DE3702830C1 - Demister for separating off droplets from a gas flow - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Tropfenabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus einer Gasströmung, wobei mittels Profilen mit Umlenkungen versehene Strömungskanäle gebildet sind, an deren Wänden die Tropfen abgeschieden sind.

Bei einem bekannten Tropfenabscheider dieser Art (WO 80/01 046) ist im wesentlichen nur eine abscheidewirksame Umlenkung zwischen geneigten Ein- und Austrittsabschnitten angeordnet. Vor und nach der abscheidewirksamen Umlenkung ist der Strömungskanal jeweils so erweitert, daß Strömungsablösungen mit nachfolgenden Totwasserge­ bieten und Übergeschwindigkeitsbereichen der Strömung sich gewollt ergeben. Dies führt zu hohen Druckver­ lusten.

Um solche Druckverluste zu vermindern, ist gemäß einem anderen Vorschlag (DE-PS 33 30 533, EP-OS 01 37 956) vorgesehen, vor der ersten Umlenkung einer Gasbeschleunigungsstrecke eine Tropfenbeschleuni­ gungsstrecke vorzuschalten, wobei die Tropfenbe­ schleunigungsstrecke durch eine dicke Profilgestaltung vor der ersten Umlenkung erzielt ist. Bei einer Ausführung ist das Profil nach der letzten abscheide­ wirksamen Umlenkung verdickt.

Bei einem anderen bekannten Tropfenabscheider (CH-PS 5 61 076) könnte die Darstellung einer Zeichnung (Fig. 3) eine Verjüngung des Kanalquerschnittes über mehrere Umlenkungen hinweg vermuten lassen. Diese Verjüngung ist nicht stetig, weil der Kanalquer­ schnitt jeweils an den Umlenkungen Maximalwerte annimmt. Der Beschreibung ist keinerlei Hinweis bezüglich einer Verjüngung zu entnehmen. Ein Vergleich mit den übrigen Ausführungsbeispielen der CH-PS führt zu dem Ergebnis, daß wohl eine Zeichenungenauig­ keit für die verjüngte Darstellung des Kanals in Fig. 3 die Ursache ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Tropfenabscheider der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß er bei hoher Abscheideleistung kleine Druckverluste unter Vermeidung von Ablöse­ erscheinungen aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Tropfenab­ scheider der eingangs beschriebenen Art erfindungs­ gemäß vorgesehen, daß der effektive Kanalquerschnitt zwischen benachbarten Profilen über mindestens zwei abscheidewirksame Umlenkungen hinweg zur gemein­ samen Beschleunigung von Gas und Tropfen stetig verjüngt ist. Vorteilhaft sind dabei die Umlenkungen so dimensioniert, daß Strömungsablösungen vermieden sind.

Bei dem Tropfenabscheider nach der Erfindung ist über zwei scharfe Umlenkungen hinweg eine gemeinsame Beschleunigung von Gas und Tropfen unter stetiger Verjüngung des Strömungskanals ohne die Gefahr von Ablösungen gewährleistet. Bei einer Gestaltung des Tropfenabscheiders wie beansprucht ist nicht nur das Strömungsfeld der Gasphase optimiert sondern zusätzlich das Verhalten der Tropfen beim Auftreffen auf die Abscheideoberfläche berücksichtigt. Bei zu flachem Auftreffwinkel können nämlich die Tropfen an der benetzten Abscheideoberfläche reflektiert und nachfolgend von der Gasströmung ausgetragen werden. Dies ist bei einer Gestaltung gemäß der Erfindung vermieden, ohne daß dafür den Druckverlust erhöhende Strömungsablösungen in Kauf genommen werden müssen.

Der Tropfenabscheider nach der Erfindung läßt sich durch Verwirklichung der Merkmale der Unteransprüche weiter optimieren.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt in einer Seitenansicht bzw. im Querschnitt insgesamt vier Profile 1 eines Tropfenabscheiders, wie sie in der Praxis in einer großen Anzahl parallel zueinander angeordnet sind. Dabei sind im Austrittsbereich des rechts außen dargestellten Profiles drei alternative Ausführungen dargestellt.

