DE4323541A1

DE4323541A1 - Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung

Info

Publication number: DE4323541A1
Application number: DE4323541A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Herr; Ralf Dipl Ing Sigling; Horst Dipl Ing Spielmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1993-07-14
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1995-01-19
Also published as: EP0634207A1; DE59400846D1; CA2127818A1; EP0634207B1; US6086241A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung für ein Strömungsmedium mit einer Leitanordnung und einem an einer Knickstelle abgeknickten Strömungskanal.

Zur Umlenkung eines Strömungsmediums sind sogenannte Leitschaufeln bekannt. Die das Strömungsmedium aus einer ersten Strömungsrichtung in eine zweite ge wünschte, um einen Umlenkwinkel α verschiedene Strömungsrichtung umlenken. Dazu haben Leitschaufeln ein gebogenes Profil, das zunächst parallel zur anströ menden Strömung ausgerichtet ist, dann auf einem meist kreisbogenähnlichen Stück die Strömung umlenkt und anschließend in Richtung der gewünschten Strömungs richtung ausläuft. Hierbei ist besonders bei Leitschaufeln, die in Umlenkungen mit relativ kleinen Umlenkwinkeln eingebaut sind, nachteiligerweise zu tolerieren, daß die Leitschaufeln den Strömungskanal in Strömungsrichtung des Strömungsmedi ums im Bereich der Umlenkung für das Strömungsmedium "blickdicht" machen müssen, damit die Leitschaufel eine Umlenkung des Strömungsmediums erzwingt. Dies bedeutet im einzelnen, daß sich die Leitschaufel besonders weit in den nach der Umlenkung befindlichen Strömungskanal erstreckt, was einen besonders hohen Platzbedarf im Nachlaufgebiet der Leitschaufel erforderlich macht. Aufgrund des dabei meist auftretenden großen Druckunterschiedes zwischen Lee- und Luvseite der Leitschaufel bestehen im besonderen bei im Winkel zur Schwerkraft ausgerich teten Leitschaufeln besonders große Bereiche, in denen sich im Strömungsmedium vorhandene Partikel ablagern können.

Zur Vermischung eines Strömungsmediums sind eine Vielzahl von statischen Mischern bekannt. Aus der DE-OS 41 23 161 sind beispielsweise statische Mischer bekannt, die eine Vielzahl von regelmäßig über den Querschnitt des Strömungska nals verteilte Auslenkelemente aufweisen, wobei die Abmessungen der Auslenk elemente im bezug zu den Abmessungen des Strömungskanals klein sind und die Auslenkelemente in einem Winkel zur Hauptströmungsrichtung des Strömungsme diums angeordnet sind. Mit solchen statischen Mischern wird eine intensive Vermi schung des Strömungsmediums lokal und über den gesamten Querschnitt des Strö mungskanals hinweg erreicht.

Nachteiligerweise ist mit diesen statischen Mischern keine Änderung einer Haupt strömungsrichtung des Strömungsmediums zu erzielen. Ist aber eine Änderung der Hauptströmungsrichtung und eine Vermischung des Strömungsmediums ge wünscht, so ist es üblich, eine Umlenkeinrichtung, wie z. B. eine Leitschaufel, und zusätzlich eine Mischeinrichtung, wie z. B. ein statischer Mischer, zu verwenden. Im besonderen bei Umlenkungen mit kleinem Umlenkwinkel, d. h. mit Winkeln kleiner als 90°, ist daher der Platzbedarf für die Umlenkeinrichtung und die Mischeinrichtung teilweise größer als der in dem Strömungskanal zur Verfügung stehende Raum.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, in wel cher Weise eine Umlenkung und eine Vermischung eines Strömungsmediums mit einem äußerst geringen Platzbedarf durchzuführen sind. Zugleich ist es wün schenswert, wenn die Gefahr einer Verstopfung des Strömungskanals durch Abla gerungen von Partikeln des Strömungsmediums möglichst gering ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung für ein Strömungsmedium eine Leitanordnung und einen an einer Knickstelle abgeknickten Strömungskanal zur Ablenkung des Strömungsme diums aus einer Hauptströmungsrichtung umfaßt, wobei die Leitanordnung im Be reich der Knickstelle im Strömungskanal angeordnet ist, die Ebene der Leitanord nung annähernd parallel zu der Richtung, die der Strömungskanal in Strömungsrich tung des Strömungsmediums nach der Knickstelle hat, ausgerichtet ist und die Leit anordnung über den Querschnitt des Strömungskanals gleichmäßig verteilte Durch brüche aufweist.

Hierdurch wird erreicht, daß das Strömungsmedium aufgrund der Ausrichtung der Leitanordnung zumindest teilweise in die gewünschte Strömungsrichtung nach der Knickstelle umgelenkt wird, und daß der nicht umgelenkte Teil des Strömungsme diums an den Rändern der Durchbrüche verwirbelt wird. Unmittelbar im Bereich hinter der kombinierten Misch- und Umlenkeinrichtung vermischt sich der umge lenkte Teil des Strömungsmediums mit dem verwirbelten Teil des Strömungsmedi ums, so daß das Strömungsmedium hinreichend umgelenkt und hinreichend turbu lent hinter der Knickstelle abströmt. Aufgrund der gleichmäßigen Verteilung der Durchbrüche wird erreicht, daß auf der Leeseite der Leitanordnung nur sehr geringe Strömungstoträume aufgebaut werden, so daß auch eine Ablagerung von im Strö mungsmedium enthaltenen Partikel besonders gering ist.

