DE4122369C1 - Packaging used for heat and mass transfer between liq. and gas - consists of corrugated or folded foil, plate or mat-like packaging elements in zones, in which profiles are inclined to longitudinal axis, etc. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Packung für den Wärme- und Stoff­ austausch zwischen flüssigen und gasförmigen Medien gemäß dem Oberbegriff des 1. Patentanspruches.

Eine solche Packung ist gemäß der DE-PS 31 40 640 bekannt. Sie besteht aus regelmäßig gefalteten, zickzackförmigen Schichten, die so zusammengesetzt sind, daß sich die Faltun­ gen benachbarter Lagen kreuzen.

Dieses Grundprinzip eines Packungsaufbaus ist leicht herzu­ stellen, gut handhabbar und besitzt für viele Anwendungsfälle eine recht hohe Leistungsfähigkeit. In dem Bemühen die Leistungsfähigkeit zu steigern bzw. für spezielle Anwendungen zu optimieren, hat das o.g. Grundprinzip eine Vielzahl von Variationen erfahren.

Die EP-03 94 718 offenbart ein Rieseleinbauelement, bestehend aus einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Platten mit kanalförmigen Ausprägungen, die zwei Hauptströmungsrich­ tungen ermöglichen. Dabei sollen die Kanalausprägungen zu­ sätzlich quer zu den beiden Hauptausdehnungsrichtungen ver­ formt sein.

Aus AT-PS 3 92 017 ist eine Packung mit Durchlaßkanälen be­ kannt, wobei sich die die Durchlaßkanäle bildenden Profile benachbarter Packungselemente ebenfalls kreuzen können. Wegen des schraubenartigen Verlaufs der Durchlaßkanäle entstehen gleichfalls Packungsbereiche mit gegenüber der Vertikalen entgegengesetzten Neigung, die aber wegen der Schraubung der Kanäle nicht in der gleichen Ebene liegen. Die Schraubung ist gegenüber der Vertikalen mit konstanter Steigung geneigt.

Die Leistungsfähigkeit der Packung hängt aber von vielen Faktoren ab, so z. B. vom Ausnutzungsgrad der installierten geometrischen Oberfläche, der vertikalen Flüssigkeits- und Gasdurchmischung und dem gasseitigen Druckverlust, aber auch die Grenzflächenerneuerung der Flüssigphase ist von Einfluß.

Auswirkungen auf die Grenzflächenerneuerung haben insbesondere die Mikrostruktur des verwendeten Materials bzw. gezielt vor­ gesehene Feinstrukturen, wenn die Hydrophilität und Rauhig­ keit des Materials nicht ausreicht. So offenbart beispiels­ weise die DE-OS 27 22 556 eine solche Feinstruktur (Riffelung), die falten-, wellen- oder rippenartig gestaltet sein kann und winklig zu den Längsachsen der Grobstruktur verläuft.

Auch der Füllkörper gemäß der DE-OS 39 18 483 besitzt auf seinen gewellten oder gefalteten Folien bzw. Platten eine Feinstruktur. Seine Besonderheit besteht jedoch darin, daß die sich kreuzenden Wellungen oder Faltungen benachbarter Folien bzw. Platten im unteren Teil parallel und nach obenhin mit zunehmender Neigung verlaufen. Vorzugsweise sollen die Wellungen oder Faltungen als kontinuierlich verlaufende Krümmungen ausgebildet sein. Diese Ausführungsform des Füll­ körpers bedingt in seinem oberen Bereich die größte Kreu­ zungspunktdichte der Wellungen oder Faltungen. Damit ist im Gasaustrittsbereich des Füllkörpers der größte Turbolenzgrad anzutreffen, wodurch beim Übertritt des Gases in die nächste Füllkörperschicht ein relativ großer Druckverlust hinzunehmen ist.

Da dieser Füllkörper auch keine Neigungsumkehr seiner Wellun­ gen oder Faltungen innerhalb einer Schicht vorsieht, ist auch nur mit einer mäßigen Quervermischung des Gases zu rechnen. Schwerwiegender ist jedoch die Tatsache, daß die von oben nicht direkt anströmbaren Flächen, d. h. die dem Flüssig­ keitsstrom abgekehrten Rieselflächen, insbesondere im oberen Füllkörperbereich, nicht oder nur schlecht benetzt werden. Aber auch die dadurch fehlende Umkehr der Wirkung der Schwerkraft auf den Flüssigkeitsfilm vermindert die Erneu­ erungsfähigkeit in seiner Grenzschicht.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Packung gemäß der Gattung des 1. Patentanspruches zu ent­ wickeln, deren Grobstruktur unter Beibehaltung des bewährten prinzipiellen Aufbaus weitestgehend optimale Bedingungen zwischen der Effizienz von Wärme- und Stoffübertragung sowie den hydraulischen und aerodynamischen Verhältnissen schafft.

