abscheidewände der Profile auszentrifugierten Wasserstropfen bilden Wasserfilme bzw. Wassersträhnen, die unter der Wirkung der Schwerkraft zur Nase hin abfließen. An der Nase der Tropfenabscheider löst sich die Flüssigkeit in Gestalt großer Tropfen (d-3-5 mm) ab. Diese Tropfen sind so groß, daß sie von der Gasphase nicht wieder nach oben mitgerissen werden können, solange die Geschwindigkeit der Gasphase kleiner ist als ca. 8 m/s.
• Eine Schwierigkeit stellt die sichere Ableitung der Wasserfilme dar, die sich auf dem Tropfenabscheider aus den abgeschiedenen Tropfen bilden. Die aufwärts strömende Gasphase übt eine gleichgerichtete Schubspannung auf den Film aus. Ist diese Schubspannung größer als der »Hangabtrieb« des Flüssigkeitsfilmes aufgrund der Schwerkraft, so wird der Film in Richtung der Gasströmung mitgeschleppt. Je dünner ein Film ist, umso geringer ist sein flächenspezifisches Gewicht und umso eher kann er von einer bestimmten Schubspannungskraft gegen die Erdbeschleunigung mitgeschleppt werden. Es besteht demnach ein Bedürfnis, die als dünner Film abgeschiedene Flüssigkeit in dickere Einzelsträhnen zu überführen, um ein besseres Abfließen zu erreichen. Zu diesem Zweck ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Profile mit zur Eintrittsebene hin ausmündenden Ablaufrinnen für die abgeschiedene Flüssigkeit versehen sind.
• Ein Verfahren zum Abscheiden von Tropfen aus einer Gasströmung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des A's 9 löst die gestellte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs.
• Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Es zeigt Fig.2 einen Querschnitt durch zwei benachbarte Profile eines Tropfenabscheiders gemäß der Erfindung; F i g. 3 einen Querschnitt durch ein abgewandeltes Profil gemäß der Erfindung und F i g. 4 eine Teilansicht des Profils nach F i g. 3.
• Die in Fig. 2 gezeigten Profile 1 setzen sich ebenso wie die herkömmlichen Profile nach F i g. 1 in Richtung senkrecht zur Zeichenebene mit beliebiger Länge und stets gleichbleibendem Querschnitt fort.
• Die Profile nach F i g. 2 sind jedoch als Hohlprofile 1 mit ihre Außenwände 2, 3 versteifenden Stegen St im Extrudierverfahren vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt.
• In F i g. 2 und in der folgenden Beschreibung bedeuten: a Länge der Beschleunigungsstrecke der Gasphase; b Länge der Tropfenbeschleunigungsstrecke; c Länge der Umlenkung für die Gasphase, bzw. Abscheidelänge; d Länge der Verzögerungsstrecke der Gasphase, in welcher Druckenergie zurückgewonnen wird; D Druckseite der Profile; e engster Kanalquerschnitt; E Ebene (0 bis 5), in Strömungsrichtung aufsteigend numeriert; g Erdbeschleunigung; N Nase der Profile; s maximale Profilstärke; S Saugseite der Profile; St Stege zur Versteifung der Hohlprofile; t Teilung bzw. Mittenabstand der Profile; VG Geschwindigkeit des Gases in den Ebenen E; VT Geschwindigkeit der Tropfen in den Ebenen E; a: maximaler Umlenkwinkel; ag Einbauwinkelbereich relativ; zur Richtung der Erdbeschleunigung g; fi Diffusorwinkel des in der Ebene E4 beginnenden und in der Austrittsebene E5 endenden Diffusors; 1 erste Verengung; II Tropfenbeschleunigungsstrecke; lll erste Umlenkung; IV Diffusor.
• jedes Profil 1 hat eine in der Eintrittsebene El ansetzende, abgerundete Nase N mit sich stetig bis zu einer maximalen Profilstärke s erweiterndem Querschnitt.
