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Tropfenabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus
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einer Gasströmung Die Erfindung betrifft einen Tropfenabscheider zum
Abscheiden von Tropfen aus einer Gasströmung, wobei mittels Profilen mit Verengungen
und Umlenkungen versehene Strömungskanäle gebildet sind, die vor der ersten Umlenkung
eine Tropfenbeschleunigungsstrecke aufweisen.
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Ein Tropfenabscheider dieser Art ist in Patentanmeldung P 33 30 533.1
beschrieben. Während die aerodynamischen Eigenschaften dieses älteren Tropfenabscheiders
hervorragend sind, d. h. sehr geringe Druckverluste erzielt sind, kann es bei dem
älteren Tropfenabscheider in begrenztem Ausmaß zu einer Tropfenreflexion kommen.
Wenn Tropfen unter relativ kleinen Winkeln auf einem Flüssigkeitsfilm auftreffen,
können sie ähnlich einem Stein, den man auf einer Wasseroberfläche tanzen läßt,
reflektiert und bei entsprechender Strömungskanalausbildung emittiert, d. h. nicht
abgeschieden werden. Eine derartige Tropfenreflexion ist nicht nur von Auftreffwinkel
und -geschwindigkeit abhängig sondern auch vom Zufall. Es kann zufälligerweise einmal
ein Tropfen an einer Stelle reflektiert werden, an welcher die meisten Tropfen abgeschieden
werden.
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Bei Tropfenabscheidern ist
uie sogenannte ~Durchbruchsgeschwindigkeit"
ein wichtiger Aspekt. Steigert man die Anströmgeschwindigkeit des Tropfenabscheiders,
so werden die Tropfen in zunehmender Geschwindigkeit zunächst besser abgeschieden,
weil sie aus der Umlenkung leichter "aus der Kurve getragen werden". Bei weiterem
Steigern der Strömungsgeschwindigkeit wird jedoch schließlich ein kritischer Wert,
die sogenannte ~Durchbruchsgeschwindigkeit" erreicht. Bei Erreichen dieser Geschwindigkeit
ist die von der Gasphase auf den Flüssigkeitsfilm (der aus den Tropfen entstanden
ist) ausgeübte Schubspannung so groß, daß der Film entgegen der Erdbeschleunigung
zur Hinterkante der Abscheidefläche geschleppt wird.
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Dort oder auch schon vorher kommt es zur Ablösung großer Tropfen,
die emittiert werden. Ein Tropfenabscheider, in welchem die Durchbruchsgeschwindigkeit
überschritten wurde, kann also seine Aufgabe nicht mehr zufriedenstellend erfüllen.
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Wenngleich also hohe Strömungsgeschwindigkeiten wegen der bei Durchbruchsgeschwindigkeit
erreichten Grenze problematisch sind, gibt es viele Situationen, in denen hohe Strömungsgeschwindigkeiten
erwünscht sind oder zwangsläufig auftreten.
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Hohe Strömungsgeschwindigkeiten sind insofern vorteilhaft, als der
Strömungsquerschnitt für einen vorgegebenen Volumenstrom des Gases, z. B.
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des Schwadens in einem Kühlturm, relativ klein sein kann. Außerdem
ist die Abscheidung kleinerer Tropfen bei hohen Geschwindigkeiten besser gewährleistet.
Es gibt jedoch auch Situationen, in denen bereichsweise hohe Strömungsgeschwindigkeiten
auftreten, ohne daß dies erwünscht wäre. Mit ungleichförmigen Geschwindigkeitsverteilungen
ist beispiels-
weise im ausgedehnten Querschnitt eines Kühlturmes
zu rechnen. Es ergibt sich daraus der Wunsch, einen Abstand zur Grenze der Durchbruchsgeschwindigkeit
einzuhalten, mit anderen Worten den Tropfenabscheider so auszubilden, daß er im
Nennbetriebszustand, bei welcher die Anströmgeschwindigkeit z. B. 2,5 m/s, beträgt,
noch einen ausreichenden Abstand zur Durchbruchsgeschwindigkeit aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tropfenabscheider
der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß die Abscheideleistung verbessert
ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß
die Tropfenbeschleunigungsstrecke zur Anströmrichtung die erste Umlenkung verstärkend
unter einem Winkel zwischen 0 und 300 geneigt, vorzugsweise schwach gekrümmt ist.
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Bei einem Tropfenabscheider nach der Erfindung wird ein ausreichender
Abstand der Strömungsgeschwindigkeit zur Durchbruchsgeschwindigkeit sichergestellt.