Insbesondere sollen die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch das Kennzeichen des 1. Patentanspruches gelöst. Danach ist die erfindungsgemäße Packung in Packungsbereiche gegliedert, deren Höhe sich in Strömungsrichtung der fluiden Phase in diskreten Schritten verringert. Die Schrittweite entspricht der Höhe des Abstandes zweier Berührungspunktebenen. Diese Berührungspunktebenen werden gebildet durch die Berührungspunkte der Grobprofile benachbarter Packungselemente, wie Folien, Platten oder Matten.

Die Packungsbereiche unterscheiden sich aber auch hinsichtlich der Neigungsrichtung ihrer Wellungen oder Faltungen bezüglich der Vertikalen. Sie enden vorzugsweise in einer Berührungs­ punktebene.

Vorteilhaft ist die Ausbildung eines kurzen unteren Packungs­ bereiches, der sich ausschließlich zwischen zwei benachbarten Berührungspunktebenen erstrecken sollte. Hierbei hat sich als günstig erwiesen, wenn die Höhe dieses Packungsbereiches nicht größer als die dreifache Länge einer Vollperiode der Wellung oder Faltung ist.

Die Nutzung einer Packung mit drei übereinander angeordneten Packungsbereichen, deren Höhen sich wie 3 : 2 : 1 verhalten, hat sich bei gleichzeitiger Einhaltung der in Anspruch 4 beschriebenen Bedingung als weitgehend optimale Variante der Erfindung herausgestellt, da sie eine gute Abstimmung zwischen den Wärme- und Stoffübertragungsbedingungen sowie den hydraulischen und aerodynamischen Verhältnissen herbeiführt.

Zur Vermeidung unnötiger gasseitiger Druckverluste verwendet man zwischen den einzelnen übereinander gestapelten und um 90° versetzten Packungen Einlauf- bzw. Auslaufzonen. Ihre Profillängsachsen verlaufen vertikal und bilden mit den benachbarten Packungselementen gemeinsame Berührungslinien. Vorzugsweise sind diese die Packung begrenzenden Einlauf-/ Auslaufzonen gleich an den einzelnen Packungselementen angeformt, so daß sie eine Einheit bilden und gut handhabbare Gebilde darstellen.

Um eine maximale Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Oberfläche unter allen Prozeßbedingungen zu gewährleisten, besitzen die Profilierungen (Grobprofile) eine feingliedrige Struktur, die z. B. wellen-, falten- oder rippenartig sein kann. Die Längsachsen dieser Feinstruktur verlaufen vorzugsweise horizontal zur Einbaulage. Entsprechend erfährt die Flüssigkeit stets eine horizontale Feinverteilung und die Einlaufphase bis zur Ausbildung eines geschlossenen Flüssigkeitsfilms ist kurz.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungs­ beispieles und der dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 Perspektivische Darstellung eines Ausschnittes der Packung

Fig. 2 Schematische Darstellung der Seitenansicht der Packung

Fig. 3 Draufsicht auf eine Einlauf- bzw. Auslaufzone mit trapezförmig gefalteten Packungselementen.

Zur Verdeutlichung der inneren Packungsstruktur wurde die perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Packung (Fig. 1) aufgebrochen. Man erkennt deutlich die wechselseitige Neigung der Längsachsen der trapezförmigen Profilierungen in den einzelnen übereinander angeordneten Packungsbereichen 2a, 2b, 2c. Dabei bieten die in der Packungselementebene verlaufenden schmalen Flächen 9 der trapezförmigen Profilierungen in ihren Kreuzungsbereichen ausreichend Möglichkeit zur Verbindung benachbarter Packungselemente 1a, 1b untereinander, z. B. durch kleben.

Aus Fig. 2, der schematischen Darstellung der Seitenansicht der Packung, ist zu entnehmen, daß der Neigungswinkel der Profilierung in allen Packungsbereichen 2a, 2b, 2c gleich groß ist und gemäß dieser Ausführung ca. 20° beträgt. Somit befinden sich die durch die Berührungspunkte 3 der Profile gebildeten benachbarten Berührungspunktebenen 4, 5 in gleichen Abständen zueinander. Da sich an den Orten der Berührungs­ punkte 3 die Befestigungsflächen der benachbarten Packungs­ elemente 1a, 1b befinden, wird eine ebenso homogene Festigkeit der Packung erreicht.

