CH653908A5

CH653908A5 - Rieselkoerper fuer stoff- und waermeaustausch.

Info

Publication number: CH653908A5
Application number: CH760880A
Authority: CH
Inventors: Jan Grochol
Original assignee: Jan Grochol
Priority date: 1980-10-13
Filing date: 1980-10-13
Publication date: 1986-01-31
Also published as: DE3140640A1; DE3140640C2

Description

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung von Rieselkörpern mit drei unterschiedlichen Höhen der Faltungen,

Fig. 2 einen perspektivisch dargestellten Ausschnitt erfin-dungsgemässer Ausführung nach Fig. 1, Schnitt I-I B, und

Fig. 3 einen perspektivisch dargestellten Ausschnitt einer abgewandelten Ausführungsform gemäss Fig. 2 mit horizontalen Zwischenschichten.

Im Aufriss der Fig. 1 sehen die drei Rieselkörper gleich aus; der Neigungswinkel a der Faltungen zur Achse ist hier 30° und die Abstände zwischen gleichsinnigen Faltungen (Basislänge b0) sind ebenso gleich.

Im vertikalen Querschnitt D-D ist die erfindungsgemässe Struktur dadurch charakterisiert, dass die Schnittlinien der Faltungen mit der Vertikalen denselben Winkel - hier 30° -einschliessen wie die Faltungen im Aufriss. Bei den beiden Alternativstrukturen ist dieser Winkel jeweils 1°30' grösser oder kleiner. In den Schnitten I-I ABC sind nun jeweils Falllinien F8 von der Mitte 0 eingezeichnet (im Zickzack verlaufende Linien mit Pfeilen). Wie man sieht, führt die Abweichung der Faltenhöhen hj bzw. h2 vom Wert h zu einer Störung der Periodizität der Fallinien gegenüber der Periodizität der Struktur. Die Übereinstimmung der Periodizität von Fallstrassen und Struktur ist also nur gegeben wenn aufgrund der obigen Winkel-Gleichheit (dieser Winkel kann im übrigen grösser oder kleiner als 30° sein) die Struktur im horizontalen Schnitt durch die Berührungspunkte einen quadratischen Linienraster darstellt, der gegen die Faltenebenen f, P, f" unter 45° geneigt ist. Das besondere Merkmal dieser Struktur ist also, dass alle Verbindungen benachbarter Berührungspunkte von Faltungen Fahimen sind, die ein lük-kenlöses symmetrisches Netz bilden. Die in Fig. 1 gewählten Winkelabweichungen von 1°30' der Strukturen A und C von der erfindungsgemäss optimalen B kann als Abweichung oder Fehler bezeichnet werden. Dieser ist bei A und C jedenfalls so gross, dass die erzielte Durchmischung weit weg vom Optimum ist.

Bei allen untersuchten Marktprodukten wurden keine kleineren Abweichungen von der erfindungsgemässen Winkelgleichheit als 1°30' festgestellt. Dies ist verständlich, weil es ohne Kenntnis der massgebenden Zusammenhänge unwahrscheinlich ist, rein experimentell näher an die optimale Konfiguration heranzukommen. Im einzelnen kann man die Auswirkung solcher Abweichungen auf das Fliessen etwa so beschreiben:

Wenn der Schnitt-Winkel der Faltungen im vertikalen Querschnitt kleiner ist als der Neigungswinkel der Faltungen zur Vertikalen, wie z.B. 28,5 in Fig. 1, Schnitt I-IA, dann kommt die Fallirne aus dem Mittelpunkt 0 vor die nächsten Berührungspunkte 0'l5 0"2 mit den nächsten benachbarten Schichten. Dementsprechende Verminderung der Faltenhöhe hj gegenüber der erfindungsgemässen h in Fig. 1 bedeutet eine Vergrösserung des Winkels der Fallrichtung zur horizontalen Längsrichtung, eine Vergrösserung der Geschwin2

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digkeit der Strömung nach unten, Erhöhung der Frequenz der Umlenkungen an den Faltungen in Seitenrichtung und Verlangsamung der Seitenströmung. Der Vermischungseffekt sowie die Leistung wird dadurch vermindert. Weiterhin wird die Leistung durch kaskadenartiges Fliessen, durch Bildung von Schaum und ungeordneten Bächen beeinträchtigt.