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Die Tropfen werden in der Tropfenbeschleunigungsstrecke vor der ersten
Umlenkung beschleunigt.
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Während die Gasgeschwindigkeit praktisch verzögerungsfrei auf den
dem verringerten Strömungskanalquerschnitt entsprechenden Wert ansteigt, wird für
die Tropfenbeschleunigung eine gewisse Strömungskanallänge benötigt, wie dies in
Patentanmeldung P 33 30 533.1 beschrieben ist. Gemäß der Erfindung ist nun die Tropfenbeschleunigungsstrecke
so ausgeführt, daß die Tropfen unter einem günstigen Winkel auf eine erste Abscheidefläche
ausgeschleudert werden. Dazu ist die Tropfenbeschleunigungsstrecke geringfügig zur
ersten Abscheidefläche hin geneigt,
vorzugsweise derart gekrümmt,
daß die Richtung der Mittellinie am Ende der Tropfenbeschleunigungsstrecke bis zu
300 von der ursprünglichen Richtung am Eintritt der Tropfenbeschleunigungsstrecke
abweicht. Die Länge der Tropfenbeschleunigungsstrecke beträgt vorzugsweise etwa
das 0,5- bis 2-fache des Mittenabstandes zweier benachbarter Profile. Aufgrund dieser
vergleichsweise großen Länge ist die Krümmung der Stromlinien im Bereich der Tropfenbeschleunigungsstrecke
relativ klein.
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Deshalb werden in der Tropfenbeschleunigungsstrecke nur vereinzelte
Tropfen abgeschieden, zumal die Tropfen dort fast tangential auftreffen und demnach
zu einem hohen Prozentsatz reflektiert werden.
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Es ist deshalb physikalisch sinnvoll, die Profilfläche, welche auf
der konkaven Profilseite der ersten Umlenkung an diese anschließt, als erste Abscheidefläche
zu betrachten.
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Die Beschleunigung der Tropfen führt dazu, daß sie mit relativ hoher
Geschwindigkeit auf diese erste Abscheidefläche auftreffen.
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Die geringfügig erscheinende Umlenkung der Tropfenbahnen in der Tropfenbeschleunigungsstrecke
gemäß der Erfindung hat zur Folge, daß der Neigungswinkel der ersten Abscheidefläche
zu einer parallel zur Eintrittsebene des Tropfenabscheiders stehenden Ebene relativ
groß gewählt werden darf, ohne daß der für eine effiziente Abscheidung erforderliche
Auftreffwinkel auf die erste Abscheidefläche zu klein wird. Ein großer Neigungswinkel
ist deshalb vorteilhaft, weil die Strömung dann zum Austritt der Tropfenabscheider
hin nur noch relativ
wenig umzulenken ist, was wiederum zu einer
Verringerung der Druckverluste führt.
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Der Tropfenabscheider gemäß der Erfindung kann an seinem Auslaßende
einen vorzugsweise schwach gekrümmten Diffusor aufweisen, was insbesondere zweckmäßig
ist, wenn der Abscheider nur eine Abscheidefläche aufweist. In dem Diffusor kann
die Geschwindigkeitsenergie wieder weitgehend zurückgewonnen werden, was die Druckverluste
des Tropfenabscheiders insgesamt sehr niedrig hält.
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Andererseits ist auch hier mit dem Phänomen der Tropfenreflexion zu
rechnen. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist jedoch bei einer Gestaltung des Tropfenabscheiders
gemäß der Erfindung sehr gering, weil die im Gasstrom mitgeführten Tropfen unter
günstigen Winkeln und Strömungsgeschwindigkeiten auf die erste Abscheidefläche auftreffen.
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Im Rahmen der gestellten Aufgabe ist auch zweckmäßig, wenn der Krümmungsradius
auf der konkaven Profilseite an der ersten Umlenkung kleiner oder gleich etwa dem
0,25-fachen des Mittenabstandes zweier benachbarter Profile ist. Die durch die Krümmung
an der konkaven Profilseite gebildete Kehle ist aufgrund der erfindungsgemäßen Gestaltung
vorteilhaft etwas eingezogen. Bei einer solchen Gestaltung ist ein annähernd tangentiales
Auftreffen der Tropfen welches die Reflexion begünstigt, weitgehend unterbunden.