Die einzelnen Packungsbereiche 2a, 2b, 2c enden stets in einer Berührungspunktebene 4, um die Übergangsbedingungen der gasförmigen und flüssigen Phase in den sich anschließenden Packungsbereich 2a, 2b, 2c optimal zu gestalten. Diesem Zweck dient auch die am obersten bzw. untersten Packungsende einstückig angeformte Auslauf- bzw. Einlaufzone 6, 7, deren Profilachsen nicht geneigt sind, sondern vertikal verlaufen.

Fig. 3 zeigt die Draufsicht auf eine Einlauf- bzw. Auslauf­ zone 6, 7 trapezförmig gefalteter Packungselemente 1a, 1b. Sie bieten über ihre gesamte Höhe Berührungsflächen, an denen sie mit benachbarten Packungselementen 1a, 1b verbindbar sind. Dadurch steigt an den sensiblen Packungsenden die mechanische Belastbarkeit. Die Vermeidung von Beschädigungen, z. B. durch das Begehen der Packung oder Druckstellen bei hohen Stapelungen, garantiert ihre dauerhafte Leistungsfähigkeit.

Die Höhe der einzelnen Packungsbereiche 2a, 2b, 2c verhält sich in Strömungsrichtung der fluiden Phase wie 3 : 2 : 1. Ihre Höhe verringert sich um jeweils den diskreten Schritt eines vertikalen Abstandes zwischen zwei Berührungspunktebenen 4, 5. Dabei erstreckt sich der unterste Packungsbereich 2a nur noch zwischen zwei benachbarten Berührungspunktebenen 4. Seine Höhe entspricht etwa der dreifachen Länge einer Vollperiode der schon beschriebenen Profilierungen trapezförmigen Profilierungen.

Wie in Fig. 1 angedeutet ist, besitzen die Riesflächen 11, 12 eine horizontal zur Einbaulage der Packung verlaufende Feinstruktur, die wellen-, falten- oder rippenartig ausge­ bildet sein kann.

Die Wirkungsweise der Packung wird nun zwar ausschließlich als Einbau zum Kühlen von Wasser durch Luft in einem Kühlturm beschrieben, jedoch wird ihr erfindungsgemäßer Einsatz auch für andere Prozesse des Wärme- und Stoffaustauschs sowie ihr Einsatz als Rieselkörper beansprucht.

Das Wasser gelangt zunächst aus einem Flüssigkeits­ verteilersystem (z. B. Sprühdüsensystem) in die Ein-/ Auslaufzone 7 der Packung. Nach einem sehr kurzen Lauf tritt das Wasser in den obersten und höchsten Packungsbereich 2c ein. Seine geeigneten trapezförmigen Profile gewährleisten in Verbindung mit der horizontal verlaufenden Feinstruktur 8 auf einer relativ großen Lauflänge die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit.

Auf die Flüssigkeitsfilme der sich gegenüberliegenden Riesel­ flächen 11, 12 wirkt die Erdbeschleunigung unterschiedlich. Während der eine Flüssigkeitsfilm die geneigte Fläche als "Un­ terlage" hat, rinnt der andere Flüssigkeitsfilm an der geneigten fläche gleichsam "hängend" herab. Beim Übertritt der Flüssigkeit in den darunterliegenden Packungsbereich 2b erfolgt dann eine Umschichtung der Flüssigkeitsfilme und damit eine Grenzflächenerneuerung des Rieselfilms aufgrund der nun auch umgekehrten Wirkung der Erdbeschleunigung auf diese.

Die Flüssigkeitsaufgabe in den obersten Packungsbereich 2c kann natürlich auch von einer darüber befindlichen Packungslage erfolgen, die üblicherweise um 90° versetzt angeordnet ist. Die Übergangsbereiche der Packungslagen erfordern eine Neuausbildung des Flüssigkeitsfilms. Erfindungsgemäß erfolgt dies im obersten Packungsbereich 2c mit seiner längsten kontinuierlichen Lauflänge in einem Packungselement 1a, 1b. Der kontinuierliche Übergang der Flüssigkeit in die nachfolgenden Packungsbereiche 2b, 2a mit sich vermindernder Höhe stellt wesentlich geringfügigere Störungen für die sich ausgebildete Filmströmung dar, weshalb auch kürzere Lauflängen zur Neuformierung des Flüssigkeits­ films erforderlich sind. Eine allseitige Benetzung der Packungselemente 1a, 1b bei gleichzeitiger tiefgründiger Durchmischung der Flüssigkeit bildet so eine wichtige Grundlage für gute Wärme- und ggf. Stoffaustauschergebnisse.