Um eine hinreichend gute Umlenkung und Vermischung des Strömungsmediums bei gleichzeitig relativ geringem Druckabfall zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn ein Versperrungsverhältnis etwa 0,35 bis 0,65, vorzugsweise etwa 0,5, beträgt, wo bei das Versperrungsverhältnis als das Verhältnis der Fläche der Durchbrüche zur Gesamtfläche der Leitanordnung definiert ist.

Eine einfache konstruktive Ausgestaltung des Erfindungsgedankens ergibt sich, wenn die Leitanordnung mehrere gleichmäßig beabstandete untereinander im we sentlichen parallele Leitfahnen umfaßt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Leitfahnen trapezförmig sind und abwechselnd mit der schmalen oder breiten Kante zur Strömung des Strömungsmediums ausgerichtet sind.

Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den übrigen Unteransprü chen zu entnehmen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von drei Figuren erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Leitanordnung;

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine andere Leitanordnung; und

Fig. 3 einen Ausschnitt aus dem Rauchgaskanal einer Verbrennungsanlage.

In Fig. 1 ist in Aufsicht eine erste Leitanordnung 2 dargestellt, die hier als Leit platte 2 ausgebildet ist. Die Leitplatte 2 umfaßt einen metallischen Rahmen 4. Der Rahmen 4 hat eine rechteckige Grundfläche. Zwischen seiner Anströmkante 6 und seiner Abströmkante 8 sind fünf trapezförmige Leitfahnen 10a-10e eingebaut, die abwechselnd mit der schmalen oder der breiten Kante an der An- bzw. der Ab strömkante 6, 8 befestigt sind. Von dem Rahmen 4 und den Leitfahnen 10a-10e sind Durchbrüche 12 eingeschlossen. Das Versperrungsverhältnis der Leitplatte 2 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 0,54, wobei das Versperrungsverhältnis als das Verhältnis der Fläche der Durchbrüche 12 zur Gesamtfläche der Leitplatte 2 defi niert ist. Die Anströmkante 6 und Abströmkante 8 sind in Strömungsrichtung eines Strömungsmediums abgeknickt.

Fig. 2 zeigt eine andere Leitanordnung 14, die auch 5 trapezförmige Leitfahnen 16a-16e umfaßt die mittels jeweils zwei Tragrohren 18 an einer Innenwand eines Strömungskanals 24 befestigt sind. Die Leitfahnen 16a-16e verfügen jeweils über eigene Anströmkanten 20 und Abströmkanten 22. Das Versperrungsverhältnis die ser Leitplatte 14 beträgt etwa 60%. Die Plattenebene der Leitanordnung 2, 14 ist in den Fig. 1 und 2 die Darstellungsebene. Die An- und Abströmkanten 20, 22 der Leitfahnen 16a-16e sind im Ausführungsbeispiel in Strömungsrichtung abgeknickt.

Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung einen Ausschnitt aus einem Rauchgaska nal 24 einer nicht weiter dargestellten Verbrennungsanlage. In dem Rauchgaskanal 24 ist eine Knickstelle 26 und eine 90°-Umlenkung 28 erkennbar. Die 90°-Umlen kung 28 eines stark mit Staub und Stickoxiden beladenen Rauchgases 30 wird mit tels in der 90°-Umlenkung 28 eingebauten Leitschaufeln 32 unterstützt.

Im Bereich der Knickstelle 26 ist die aus der Fig. 1 bekannte Leitplatte 2 auf Sockeln 34 in den Rauchgaskanal 24 eingebaut. Die durchgezogene Linie der Leit platte 2 ist dabei die Kante 4a des metallischen Rahmens 4 der Fig. 1. Die Ebene 36 der Leitplatte 2 ist annähernd parallel zu der Richtung ausgerichtet, die das Rauchgas 30 in Strömungsrichtung desselben nach der Knickstelle 26 aufweist. Ebenso ist die Ebene 36 der Leitplatte 2 angenähert in Richtung der Schwerkraft ausgerichtet wodurch eine Ablagerung des im Rauchgas 30 befindlichen Staubes auf der Leitplatte 2 weitgehendst vermieden wird. Im Bereich der Knickstelle 26 ist außerdem eine Ammoniakeindüsvorrichtung 38 eingebaut, mittels der dem Rauch gas 30 Ammoniak zugeführt werden kann, welcher nachfolgend in einer hier nicht weiter dargestellten DeNO_x-Anlage zur katalytischen Umsetzung der Stickoxide verwendet wird. Im Bereich des Rauchgaskanals 24 vor der Leitplatte 2 mündet ein Bypasskanal 40 in den Rauchgaskanal 24. Über den Bypasskanal 40 strömt im Aus führungsbeispiel ein zuvor von dem üblichen Rauchgas 30 abgezweigter Teil 42 des Rauchgases. Der durch den Bypasskanal 40 strömende Teil 42 kann beispielsweise erheblich heißer als das in den Rauchgaskanal 24 strömende Rauchgas 30 sein, weil dessen Wärmeinhalt zuvor in einem hier nicht weiter dargestellten Abhitzekessel zumindest teilweise zur Dampferzeugung genutzt worden ist.