Eine Vergrösserung der Faltenhöhe h2 gegenüber h in Fig. 1 bedeutet, dass hier (Fig. 1,1-IC) der Strom aus der Mitte 0 schneller an die Wände der Kolonne kommt als bei der erfindungsgemässen Anordnung. Die Möglichkeiten zur Bildung von Schaum, Kaskaden und ungeordneten Bächen sind dadurch wesentlich geringer als beim Beispiel I-IA und das Fliessen verläuft in ganz anderer Art. Durch Verminderung des Winkels der Strömungsrichtung gegenüber den erfindungsgemässen 45°, d.h. durch Vergrösserung der Höhe h funktionieren die Faltungen selbst als Rinnen. Es ist günstiger, wenn die Flüssigkeit in geordneten Rinnen in Seitenrichtung strömt als wenn sie in ungeordneten Bächen fällt. Unter der Voraussetzung, dass die Flüssigkeit als gleichmässiger Film fliesst und dass die Schichten durchlässig sind, ist der Vermischungseffekt quer durch die Schichten bei I-IC schlechter als bei I-IA, da die Umlenkungsfrequenz der Strömung an den Faltungen niedriger ist und der Druck der Flüssigkeit an den Kontaktstellen gegen die benachbarten Schichten kleiner ist.

Rieselkörper nach Variante C in Fig. 1 werden am meisten fabriziert. Die rinnsalartige Seitenströmung wird dabei dadurch gemildert, dass die Rieselkörper als niedrige Ein-bauelemente zusammengestellt und mit abwechselnd gerichteten Schichten um 90° gedreht aufeinandergelegt werden. Auf diese Weise werden die Rinnsale unterbrochen, zerschlagen, umgelenkt, wieder formiert, usw. Auf diese Weise kann aber das Fliessen nicht wesentlich erhöht werden.

Die erfindungsgemässe Anordnung stellt nicht einen Übergang zwischen den zwei betrachteten unterschiedlich schlechten Arten des Fliessens dar. Die erfindungsgemässe Struktur, und nur sie, ermöglicht das perfekt gleichmässige Fliessen an der gesamten Oberfläche des Rieselkörpers und

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ist deshalb erheblich besser als jede Abweichung davon. Durch die vollkommene Übereinstimmung des Netzes der Fallinien mit der Struktur des Rieselkörpers (Fig. 1,1-IB) wird nicht nur der maximale mögliche Vermischungseffekt erzielt; die Struktur bietet auch den minimal möglichen Raum für das Entstehen von Fluktuationen, wie Rinnsalen und Wellen, bzw. reduziert deren Lebensdauer auf ein Minimum und ermöglicht deshalb eine maximal gleichmässige Belastung mit der Flüssigkeit.

Die Zeichnung zeigt deutlich, dass nach der erfindungsgemässen Ausführung die Faltungen keine Weljungen sind. Die Schichten sollen als ebene Flächen mit minimalem Krümmungsradius der Faltungen ausgebildet sein, um Gleichmässigkeit des Fliessens zu erreichen.

Der in der Fig. 3 dargestellte Rieselkörper besteht aus denselben schräg gefalteten Schichten wie derjenige in Fig. 2, die aber durch längsgefaltete Zwischenschichten getrennt sind. Der Zweck dieser Massnahme ist eine Erhöhung der Oberfläche und dadurch der Leistung. Ein weiterer Vorteil einer derartigen Zusammenstellung besteht darin, dass bei beschränkter Durchlässigkeit die Flüssigkeit in Querrichtung befördert wird. Um die Gleichmässigkeit des Fliessens zu erhalten, ist die Neigung der längsgerichteten Faltungen gleich der Neigung der Fallinien der schrägen Faltungen. Die Höhe h' der längsgerichteten Faltungen Fh ist kleiner -sie beträgt etwa ein Drittel der Höhe h der schräggerichteten Faltungen Fs. Daher ist die Fläche der längsgefalteten Schichten kleiner. Diese Massnahmen dienen zur Erhaltung des geringen Druckabfalls in der Gasphase und zur Behinderung von Stauungen der viskosen Flüssigkeiten.