• Die Länge a der Nase N in Strömungsrichtung beträgt etwa zwischen dem 0,2fachen bis 1 fachen der Länge b der nachfolgenden Tropfenbeschleunigungsstrecke 11, deren Länge b wiederum im Bereich zwischen etwa dem 0,5- bis 2fachen des Mittenabstandes t liegt Die maximale Profilstärke s bleibt über die Länge b konstant und liegt vorteilhaft im Bereich des 0,2- bis 0,6fachen des Mittenabstandes t.
• Der Mittenabstand t beträgt bei einer für den Einbau in Kühltürmen geeigneten Konstruktion beispielsweise etwa 40 mm, während die Gesamtprofilhöhe a+b+c+d etwa 150 mm beträgt. Diese Zahlenwerte sollen lediglich beispielhaft die tatsächlichen Profilabmessungen illustrieren.
• Der mittlere Winkel a der ersten Umlenkung soll zwischen 300 und 700 liegen. Die Werte für c und d ergeben sich zwangsläufig aus den oben angegebenen Größena,b,s,tunda,fi.
• In der Ebene E3 setzt ein Strömungskanalabschnitt in Gestalt der ersten Umlenkung III des Strömungskanals an. Ab dieser Ebene E3 wird die Wandstärke der Hohlprofile kontinuierlich verringert, so daß die Verengung des Strömungsquerschnittes von der Ebene E3 bis zur Ebene E4 nicht allzu groß ausfällt. In der senkrecht zum Strömungsverlauf stehenden Ebene E4 endet die erste Umlenkung III. Der Winkel a zwischen den Strömungsquerschnitten in den Ebenen E3 und E4 beträgt bei dem gezeigten Beispiel 450 Er kann, wie gesagt, im Bereich zwischen etwa 300 und 700 liegen.
• Gas und Tropfen haben in der Ebene EO vor der Eintrittsebene El etwa gleiche Geschwindigkeit VGO, VTO: In der Ebene E2 ist das Gas aufgrund der ersten Verengung I auf eine wesentlich höhere Geschwindigkeit VG 2 beschleunigt als die Tropfengeschwindigkeit vrn. In der Tropfenbeschleunigungsstrecke II werden die Tropfen von den schnelleren Gasmolekülen durch Stoßwechselwirkung beschleunigt, so daß sie in der Ebene E3 nahezu die gleiche Geschwindigkeit VT3 erreicht haben wie die Gasgeschwindigkeit VO 3. Die Tropfen folgen aufgrund ihrer hohen Wucht der Umlenkung III nur wenig, sondern beschreiben abweichend von den Gasströmungsbahnen (gestrichelt in F i g. 2 dargestellt) Tropfenbahnen (durchgezogen gezeichnet), welche die Tropfen auf die Druckseite D der Profile unter Reflexion vermeidenden Auftreffwinkeln führen. Somit wird ein Großteil der Tropfen einschließlich kleiner und schwebender Tropfen aus der Gasströmung abgeschieden.
• Anschließend an die Ebene E4 beginnt ein divergenter Strömungskanalabschnitt in Form eines Diffusors IV, der eine sanfte zweite Umlenkung in entgegengesetzte Richtung zur ersten Umlenkung bildet. Auf diese Weise verläßt die Gasströmung in der Austrittsebene E5 den Strömungskanal nur unter einem kleinen Winkel, d. h. angenähert parallel zur Eintrittsströmungsrichtung in der Ebene E f, mit der Geschwindigkeit vc s. die kleiner als die Geschwindigkeit Vo 4 im engsten Querschnitt in der Ebene E4 ist. Die Erweiterung des Diffusors IV ist durch fortgesetzte Verringerung der Profilwandstärke sowie durch die sanfte zweite Umlenkung erreicht Der Diffusor-Öffnungswinkel fi liegt dabei im Bereich zwischen 40 und 120.
• Es ist ersichtlich, daß der Abscheider nach F i g. 2 im Gegensatz zu demjenigen nach F i g. 1 bezüglich einer zu den Ein- und Austrittsebenen parallelen Mittelebene (Es in Fig. 1) unsymmetrisch ist. Dies ergibt sich zwangsläufig einerseits aus der geraden Tropfenbeschleunigungsstrecke 11 und andererseits aus der unterschiedlichen Krümmung der ersten und der zweiten Umlenkungen III und IV.