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Der Krümmungsradius auf der konvexen Profilseite der ersten Umlenkung
wird vorteilhaft größer oder gleich etwa dem 0,25-fachen des Mittenabstandes
zweier
benachbarter Profile gewählt, um die Umlenkverluste der Gasströmung und Ubergeschwindigkeiten
gering zu halten. Auf diese Weise ist auch ein ungestörtes Abfließen der in der
zweiten Stufe abgeschiedenen Flüssigkeit gesichert.
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Eine Tropfenreflexion wird auch noch durch einige andere, bisher nicht
erwähnte Effekte begünstigt.
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Die Abscheideflächen sind mit Flüssigkeitsfilmen bedeckt, die aus
den eingefangenen Tropfen entstehen.
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Diese Flüssigkeitsfilme weisen bei höheren Geschwindigkeiten eine
wellige Oberflächenstruktur auf.
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Je nachdem, wo das Tröpfchen auf die Welle auftrifft, ergeben sich
unterschiedliche tatsächliche Auftreffwinkel, die sich von dem Wandauftreff-Winkel
erheblich unterscheiden können. Dies kann zu vereinzelten Reflexionen führen.
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Trifft ein Tröpfchen auf ein noch nicht vollständig vom Flüssigkeitsfilm
absorbiertes Tröpfchen auf, so ist ebenfalls mit einer Reflexion zu rechnen, zumindest
gelegentlich.
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Darüberhinaus muß mit einem Zerplatzen der Tropfen beim Aufschlag
gerechnet werden; die rückgestreuten Tropfenteilchen können ebenfalls von der Gasströmung
ausgetragen werden.
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Sollen deshalb mit einem Tropfenabscheider besonders hohe Abscheidegrade
erzielt werden, so ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn
an die erste Umlenkung eine zweite Umlenkung
mit nachfolgender
weiterer Abscheidefläche anschließt.
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Die Verwirklichung dieses Gedankens bringt auch ohne die leichte Neigung
bzw. Krümmung der ersten Tropfenbeschleunigungsstrecke eine Verbesserung der Abscheideleistung.
Dies sei an einem Beispiel erläutert. Wird in der ersten Stufe aus Umlenkung und
Abscheidefläche jeder hunderste Tropfen reflektiert und treten in der zweiten Stufe
mit zweiter Umlenkung und zweiter Abscheidefläche dieselben Effekte auf, so wird
zwar in der zweiten Stufe auch wieder jeder hunderste Tropfen reflektiert; die Emission
dieser Tropfen erniedrigt sich jedoch von dem Wert 10 2 nach der ersten Stufe auf
den -4 Wert 10 4 nach der zweiten Stufe.
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An der Stelle der zweiten Umlenkung können die gleichen Krümmungen
verwirklicht werden, die oben anhand der ersten Umlenkung beschrieben sind, und
zwar aus den gleichen Gründen wie dort.
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Es ist günstig, wenn die Austrittsenden der Profile verdickt sind.
Dies ermöglicht es, die Abscheideflächen in einem günstigen Winkel zu den anfliegenden
Tropfen auszurichten. Diese Ausführung hat außerdem den Vorteil, daß die Tropfenabscheider
begehbar werden, wenn man Bretter quer über die Austrittsränder legt. Dies ist von
Vorteil insbesondere bei der Anwendung der Tropfenabscheider nach der Erfindung
in Kühltürmen. Es ist an sich bekannt, an den Austrittsenden von Tropfenabscheiderprofilen
zur Schaffung eines Totraumgebietes eine tragflügelartige Ausbauchung auf der konkaven
Profilseite vorzusehen(WO 80/01046).
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Um die Austrittsverluste gering zu halten, kann ein Diffusor mit einem
mittleren Öffnungswinkel zwischen 40 und 120 im Austrittsbereich der Profile vorgesehen
werden. Bei einer mehrstufigen Anordnung kann eine diffusorartige Erweiterung des
Strömungskanals hinter jeder Umlenkung sinnvoll sein.
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Je nach der Größenverteilung der Tropfen kann es aber auch vorteilhaft
sein, die zweite Abscheidestufe nicht nur für das Einfangen reflektierter Tropfen
auszulegen, sondern prinzipiell für die Abscheidung kleinerer Tropfen. Dies kann
gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch geschehen, daß der Strömungskanal
im Bereich hinter der ersten und/oder hinter jeder weiteren Umlenkung eine Verengung
zum Schaffen einer weiteren Tropfenbeschleunigungsstrecke aufweist.In diesem Fall
ist es günstig, die Krümmungsradien an der zweiten Umlenkung kleiner zu wählen als
an der ersten, mit andere Worten die Strömung stärker umzulenken, um ausreichend
große Fliehkräfte zu erzeugen, die für das Abscheiden der kleineren Tropen erforderlich
sind.