Die Luft tritt nach dem Passieren der vertikal strukturierten Ein-/Auslaufzone 6 ebenfalls weitestgehend vertikal in den untersten zwischen zwei Berührungspunktebenen 4 liegenden Packungsbereich 2a. Er ist so kurz, daß die Luft ihn bei fast unmerklicher Umlenkung passieren und in den darüber angeordneten Packungsbereich 2b eintreten kann. Die bis dahin relativ geringe Umlenkung der Luft in der Packungselementebene verursachen einen vergleichsweise niedrigen Druckverlust. Mit nach oben zunehmender Umlenkungsintensität steigen auch die Turbulenzen und damit der Quervermischungsgrad der "winklig" verlaufenden Teilgasströme.

Durch die Paarung eines sich neu formierenden Flüssigkeitsfilms im oberen Bereich der Packung mit der dort herrschenden relativ hohen Turbulenz des Gases und sich nach unten gewissermaßen umkehrenden Verhältnissen, nämlich der Paarung eines voll ausgebildeten, "häufiger" umgeschichteten Flüssigkeitsfilms mit der dort herrschenden niedrigen Turbulenz des Gases, stellt die erfindungsgemäße Packung eine weitestgehend optimale Gestaltung für viele Prozesse der Wärme- und Stoffübertragung dar. Durch diese erfindungsgemäß erzielte Abstimmung der Verhältnisse zwischen der gasförmigen und flüssigen Phase über die gesamte Packungshöhe werden hohe verfahrenstechnische Parameter bei hohem Wirkungsgrad erzielt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

 1a - Packungselement
 1b - Packungselement
 2a - Packungsbereich
 2b - Packungsbereich
 2c - Packungsbereich
 3 - Berührungspunkt
 4 - Berührungspunktebene (begrenzen Packungsbereiche)
 5 - Berührungspunktebene (innerhalb der Packungsbereiche)
 6 - Ein-/Auslaufzone
 7 - Ein-/Auslaufzone
 8 - feingliedrige Struktur
 9 - Flächen trapezförmiger Profilierung
10 - Berührungsflächen (Ein-/Auslaufzone)
11 - Rieselflächen (der Flüssigkeitsströmung abgewandt,
      Flüssigkeitsfilm "hängend")
12 - Rieselflächen (der Flüssigkeitsströmung zugewandt,
      Flüssigkeitsfilm "aufliegend")

Claims (7)

1. Packung für den Wärme- und Stoffaustausch zwischen flüssigen und gasförmigen Medien im Gegenstrom, insbesondere für die Wasserkühlung durch Luft in Kühltürmen oder als Rieselkörper, bestehend aus einer Vielzahl im wesentlichen senkrecht stehender, durch Wellungen oder Faltungen profilierter und alternierend angeordneten folien-, platten- oder mattenartiger Packungselemente, so daß sich die Längsachsen der Profile mit denen der benachbarten Packungselemente kreuzen und dadurch Berührungspunkte bilden, und wobei die Profile übereinander angeordneter Packungsbereiche eines Packungselements eine gegenüber der Vertikalen entgegengesetzte Neigung besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Packungsbereiche (2a, 2b, 2c) in Strömungsrichtung der fluiden Phase in diskreten Schritten derart abnimmt, daß die durch die Berührungspunkte (3) benachbarten Packungselemente (1a, 1b) gebildeten Berührungspunktebenen (4, 5) jeweils um wenigstens eine Berührungspunktebene (5) reduziert sind.

2. Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere und untere Begrenzung eines Packungsbereiches in einer Berührungspunktebene (4) endet.

3. Packung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen zwei benachbarten Berührungspunktebenen (4) der unterste Packungsbereich (2a) erstreckt.

4. Packung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des untersten Packungsbereiches (2a) höchstens 3mal so groß ist wie die Länge einer Vollperiode einer Profilierung.

5. Packung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Packungsbereiche (2a, 2b, 2c) übereinander angeordnet sind, deren Höhen sich verhalten wie 3 : 2 : 1.

6. Packung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich an dem untersten Packungsbereich (2a) und dem obersten Packungsbereich (2c) eine Einlaufzone (6) bzw. Auslaufzone (7) anschließen, deren Profillängsachsen vertikal verlaufen und mit benachbarten Packungselementen (1a, 1b) gemeinsame Berührungslinien bilden.

7. Packung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilierungen eine feingliedrige Struktur besitzen, deren Längsachsen vorzugsweise horizontal zur Einbaulage verlaufen.