Das links davon gezeigte Profil ist zur Darstellung der Tatsache geschnitten, daß es sich um eine Voll­ profil handelt. Statt dessen könnten die Profile auch als Hohlprofile ausgestaltet sein. Zwischen diesem Profil und dem Profil rechts außen sind gestrichelt Stromlinien der Gasströmung und durchge­ zogen Tropfenbahnen dargestellt. Auf den Profil­ wänden ist abgeschiedene Flüssigkeit dargestellt, die zu den nasenförmigen Eintrittsenden 12 der Profile in der Zeichnung gesehen nach unten entgegen der durch Pfeile angedeuteten Gasströmungsrichtung wellenförmig zurückströmen.

Zwischen den beiden mittleren Profilen 1 sind insge­ samt vierzehn Kreise eingezeichnet, welche die stetige Verjüngung der zwischen den Profilen ge­ bildeten Strömungskanäle über zwei scharfe Umlenkungen hinweg andeuten. Diese Kreise sind in Strömungs­ richtung zunehmend mit dem Bezugszahlen 100 bis 113 numeriert. Der Strömungskanal läßt sich in insgesamt fünf Abschnitte A, B, C, D, E unterteilen. Die Länge dieser einzelnen Abschnitte sind mit a ₁, a ₂, b ₁, b ₂, c ₁, c ₂, d ₁, d ₂ und e ₁ und e ₂ bezeichnet, wobei der Index 1 jeweils die linke Profilseite und der Index 2 die rechte Profilseite in der Zeich­ nung meint.

Der Kanalabschnitt A hat einen Eintrittswinkel, der sich mit dem Anströmwinkel (s. Hohlpfeile in der Figur) deckt und ist sanft aus dieser Anström­ richtung heraus bis zu einem Winkel α gekrümmt. Der Abschnitt B, der mit der ersten scharfen Umlenkung mit den Krümmungsradien r _{B 1}, r _{B 2} beginnt, ist gegenüber der Abströmrichtung des Kanalabschnittes A um einen Winkel β geneigt. Der Kanalabschnitt B hat eine im wesentlichen geradlinige Achse. Der Kanalabschnitt B verjüngt sich weiter stetig (Kreise 105 bis 108) bis zur zweiten scharfen Umlenkung, welche den um den Winkel γ abgewinkelten Kanalabschnitt C darstellt. In diesem Kanalabschnitt C setzt sich die Verjüngung bis etwa zum Kreis 110 fort.

Danach erweitert sich der Kanal in einen Diffusorab­ schnitt D (Kreise 111 bis 113), worauf ein sich plötzlich erweiternder Abschnitt E, - ein "Stoßdiffusor" -, bei der in den drei linken Profilhälften gezeigten Ausführung anschließt.

Dieser Abschnitt E entfällt bei einer Abwandlung, bei welcher das Profilende gemäß Bezugszeichen 10 beim rechts außen dargestellten Profil geradlinig abgeschnitten ist. Bei einer anderen Variante gemäß Bezugszeichen 11 ist der Diffusorabschnitt D noch verkürzt und erweitert sich zu einem schräg abgeschnit­ tenen Stoßdiffusor. Hierdurch werden Querschnittslänge und damit Herstellmaterial und -kosten eingespart, ohne die Wirkung entscheidend zu verschlechtern.

Die mit dem Bezugszeichen 12 bezeichneten Eintritts­ nasen der Profile sind sanft abgerundet. Bei vertikalem oder geneigten Einbau kann die abgeschiedene Flüssig­ keit nach Zurückströmen auf den Profilwänden von diesen Eintrittsnasen abtropfen.

Das dargestellte Profil läßt sich anschaulich mit einem von der Seite gesehenen kopflosen menschlichen Körper vergleichen, dessen Kniee und Hüftpartie leicht eingewinkelt sind. Dieser Vergleich ist auch hinsichtlich der Profildicke angebracht, die beim gezeigten Beispiel im "Beinbereich" viel geringer als im "Bauch- und Oberkörperbereich" (Kanalabschnitte C, D) ist. Je nach Umlenkwinkel ist jedoch die Profildicke veränderlich. Wird der Winkel α größer, so nimmt die Profildicke in der Umlenkung zu; die Grundkonfiguration bleibt jedoch gleich.