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Eine solche Ausbildung des Tropfenabscheiders hat den Vorteil, daß
der überwiegende Anteil der größeren Tropfen (Tropfendurchmesser z. B. größer oder
gleich 120 ~im) in der ersten Stufe abgeschieden werden, während reflektierte und
kleinere Tropfen (Tropfendurchmesser z. B. kleiner oder gleich 70um) erst in der
zweiten Stufe abgeschieden werden.
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Daraus ergeben sich insbesondere Vorteile für die Entwässerung aufgrund
einer günstigeren Schubspannungsverteilung an den Profilen.
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In Abhängigkeit der Tropfengrößenverteilung und des angestrebten Abscheidungsgrades
kann es auch sinnvoll sein, eine vielstufige Ausführung mit mehr als zwei Stufen
zu realisieren.
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Tropfenabscheider nach der Erfindung können mit der Profillängsrichtung
horizontal oder geneigt, insbesondere vertikal montiert werden. Die vertikale Montage
kann beispielsweise in Kreuzstrom-Kühltürmen und Rauchgaswäschern sinnvoll sein.
Insbesondere bei Rauchgaswäschern werden höhere Abscheidegrade bei kleinen Tropfendurchmessern
gefordert. Z.B.
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wird ein Abscheidegrad von 99,9% für Tropfen mit einem Durchmesser
von 20um oder größer gefordert.
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Derartige Abscheideleistungen können bei kleinen Gasgeschwindigkeiten
durch stark gekrümmte (kleine Krümmungsradien) oder bei großen Geschwindigkeiten
durch weniger stark gekrümmte (große Krümmungsradien) Abscheideprofile erzielt werden.
Eine Profilgestaltung mit großen Krümmungsradien führt zu einer steifen, selbsttragenden
Struktur, während Ausführungen mit kleinen Krümmungsradien ggf. eine zusätzliche
Stützstruktur erfordern.
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Auch bei dieser Anwendung spielt die Durchbruchsgeschwindigkeit eine
große Rolle. Sollen Tropfen mit Durchmessern um 20'ihm weitgehend abgeschieden werden,
so müssen bei großen Krümmungsradien große Geschwindigkeiten erzeugt werden, um
ausreichend hohe Fliehkräfte zu bewirken. Die Folge sind hohe Wandschübspannungen,
die wiederum dazu führen können, daß die aus den abgeschiedenen Tropfen gebildeten
Flüssigkeitsfilme zur Hinterkante der Profile transportiert werden, wo sich große
Sekundärtropfen bilden, die von der Gasströmung mitgerissen und emittiert werden.
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Um hier eine Verbesserung zu schaffen, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, daß bei stark geneigter oder vertikaler Anordnung der
Profile die Abscheideflächen jeweils vor den nächstfolgenden Umlenkstellen mit Fangrillen
versehen sind. Dieser Gedanke führt zu einer erheblichen Verbeserung der Abscheidewirkung
auch ohne die oben beschriebene leichte Neigung bzw. Krümmung der Tropfenbeschleunigungsstrecke
vor der ersten Umlenkung. Bei einem bekannten Tropfenabscheider (DE-OS 23 47 984)
sind Fangrillen auf der konvexen Profilseite im Scheitelbereich der zweiten Umlenkung
vorgesehen, d.h. weit stromabwärts von der ersten Umlenkung. Aufgrund der Tatsache,daß
bei einem Tropfenabscheider nach der Erfindung die Tropfen frühzeitig abgeschieden
werden, kann die Fangrille mit verhältnismäßig kleinem Abstand von der vorausgehenden
Umlenkung, -bei einstufiger Ausbildung von der ersten abscheidewirksamen Umlenkung
-, angeordnet sein. Bevorzugt ist dabei wenn,die Spitze der Fangrille bei etwa 1/4
bis 2/3 der Länge der auf die Umlenkung folgenden Abscheidefläche liegt.
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Die Vorteile dieser Ausgestaltung der Erfindung bestehen darin, daß
auch reflektierte Tropfen von den Fangrillen eingefangen werden. Die Fangrillen
liegen in einem Bereich, der von einem Wasserstrahl für Reinigungszwecke noch gut
erreicht wird. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn die Tropfen mit krustenbildenden
Stoffen beladen sind, wie dies beispielsweise bei Rauchgaswäschern der Fall ist.