Beim Betrieb der hier nicht weiter dargestellten Verbrennungsanlage erfüllt die im Bereich der Knickstelle 26 eingebaute Leitplatte 2 drei Funktionen gleichzeitig. Zunächst bewirkt die Leitplatte 2 entsprechend der Ausrichtung ihrer Leitfahnen 10a-10e eine Umlenkung des Rauchgases 30 in die Strömungsrichtung des Rauch gases 30 nach der Knickstelle 26. Dabei wird das mittels der Leitfahnen 10a-10e abgelenkte Rauchgas um die Strömungsflanken der Leitfahnen 10a-10e auf turbu lente Strömungsbahnen umgelenkt, wodurch eine Vermischung des heißen Teils 42 und des übrigen Teils des Rauchgases 30 erreicht wird. Ferner sorgen die mittels der Leitplatte 2 induzieren turbulenten Strömungen dafür, daß das unmittelbar im Bereich der Knickstelle 26 eingedüste Ammoniakgas homogen mit dem übrigen Rauchgas 30 vermischt wird.

Der Druckabfall, der durch die im Winkel zur Hauptströmungsrichtung aufgestellte Leitplatte 2 verursacht wird, beträgt nur etwa 1,0 mbar. Dieser geringe und daher weitgehend vernachlässigbare Druckabfall ist deshalb so niedrig, weil im Ausfüh rungsbeispiel nur fünf Leitfahnen 10a-10e in Strömungsrichtung des Rauchgases 30 aufgestellt sind. Im allgemeinen ist eine Anzahl von 4-10 Leitfahnen pro Leit platte 2 sinnvoll. Mit einer solchen Aufteilung ergibt sich wie schon dargestellt, der vernachlässigbare Druckabfall sowie eine hinreichend gute Vermischung und Um lenkung des Rauchgases 30 im Bereich nach der Knickstelle 26.

Ähnlich wie die in Fig. 1 dargestellte Leitplatte 2 hätte auch die in Fig. 2 darge stellte Leitanordnung 14 an dieser Stelle auf den Sockeln 34 montiert in den Strö mungskanal 24 eingebaut werden können. Ebenso kann die Form der Leitfahnen 10a-10e auch rechteckig, dreieckig halbkreisförmig oder halbelliptisch sein.

Claims

1. Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung für ein Strömungsmedium (30) mit einer Leitanordnung (2, 14) und einem an einer Knickstelle (26) abgeknickten Strömungskanal (24) zur Ablenkung des Strömungsmediums (30) aus einer Haupt strömungsrichtung, wobei die Leitanordnung (2, 14) im Bereich der Knickstelle (26) im Strömungskanal (24) angeordnet ist, die Ebene (36) der Leitanordnung (2, 14) annähernd parallel zu der Richtung, die der Strömungskanal (24) in Strömungs richtung des Strömungsmediums (30) nach der Knickstelle (26) hat, ausgerichtet ist und die Leitanordnung (2, 14) über den Querschnitt des Strömungskanals (24) gleichmäßig verteilte Durchbrüche (12) aufweist.

2. Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Versperrungsverhältnis etwa 0,35 bis 0,65 be trägt wobei das Versperrungsverhältnis als das Verhältnis der Fläche der Durchbrü che (12) zur Gesamtfläche der Leitanordnung (2, 14) definiert ist.

3. Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Versperrungsverhältnis etwa 0,5 beträgt.

4. Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Leitanordnung (2, 14) mehrere gleichmäßig beabstandete, untereinander im wesentlichen parallele Leitfahnen (10a bis 10e, 16a bis 16e) umfaßt.

5. Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfahnen (10a-10e, 16a-16e) trapezförmig sind und abwechselnd mit der schmalen oder der breiten Kante zur Strömung (30) des Strömungsmediums ausgerichtet sind.

6. Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, da durch gekennzeichnet, daß im Strömungskanal (24) vier bis zehn Leit fahnen (10a bis 10e, 16a bis 16e) angeordnet sind.

7. Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Orientierung, bei der die Ebene (36) der Leitanordnung (2, 14) angenähert in Richtung der Schwerkraft ausgerichtet ist.

8. Kombinierte Leit- und Umlenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Strömungs mediums (30) hinter der Leitanordnung (2, 14) eine Zugabestelle (38) für ein weite res Strömungsmedium vorgesehen ist.

9. Kombinierte Misch- und Umlenkeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung des Strömungs mediums (30) vor der Leitanordnung (2, 14) ein heißerer Teil (42) des Strömungs mediums (30) mit einem kälteren Teil des Strömungsmediums (30) zusammenge führt ist.