Die Herstellung der erfindungsgemässen Rieselkörper ist nicht auf eine bestimmte Art von Werkstoffen beschränkt. Vorzugsweise werden jedoch Werkstoffe angewendet, die sich zu dünnen durchlässigen Schichten genau falten lassen und Formstabilität aufweisen. Vorzugsweise werden die gefalteten Schichten zum Rieselkörper durch Kleben, Sintern, usw., fest verbunden.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

653 908 PATENTANSPRÜCHE

1. Rieselkörper für Stoff- und Wärmeaustausch zwischen flüssigen und gasförmigen Medien, der aus regelmässig zick-zackförmig gefalteten Schichten so zusammengefügt ist, dass die Faltungen benachbarter Schichten einander in parallelen vertikalen Berührungsebenen (f, P, f') kreuzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltungen mindestens eines Teils der Schichten geneigt sind, wobei die Neigung (a) der Faltungen in bezug auf eine rechtwinklig zur Berührungsebene verlaufende vertikale Schnittebene (D-D) gleich der Neigung (y) der Schnittlinien dieser Schichten mit der Schnittebene (D-D) in bezug auf die Berührungsebenen (f, P, f") ist, so dass die Schnittlinien dieser Schichten mit einer horizontalen Ebene (I-I) und damit auch die Fahimen (Fl) zu den Berührungsebenen einen Winkel von 45° aufweisen.

2. Rieselkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schichten (Fs) mit geneigten Faltungen Zwischenschichten (Fh) mit horizontal gerichteten Faltungen eingegliedert sind, deren Höhe (h') und damit auch deren Fläche kleiner ist als die Höhe (h) bzw. Fläche der Schichten (Fs) mit geneigten Faltungen, und dass die Neigung der Fahimen beider Schichten gleich ist (Fig. 3).

3. Rieselkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Faltungen aller Schichten geneigt sind (Fig. 1 und 2).

Die im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Rieselkörper für den Austausch zwischen flüssigen und gasförmigen Phasen werden seit mehreren Jahrzehnten als Einbauten oder Packungen für Befeuchtungsanlagen, Kühltürme, Rektifizierkolonnen, Absorptionsanlagen, usw., in industriellem Massstab hergestellt. Für die Herstellung werden Folien und Gewebe aus diversen Werkstoffen, wie imprägniertes Papier, Asbest, Kunststoff, Metall, usw., die sich falten lassen, angewendet. Die Vorteile dieser Einbauten, z.B. hohe Trennleistung, niedriger Druckabfall, werden meistens aus dem Vergleich mit ungeordneten Schüttungen oder Füllungen, verschiedenen Arten von Ringen, Spiralen, Sättel, hervorgehoben. Diese Vorteile sind durch die räumliche Regelmässigkeit der schrägen Faltungen oder Wellungen gegeben.

Die bisher bekannten Rieselkörper sind jedoch mit einem Grundfehler behaftet und funktionieren nur dann relativ gut, wenn für den jeweiligen Prozess die Bewegung der Gasphase primäre Bedeutung hat, wenn die Benetzung der Körper mit der flüssigen Phase sehr gut ist und wenn die Belastung des Rieselkörpers durch die Flüssigkeit klein ist. Wenn ein Prozess diesen Anforderungen nicht entspricht, dann ist die Leistung der Rieselkörper aus gefalteten Schichten entsprechend schlecht.

Die Verschlechterung der Leistung besteht darin, dass die Flüssigkeit am Rieselkörper nicht mehr als gleichmässi-ger Film fliesst, sondern in Gestalt von Adern, Rinnsalen oder Bächen. Deswegen werden bei den bekannten Rieselkörpern durch zahlreiche Massnahmen nur unwesentliche Verbesserungen erzielt. So werden z.B. die Einbauten in Abständen gelegt und dazwischen aufwendige Flüssigkeitsverteiler installiert um die Flüssigkeit zu vermischen und wieder gleichmässig über den gesamten Querschnitt der Kolonne zu verteilen. Um die Bildung von Rinnsalen zu verringern, wird die Oberfläche durch Aufkleben von körnigen Pulvern oder durch Prägen aufgerauht. Derartige Massnahmen sind jedoch mit ungünstigen Nebenwirkungen, wie Verzögerung des Fliessens oder Erhöhung des Druckabfalls, verbunden. Um die gebildeten Rinnsale zu zerstreuen, werden zahlreiche Rieselkörper auch mit gestanzten Löchern versehen.

Die Nachteile der bisher bekannten Rieselkörper werden weiter bei der Beschreibung der erfindungsgemässen Anordnung verdeutlicht. Es ist bekannt, dass die Grösse der Leistung direkt der Grösse des Vermischungsgrades entspricht. Mit steigendem Vermischungsgrad wird die Bildung von Rinnsalen vermieden oder deren Lebensdauer verringert.

Die erfindungsgemäss gestalteten Rieselkörper zeichnen sich gegenüber den bisher verwendeten dadurch aus, dass die maximale Durchmischung und damit die maximale Leistung lediglich durch die optimale geometrische Anordnung der Faltungen gemäss Anspruch 1 erreicht wird.