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Selbstverständlich können die Fangrillen bei mehrstufiger Konstruktion
auch in den nachgeschalteten Abscheideflächen eingesetzt werden.
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Die Erfindung ist im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch zwei benachbarte Profile
eines älteren Tropfenabscheiders (Patentanmeldung P 33 30 533.1); Fig. 2 einen Querschnitt
durch zwei benachbarte Profile eines Tropfenabscheiders nach der Erfindung; Fig.
3a und Fig. 3b Wandteile von Abscheideflächen des Tropfenabscheiders nach Fig.2,
wobei Strömungserscheinungen dargestellt sind, die im Betrieb auftreten; Fig. 4
einen Querschnitt durch benachbarte Profile eines zweistufigen Tropfenabscheiders
nach der Erfindung, wobei zwei alternative Profilkonstruktionen gezeigt sind; Fig.
5 einen Querschnitt durch benachbarte Profile eines gegenüber Fig. 4 abgewandelten
Tropfenscheiders und Fig. 6 einen Querschnitt durch benachbarte Profile einer weiteren
Ausführungsform eines Tropfenabscheiders nach der Erfindung.
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Die in den Figuren gezeigten Profile setzen sich in Richtung senkrecht
zur Zeichenebene mit beliebiger Länge und stets gleichbleibendem Querschnitt fort.
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In den Figuren und in der folgenden Beschreibung bedeuten: a - Länge
der Beschleunigungsstrecke der Gasphase; b - Länge der Tropfenbeschleunigungsstrecke;
c - Länge der Umlenkung für die Gasphase, bzw.
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Abscheidelänge; d - Länge der Verzögerungsstrecke der Gasphase, in
welcher Druckenergie zurückgewonnen wird; e - engster Kanalquerschnitt; g - Erdbeschleunigung;
h - Einziehung auf konkaver Profilseite Länge der Abscheidefläche A; A r - Krümmungsradius
an der Umlenkung; s - maximale Profilstärke in erster Tropfenbeschleunigungsstrecke;
t - Teilung bzw. Mittenabstand der Profile; VG - Geschwindigkeit des Gases in den
Ebenen E; VT ~ Geschwindigkeit der Tropfen in den Ebenen E; VT Geschwindigkeit der
Tropfen in den Ebenen E; D - Druckseite oder konkave Profilseite; E - Ebene quer
zur Anströmrichtung in Strömungsrichtung aufsteigend numeriert; F - Fangrille; L
- Lippe der Fangrille; LS - Lip#penspitze; N - Nase der Profile; S - Saugseite oder
konvexe Profilseite; St - Stege zur Versteifung der Hohlprofile; T - Tropfen; V
- Verdickung;
1 - Gasbeschleunigungsstrecke; II - Tropfenbeschleunigungsstrecke;
III - erste Umlenk- und Abscheidestrecke; IV - Diffusorstrecke; V - zweite Umlenk-
und Abscheidestrecke; VI - zweite Tropfenbeschleunigungsstrecke; a -maximaler Umlenkwinkel;
Einbauwinkelbereich relativ zur Richtung der Erdbeschleunigung g; ß - Diffusorwinkel
des in der Ebene E4 beginnenden und in der Austrittsebene E5 endenden Diffusors;
mittlerer Neigungswinkel der Tropfenbeschleunigungsstrecke II; Auftreffwinkel der
Tropfen auf die Abscheidefläche A; 1 -Neigung der Abscheidefläche A zur Ebene E;
#W Wandschubspannung; Gemäß Fig. 1, in der zwei Profile nach Patentanmeldung P 33
30 533.1 gezeigt sind, hat jedes Profil 1 eine in der Eintrittsebene El ansetzende
abgerundete Nase N mit sich stetig bis zu einer maximalen Profilstärke s erweiterndem
Querschnitt. Die Länge a an der Nase N in Strömungsrichtung beträgt etwa zwischen
dem 0,2-fachen bis 1-fachen der Länge b der nachfolgenden, in Anströmrichtung verlaufenden
Tropfenbeschleunigungsstrecke II, deren Länge b wiederum im Bereich zwischen etwa
dem 0,5- bis 2-fachen des Mittenabstandes t liegt.