• Die Abscheider 1 nach Fig.2 können mit unterschiedlicher Neigung bezüglich der Vertikalen eingebaut werden. Ein Einbau-Winkelbereich ag ist in F i g. 2 zwischen etwa 0° und 1200 angedeutet. In der Einbaulage »0°« liegt die Tropfenbeschleunigungsstrecke II horizontal. Würde dieser Winkel unterschritten, so könnte die abgeschiedene Flüssigkeit sich in den von den Druckseiten D gebildeten Mulden sammeln, würde also nicht mehr in Richtung der Nasen N, d. h. entgegen der Hauptströmungsrichtung, abfließen, es sei denn, die Profile werden mit einem Gefälle in Längsrichtung eingebaut.
• Die F i g. 3 und 4 zeigen eine abgewandelte Ausführung der Profile.
• Die Abwandlung besteht hauptsächlich darin, daß die erste Verengung I und die Tropfenbeschleunigungsstrecke II durch eine gemeinsame Beschleunigungsstrecke V für Gas und Tropfen ersetzt ist. In dieser Beschleunigungsstrecke V verlaufen die Profilwände zur Bildung eines Düsenabschnitts konisch bis zur Ebene E3, in welcher die erste Umlenkung III beginnt. Die Profil- bzw. Strömungskanalausbildung ist ab hier gleich wie bei F i g. 2 und nicht nochmals beschrieben. Bei den Profilen nach F i g. 3 wird das Gas in der Beschleunigungsstrecke V sanfter beschleunigt als in der ersten Verengung I nach Fig. 2. Das Gas trägt daher nicht so stark zur Tropfenbeschleunigung bei wie in der Tropfenbeschleunigungsstrecke II nach Fig. 2, an deren Eintritt das Gas bereits auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt ist.
• Die Fig. 3 und 4 zeigen ein ergänzendes Merkmal, das zweckmäßig auch bei den Profilen nach F i g. 2 verwirklicht, dort aber nicht gezeichnet ist. Danach sind Ablaufrinnen für das abgeschiedene Wasser mit Stämmen 10 und entgegengesetzt geneigt davon abzweigenden Ästen 11, 12 beidseitig in die Profile 1 eingeprägt Die Stämme 10 münden an den Nasen Nder Profile aus.
• Die Breite e der Stämme und Äste liegt zwischen etwa 4 und 10 mm und die Tiefe h etwa zwischen 0,5 und 2 mm.
• Der Neigungswinkel y der Äste 11, 12 liegt im Bereich zwischen etwa 100 und 300.
• Die Äste 11,12 sind auf der Druckseite D der Profile vorteilhaft im Abscheidebereich vorgesehen, d. h. jenseits der Ebene E3 bzw. des Beginns der ersten Umlenkung 111. Dagegen liegt der erste Art 11 auf der Saugseite 5 vorzugsweise bereits vor der ersten Umlenkung im Bereich der Beschleunigungsstrecke 11 oder V. um die bereits in diesen Bereich durch Reflexion von der Druckseite D vereinzelt gelangenden Tropfen abzuleiten.
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Claims (9)

1. Patentansprüche: 1. Tropfenabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus einer Gasströmung, wobei mittels Profilen mit Verengungen und Umlenkungen versehene Strömungskanäle gebildet sind, an deren Wänden die Tropfen abgeschieden werden und die so ausgerichtet sind, daß die abgeschiedene Flüssigkeit mindestens mit einer Komponente in Richtung entgegen der Hauptströmungsrichtung auf diesen Wänden zum Eintritt der Strömungskanäle hin unter Wirkung der Schwerkraft abströmen kann, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Profile (d) in Strömungsrichtung gesehen eine Gasbeschleunigungsstrecke (I) mit Querschnittsverringerung des Strömungskanals und daran anschließend eine Tropfenbeschleunigungsstrecke (II) mit im wesentlichen gleichbleibendem oder stetig sich verengendem Strömungsquerschnitt vor der ersten Umlenkung (111) bilden.
2. 2. Tropfenabscheider nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,- daß jedes Profil (1) von einer anströmseitigen Profilnase (N) ausgehend auf eine Profilstärke (s) von etwa dem 0,2~0,6fachen des Mittenabstandes (t) zweier benachbarter Profile ansteigt.