Bevorzugte Bereiche für die angegebenen Maße sind im folgenden aufgelistet:

t ≃ 2 mm-60 mm
a ₁ ≃ a ₂ ≃ 1 t-3 t
b ₁ ≃ b ₂ ≃ 1 t-4 t
c ₁ ≃ c ₂ ≃ 1 t-2 t
d ₁ ≃ d ₂ ≃ 1 t-3 t
e ₁ ≃ e ₂ ≃ 0 t-2 t
h _A ≃ 0,3 t-0,6 t
h _max ≃ 0,25-0,7 t
r _N ≃ 0,1 t
r _{A 1} ≃ r _{A 2} ≃ 1 t-4 t
r _{B 1} ≃ r _{B 2} ≃ 0,3 t-1 t
r _{C 1} ≃ 0,3 t-0,8 t
r _{C 2} ≃ 0,2 t-0,6 t
r _{D 1} ≃ r _{D 2} ≃ 1,5 t-5 t
α ≃ 10°-35°
β ≃ 45°-80°
γ ≃ 45°-90°
δ ≃ 15°-45°
s _m ≃ 0,15 t-0,6 t

darin bedeuten h _A die Dicke der Austrittskante bei der mit der Bezugszahl 10 gezeichneten Variante und h _max die maximale Profildicke, die etwa in der Mitte der letzten scharfen Umlenkung C vorhanden ist. r _N ist der Radius der Nase und s _m die minimale Spaltweite zwischen zwei benachbarten Profilen (etwa im Bereich der Kreise 109, 110). Mit Ausnahme der Winkelmaße sind sämtliche Maße auf die Teilung t (Mittenabstand der Profilnasen zweier benachbarter Profile) bezogen.

Im folgenden ist die Funktion beschrieben. Im Kanal­ abschnitt A steigt die Strömungsgeschwindigkeit der Gasphase geringfügig an, wobei die Strömung um einen Winkel α zwischen 10° und 35° von der Anströmrichtung (Hohlpfeile) abgelenkt wird. Ein kleiner Anteil der von der Gasströmung mitgeführten Tropfen gelangt bereits auf den Wandabschnitt a ₁. Diese Tropfen werden allerdings teilweise reflektiert und schließlich auf dem Wandabschnitt b ₂ abgeschieden, wie dies zwischen den beiden rechts dargestellten Profilen durchgezogen gezeigt ist. Im Kanalabschnitt B, der mit der ersten scharfen Umlenkung mit einem Umlenkwinkel β zwischen 45° und 80° beginnt, wird der Kanalquerschnitt weiter stetig verringert. Folglich steigt die Strömungsgeschwindigkeit der Gasphase weiter an, so daß eine Strömungsablösung nicht auftritt. Im Wandabschnitt b ₂ werden die meisten Tropfen eingefangen. Beim Aufschlag eines Tropfens auf die benetzte Wand können jedoch auch kleine Sekundärtropfen produziert werden, die von der Gasströmung weiter mitgeführt werden. Um auch solche Tropfen abzuscheiden ist die weitere scharfe Umlenkung C mit einem Umlenkwinkel q zwischen 45° und 90° vorgesehen. Der Strömungskanal verjüngt sich in der zweiten scharfen Umlenkung C stetig weiter, so daß die mittlere Strömungsgeschwindigkeit stetig weiter ansteigt. So wird auch in und nach der zweiten scharfen Umlenkung eine Strömungsablösung wiederum vermieden. Die verbliebenen kleinen Tropfen werden aus dem Kanalabschnitt C an dem Wandabschnitt c ₁ abgeschieden. Der nachfolgende schwach divergierende Diffusor-Kanalabschnitt D ist leicht in Richtung zur Eintrittsströmungsrichtung unter Umlenkwinkel δ zwischen 15° und 50° zurückgekrümmt. Der effektive Öffnungswinkel dieses Diffusor-Kanalabschnittes beträgt 3° bis 10°. Hier wird die Strömung erstmals verzögert, so daß der Druck wieder ansteigt und kinetische Energie zurückgewonnen wird. Ausgehend von der größten Dicke h _max an der zweiten scharfen Umlenkung nimmt die Profildicke h zunächst stetig und schließlich sprunghaft ab.

Bei der mit dem Bezugszeichen 9 bezeichneten Ge­ staltung ist die Hinterkante zugespitzt ausgeführt. Tropfen die auf den Tropfenabscheider zurückfallen, - solche Tropfen könnten sich beispielsweise oberhalb des Tropfenabscheiders von einer Kaminwand oder dgl. abgelöst haben -, würden auf einer planen Hinterkante (vgl. Bezugszahl 10) zum Teil zerplatzen. Die dabei gebildeten "Bruchstücke" der Tropfen sind teilweise so klein, daß sie von der Gasströmung ausgetragen werden. Auf den schrägen Flanken e ₁, e ₂ der zugespitzten Hinterkante 9 werden die zurück­ fallenden Tropfen eher eingefangen bzw. wie von kleinen Sprungschanzen auf benachbarte Wandabschnitte gelenkt und dort eingefangen.