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Die maximale Profilstärke s in der Tropfenbeschleunigungsstrecke libleibt
über die Länge b etwa konstant und liegt vorteilhaft im Bereich des 0,2- bis 0,6-fachen
des Mittenabstandes t.
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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.
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Der mittlere Winkel y der ersten Umlenkung soll zwischen 200 und 700
liegen. Die Werte für.c und d ergeben sich im wesentlichen aus den oben angegebenen
Größen a, b, s, t und 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.
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In der senkrecht zum Strömungsverlauf stehenden Ebene E4 endet die
erste Umlenkung III. Der Winkel zwischen den Strömungsquerschnitten in den Ebenen
E3 und E4 beträgt bei dem gezeigten Beispiel 450.
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Er kann, wie gesagt, im Bereich zwischen etwa 200 und 700 liegen.
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Gas und kleine Tropfen haben in der Ebene E0 vor der Eintrittsebene
El etwa gleiche Geschwindigkeit VG0, VTO: In der Ebene E2 ist das Gas aufgrund TO
der ersten Verengung I auf eine wesentlich höhere Geschwindigkeit vG2 beschleunigt
als die Tropfengeschwindigkeit v T2 In der Tropfenbeschleunigungsstrecke II werden
die Tropfen von den schnelleren Gasinolekülen durch Stoßwechselwirkung beschleunigt,
so daß sie in der Ebene E3 nahezu die gleiche Geschwindigkeit vT3 erreicht haben
wie die Gasgeschwindigkeit vG3. Die Tropfen folgen aufgrund
ihrer
hohen Wucht der Umlenkung III nur wenig, sondern beschreiben abweichend von den
Gasströmungsbahnen (gestrichelt in Fig. 2 dargestellt) Tropfenbahnen (durchgezogen
gezeichnet), welche die Tropfen auf die Druckseite D der Profile unter eine Reflexion
weitgehend vermeidenden Auftreffwinkeln führen.
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Somit wird ein Großteil der Tropfen einschließlich kleiner und schwebender
Tropfen aus der Gasströmung abgeschieden.
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Anschließend an die Ebene E4 beginnt ein divergenter Strömungskanalabschnitt
in Form eines Diffusors IV, der eine sanfte zweite Umlenkung in entgegengesetzter
Richtung zur ersten Umlenkung bildet. Auf diese Weise verläßt die Gasströmung in
der Austrittsebene ES den Strömungskanal nur unter einem kleinen Winkel, d. h. angenähert
parallel zur Eintrittsströmungsrichtung in der Ebene El, mit der Geschwindigkeit
VG5, die kleiner als die Geschwindigkeit v G4 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
ß liegt dabei im Bereich zwischen 40 und 120.
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Die Abscheider 1 nach Fig. 2 können mit unterschiedlicher Neigung
bezüglich der Vertikalen eingebaut werden. Ein Einbau-Winkelbereich Xg ist in Fig.
2 zwischen etwa 0° und 1200 angedeutet. In der Einbaulage kl00% liegt die Trofpenbeschleunigungsstrecke
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, d. h.
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entgegen der Anströmrichtung abfließen können,
es
sei denn, die Profile würden mit einem Gefälle in Längsrichtung eingebaut.
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Die Profilausführung nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen
nach Fig. 1 in folgender Hinsicht: In der Tropfenbeschleunigungsstrecke II ist jedes
Profil ausgehend von einem Winkel g = 0° in der Ebene El bis zur Ebene der Umlenkung
E3 zur Anströmrichtung schwach und so gekrümmt, daß die erste Umlenkung verstärkt
wird. Der mittlere Winkel# beträgt bei der gezeigten Ausführung ca. 120.
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Er kann je nach den Anforderungen einen Wert bis zu 300 annehmen.
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Wenngleich die Profile der Tropfenbeschleunigungsstrecke II auch ungekrümmt
unter dem Winkel geneigt sein können, ist eine Anordnung mit# = 0 in der Ebene El
und anschließender schwacher Krümmung vorzuziehen, um optimale Anströmverhältnisse
zu erzielen.
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Die bis zur Ebene E3 auf Gasgeschwindigkeit beschleunigten Tropfen
werden in der ersten Umlenkung III weniger als die Gasströmung umgelenkt und treffen
unter einem Winkel 8 auf die Abscheidefläche Al auf. Dieser Winkel d ist aufgrund
der Neigung der Tropfenbeschleunigungsstrecke II größer und damit günstiger als
bei den Profilen nach Fig. 1, so daß Tropfenreflexion wirksamer als mit den Profilen
nach Fig. 1 vermieden wird.