3. 3. Tropfenabscheider nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte größte Profilstärke (s) über die Länge (b) der Tropfenbeschleunigungsstrecke (I1) konstant ist.
4. 4. Tropfenabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (b) der Tropfenbeschleunigungsstrecke etwa das 0,5- bis 2fache des Mittenabstandes (t) zweier benachbarter Profile beträgt.
5. 5. Tropfenabscheider nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (a) der Gasbeschleunigungsstrecke (I) etwas das 0,2- bis 1 fach der Länge der Tropfenbeschleunigungsstrecke (b) beträgt.
6. 6. Tropfenabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Profile in Richtung zur Austrittsebene (E5) der Strömungskanäle, beginnend mit der ersten Umlenkung (111) zur Bildung von Diffusoren (IV) mit einem Öffnungswinltel (6) zwischen 40 und 120 vermindert ist
7. 7.Tropfenabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die erste Umlenkung (111) eine zweite Umlenkung (IV) anschließt, um die Gasströmung mindestens angenähert parat lel zur Eintrittsrichtung aus den Strömungskanälen austreten zu lassen.
8. 8. Tropfenabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile mit zur Eintrittsebene (E 5) hin ausmündenden Ablaufrinnen (10-12) für die abgeschiedene Flüssigkeit versehen sind.
9. 9. Verfahren zum Abscheiden von Tropfen aus einer Gasströmung, die über Strömungskanäle mit Verengungen und Umlenkungen geführt wird, wobei die Wände der Strömungskanäle zum Abströmenlassen der abgeschiedenen Flüssigkeit auf diesen Wänden unter Schwerkraftwirkung mindestens mit einer Komponente entgegen der Hauptströmungsrichtung ausgerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömung vor der ersten Umlenkung so beschleunigt wird, daß die Tropfen am Eintritt in die Umlenkung eine Geschwindigkeit erreichen, die nur noch relativ wenig unterhalb der Geschwindigkeit der Gasströmung liegt.

   Die Erfindung betrifft einen Tropfenabscheider gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Tropfenabscheider ist beispielsweise aus der DE-OS 15 44115 bekannt.

   In der Technik besteht häufig die Notwendigkeit, Flüssigkeitstropfen aus Gasströmungen abzuscheiden.

   Grund hierfür kann sein, daß die Flüssigkeitstropfen mit Inhaltsstoffen beladen sind, deren Emission zu Umweltbelastungen führt. Die Inhaltsstoffe können von Partikeln, wie Asbestfasern, Gipskristallen oder dergleichen, gelösten Stoffe, wie Schwermetallsalzen, Chloriden oder dergleichen, mikrobiellen Stoffen, wie Bakterien, Viren oder dergleichen, gebildet sein.

   Zur Abscheidung der Flüssigkeitstropfen werden in der Regel Tropfenabscheider, wie in F i g. 1 gezeigt, benutzt. Dabei sind parallel und symmetrisch zu einer Ebene Es gebogene Lamellen aus Blech oder Kunststoff vorgesehen, die eine zweifache Umlenkung der Strömung zwischen Eintrittsebene EE und Austrittsebene EA mit jeweils einer Strömungskanalverengung von der Breite t auf die Breite e bewirken. Die Lamellen haben über die Strömungskanallänge gleichbleibende Stärke. Die mit Tropfen beladene Strömung wird also zweifach umgelenkt und in den Verengungen jeweils beschleunigt. Je größer ein Tropfen ist, umso weniger kann er der Umlenkung folgen. Die Tropfen werden sozusagen aus der Kurve getragen und treffen auf die Innenfläche einer Abscheiderlamelle. Dabei können drei Arten der Wech-- selwirkung zwischen Tropfen und Lamellenoberfläche auftreten: a) die Tropfen werden von der Wand eingefangen; b) die Tropfen werden reflektiert; c) die Tropfen zerplatzen und werden zum Teil eingefangen, zum Teil reflektiert.

   Mit der den Tropfenabscheidungsprozeß störenden Reflexion ist insbesondere dann zu rechnen, wenn die Tropfen annährend tangential zur Abscheideoberfläche auftreffen.