In den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung ist unter dem "effektiven Kanalquerschnitt" der geometrische Kanalquerschnitt abzüglich der Ver­ drängungsdicke der Strömungsgrenzschicht verstanden. Durch die Verdrängungswirkung der Strömungsgrenzschicht würde auch bei geometrisch konstantem Kanalquerschnitt die Geschwindigkeit in Kanalmitte der Strömungsrichtung weiter ansteigen.

Der beschriebene Tropfenabscheider läßt sich generell dort einsetzen, wo aus einer Zweiphasenströmung (Gas, Flüssigkeit) die Tropfen abgeschieden werden sollen. Ein repräsentativer Anwendungsfall ist ein Naßkühlturm.

Bevorzugt wird ein Tropfenabscheider bei diesem und in anderen Anwendungsfällen so eingebaut, daß die Profilnasen unten sind. Mit anderen Worten sollte die Einbauebene so liegen, daß abgeschiedene Flüssigkeit unter Wirkung der Schwerkraft zum Ein­ tritt zurückströmen kann, d. h. mindestens mit einer vertikalen Komponente.

Claims (9)

1. Tropfenabscheider zum Abscheiden von Tropfen aus einer Gasströmung, wobei mittels Profilen mit Umlenkungen versehene Strömungskanäle ge­ bildet sind, an deren Wänden die Tropfen abge­ schieden werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der effektive Kanalquerschnitt zwischen benachbarten Profilen (1) über mindestens zwei abscheidewirksame Umlenkungen (B, C) hinweg zur gemeinsamen Beschleunigung von Gas und Tropfen stetig verjüngt ist.

2. Tropfenabscheider nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an die letzte ab­ scheidewirksame Umlenkung ein Diffusor anschließt.

3. Tropfenabscheider nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusor einen sich stetig erweiternden Kanalquerschnitt und/oder einen Stoßdiffusor aufweist.

4. Tropfenabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilquerschnitt nach der letzten Umlenkung nicht zunimmt oder abnimmt.

5. Tropfenabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen zwei Profilen gebildete Strömungskanal einen ersten, aus der Anströmrichtung sanft herausgekrümmten Eintritts-Kanalabschnitt (A) aufweist, daß der Kanal anschließend an eine erste scharfe Umlenkung einen zweiten, im wesent­ lichen geradlinigen Kanalquerschnitt (B) mit sich weiter verjüngendem Kanalquerschnitt aufweist, und daß der Kanal anschließend einen dritten Kanalabschnitt in Form einer zweiten scharfen Umlenkung (C) aufweist, in dem sich der Kanalquer­ schnitt zunächst über die Umlenkung hinweg bis auf ein Minimum verjüngt und dann in einen Diffu­ sor-Kanalabschnitt (D) übergeht.

6. Tropfenabscheider nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Längen (a, b, c, d) der genannten Kanalabschnitte (A, B, C, D) sich wie folgt zum Eintrittsabstand (Teilung t) der Profile verhalten: t < a 3 t
t < b 4 t
t < c 2 t
t < d 3 t.

7. Tropenabscheider nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel (α, β, γ, δ), welche die genannten Kanalschnitte (A, B, C, D) mit der Anströmrichtung, der Abström­ richtung bzw. untereinander bilden, wie folgt dimensioniert sind: 10° < α < 35°
45° < β < 80°
45° < γ < 90°
15° < δ < 45°

8. Tropfenabscheider nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsradien (r _A , r _B , r _C , r _D ) im Eintrittskanalabschnitt (A), an den scharfen Umlenkungen (je zu Beginn von B, C) und im Diffusor-Kanalabschnitt (D) wie folgt dimensioniert sind: t < r _A 4,0 t
0,3 t < r _B t
0,2 t < r _C 0,8 t
1,5 t < r _D 5,0 t

9. Tropfenabscheider nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenradius (r _{C 1}) auf der konkaven Profilseite der zweiten scharfen Umlenkung 0,3 t < r _{C 1} 0,8 tund der Außenradius (r _{C 2}) auf der konvexen Profil­ seite der zweiten scharfen Umlenkung0,2 t < r _{C 2} 0,6 tbetragen.