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Die Tropfenbeschleunigungsstrecke II hat zweckmäßig eine Länge von
etwa dem 0,5- bis 2-fachen des Mittenabstandes t zweier benachbarter Profile. Die
gering-
fügig erscheinende Umlenkung der Tropfenbahnen in der Beschleunigungsstrecke
ermöglicht es, den Neigungswinkel # der Abscheidefläche Al gegenüber einer Ebene
E relativ groß zu wählen, ohne daß der für eine effiziente Abscheidung erforderliche
Auftreffwinkel d zu klein wird. Ein großer Neigungswinkel E- ist vorteilhaft, weil
die Strömung in Richtung zum Austritt des Tropfenabscheiders nur noch relativ wenig
umgelenkt zu werden braucht, was den Druckverlust verhindern hilft.
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An die Umlenk- und Abscheidestrecke III schließt sich wie bei den
Profilen nach Fig. 1 eine schwach gekrümmte Diffusorstrecke IV an, in der die Geschwindigkeitsenergie
weitgehend zurückgewonnen wird. Der gewünschte Diffusor-Uffnungswinkelpläßt sich
durch entsprechende Bemessung von Verdickungen V1 an den Enden der Profile einstellen.
Über die gerade abgeschnittenen Verdickungen V1 können in der Ebene ES Bretter gelegt
werden, welche den Tropfenabscheider begehbar machen.
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Bei dem Tropfenabscheider nach Fig. 2 treffen die Tropfen unter einem
günstigen Winkel d auf die erste Abscheidefläche Al und mit einer so bemessenen
Strömungsgeschwindigkeit auf die erste Abscheidefläche auf, daß Tropfenreflexion
weitgehend vermieden ist. Hierzu tragen auch noch folgende Gestaltungsmerkmale bei:
Der Krümmungsradius rl 1 ist auf der konkaven Profilseite in der ersten Umlenkung
III vergleichsweise klein, nämlich kleiner oder höchstens gleich etwa dem 0,25-fachen
des Mittenabstandes t gewählt. Der Krümmungsradius r 2.1 ist größer als der genannte
Wert gewählt, um die Umlenkverluste der Gasströmung gering zu halten und Übergeschwindig-
keiten
zu vermeiden. Die mit r abgerundete Kehle auf der konkaven Profilseite ist um die
Größe h gegenüber der Tropfenbeschleunigungsstrecke II eingezogen, wobei vorteilhaft
h = (0,05 bis 0,2).t gewählt wird. Diese Ausgestaltung unterbindet ein die Tropfenreflexion
begünstigendes, annähernd tangentiales Auftreffen der Tropfen auf die Abscheideflächen
weitgehend.
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Bei kleinem Mittenabstand der Profile wird die mittlere Geschwindigkeit
der Gasphase in der Umlenkstrecke III gegenüber der Geschwindigkeit in der Tropfenbeschleunigungsstrecke
II verkleinert. Diese Tendenz schwächt sich mit zunehmendem Mittenabstand t ab und
kehrt sich schließlich um. Mit ein und demselben Profil lassen sich also je nach
der Wahl des Mittenabstandes t unterschiedliche Ergebnisse erzielen. Es ist also
wichtig, den Mittenabstand t an die jeweilige Abscheidungsaufgabe angepaßt zu wählen.
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In den Fig. 3a und 3b sind Ausschnitte der Abscheideflächen A (z.
B. Al in Fig. 2) vergrößert dargestellt.
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Die Abscheideflächen A sind mit Flüssigkeitsfilmen bedeckt, die aus
den eingegangenen Tropfen gebildet werden. Diese Flüssigkeitsfilme weisen eine wellige
Oberflächenstruktur auf, wie gezeigt. Je nach dem, wo ein Tröpfchen T auf die Welle
auftrifft, ergeben sich unterschiedliche effektive Auftreffwinkel, die sich erheblich
von dem Auftreffwinkel & mit der Wandfläche selbst unterscheiden können. Dies
kann zu vereinzelten Reflexionen von Tropfen T führen, wie in Fig. 3a verdeutlicht.
Trifft ein Tröpfchen T2 auf einen noch nicht vollständig vom Flüssigkeitsfilm aufgenommenes
Tröpfchen T1 auf, so ist gemäß Fig. 3b in seltenen Fällen ebenfalls mit einer Reflexion
von Tröpfchen T2 zu rechnen.
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Der in Fig. 4 gezeigte Tropfenabscheider ist zur Erzielung höherer
Abscheidegrade zweistufig ausge bildet. Hierzu schließt an eine erste Umlenk- und
Abscheidestrecke III mit erster Abscheidefläche Al eine zweite Umlenk- und Abscheidestrecke
V mit einer zweiten Abscheidefläche A2 an, die in entgegengesetztem Richtungssinne
zur ersten Umlenkung abgewinkelt ist. Die Krümmungsradien r2 1 und r2 2 an der zweiten
Umlenkung sind in diesem Fall gleich gewählt wie die Krümmungsradien r 1.1 und rl
2 an der ersten Umlenkung, ebenso auch die Einziehung h auf der konkaven Profilseite
der zweiten Umlenkung.
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In der Strecke V werden an der ersten Abscheidefläche Al noch nicht
abgeschiedene Tropfen an der zweiten Abscheidefläche A2 abgeschieden.
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Anschließend an die Strecke V können die Profile wie gestrichelt dargestellt
ausgebildet sein und dadurch diffusorartige Erweiterungen IV mit einem Öffnungswinkel
ß bilden.
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Bei der durchgezogenen gezeigten Ausbildung in den Endabschnitten
der Profilen ist wieder möglich, Bretter auf die Abschlußkanten der Profile zu legen
und damit den Tropfenabscheider begehbar zu machen.
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Die Ausführung nach Fig. 5 zeigt eine Profilkonfiguration, die grundsätzlich
derjenigen nach Fig. 4 entspricht. Unterschiedlich ist, daß an die erste Umlenk-
und Abscheidestrecke III eine zweite Tropfenbeschleunigungsstrecke VI in Form einer
Verengung anschließt. Diese Verengung wird durch in Strömungskannalrichtung zunehmende
Wandstärke des Profiles erzielt. Die Verengung geht dann in die zweite Umlenk- und
Abscheidestrecke V über, die wie anhand der Fig. 4 beschrieben gestaltet ist und
hier nicht nochmals beschrieben wird.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 wird der überwiegende Anteil der größeren
Tropfen in der ersten Stufe, d.h. an der ersten Abscheidefläche Al abgeschieden,
während reflektierte und kleinere Tropfen in der zweiten Abscheidestufe an der Fläche
A2 abgeschieden werden.
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Die Ausführung nach Fig. 5 hat Vorteile hinsichtlich der Entwässerung.
Dies läßt sich mit der Wandschubspannungsverteilung t W erklären. Die geringen Wandschubw
spannung % W auf der Oberseite des Profiles gegenüber der Abscheidefläche Al ermöglichen
ein ungestörtes Abfließen des in der zweiten Stufe an der Abscheidefläche A2 abgeschiedenen
Wassers zurück in Bereiche mit geringeren Wassergeschwindigkeiten. Das Abfließen
abgeschiedenen Wassers ist in der ersten Stufe ohnehin erleichtert, weil hier nur
größere Tropfen eingefangen werden sollen und deshalb mit kleineren Wassergeschwindigkeiten
gearbeitet werden kann.
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Je nach der Tropfengrößenverteilung und dem angestrebten Abscheidegrad
kann auch eine vielstufige Ausführung
nach den Figuren 4 oder 5
sinnvoll sein(nicht dargestellt).
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Fig. 6 zeigt eine Ausführung mit stark geneigter bzw. vertikaler Anordnung
der Profillängsrichtung.
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Angedeutet ist dies durch den senkrecht zur Zeichenebene weisenden
Pfeil für die Erdbeschleunigung g in Fig. 6.
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Die Ausführung nach Fig. 6 ähnelt der Profilgestaltung nach Fig. 1
bis auf Fangrillen F mit Lippen L, deren Lippenspitze LS einen Abstand von 1/4 bis
2/3 der Länge 1A der Abscheidefläche Al vom Scheitel der ersten Umlenkstelle auf
der konkaven Profilseite bzw. der Druckseite der Profile hat. Von den Fangrillen
F werden auch reflektierte Tropfen eingefangen.
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Die Fangrillen liegen in einem Bereich der von der Eintrittsseite
her gut mittels eines Wasserstrahles zu Reinigungszwecken erreicht werden kann.
Dies ist insbesondere bei Anwendung des Tropfenabscheiders in einem Rauchgaswäscher
von Vorteil, wo die Tropfen mit krustenbildenden Stoffen beladen sind.
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