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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verteilen eines strömenden Flüssigkeits-Gas-Gemisches
in mehrere Teilströme
mit vorgebbaren Verhältnissen
von Flüssigkeits-zu-Gasmassenstrom,
bestehend aus einem als geschlossener Behälter ausgebildeten Abscheider,
in den eine zur Behälterachse koaxiale
Zuführleitung
für das
Gemisch mündet,
und in den sich mehrere zur Behälterachse
parallele Abführleitungen
für die
Teilströme
erstrecken, wobei die Zuführ-
und die Abführleitungen
in einer Höhe
oberhalb des Flüssigkeitsspiegels
im Abscheider enden und in den Abführleitungen sowohl oberhalb
als auch unterhalb des Flüssigkeitsspiegels
Durchtrittsöffnungen
vorhanden sind.
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Bei
vielen technischen Anlagen ist es erforderlich, ein strömendes Flüssigkeits-Gas-Gemisch
in mehrere Teilströme
zu unterteilen, die vorgebbare Verhältnisse von Flüssigkeits-zu-Gasmassenstrom aufweisen.
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In
der Praxis entstehen bei dieser Aufteilung jedoch erhebliche Schwierigkeiten,
da je nach Massenstrom und Gasgehalt des Gemisches und je nach den
Stoffeigenschaften der beiden Phasen die Zweiphasenströmung verschiedene
Strömungsformen, zum
Beispiel eine ebene oder wellige Strömungsform, annimmt und demgemäß die beiden
Phasen über
den jeweiligen Strömungsquerschnitt
nicht gleichmäßig verteilt
sind.
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Eine
weitere Schwierigkeit bei der Aufteilung eines Flüssigkeits-Gas-Gemisches
in mehrere insbesondere gleiche Teilströme resultiert daraus, dass
bei vielen Anwendungsfällen
die an die Teilstromleitungen angeschlossenen Verbraucher unterschiedliche Widerstände aufweisen
und diesem Sachver halt bei der Aufteilung des strömenden Flüssigkeits-Gas-Gemisches
nur schwer Rechnung getragen werden kann.
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Aus
der
DE-OS 24 60 214 ist
eine Vorrichtung zur Aufteilung eines strömenden Flüssigkeits-Gas-Gemisches in
mehrere Teilströme
bekannt, bei der das Flüssigkeits-Gas-Gemisch
tangential in einen Abscheider eingeleitet wird, der im oberen Bereich
mit Abführleitungen
für Gas-Teilströme und im
unteren Bereich mit Abführleitungen
für Flüssigkeits-Teilströme ausgestattet
ist. Diese Abführleitungen
sind außerhalb
des Abscheiders paarweise zusammengeführt. Mit einem solchen Abscheider
ist es aufgrund der sich stets einstellenden Strömungsturbulenzen nicht möglich, eine
ausreichende Genauigkeit und Konstanz bezüglich der einzelnen Teilströme zu gewährleisten.
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Aus
der
US-PS 2 063 380 ist
ein Kältemittelverteiler
bekannt, bei dem in einem zylindrischen Behälter deckenseitig und tangential
das Gemisch eingeleitet wird und mehrere Abführleitungen vorgesehen sind,
die deckenseitig in den Behälter
eintreten und sich bis in die Nähe
von dessen Boden erstrecken. Diese Rohrleitungen sind innerhalb
des Behälters
mit einer Reihe übereinander
liegender Öffnungen
versehen. Das freie Ende der Rohrleitungen ist abgeschrägt, so dass
durch diese Enden Flüssigkeit in
die Rohrleitungen eintreten kann, während das Gas über in den
Rohrleitungen ausgebildete, übereinander
liegende Öffnungen
eintreten soll. Auch bei dieser bekannten Anordnung ergeben sich
aufgrund der sich im Behälter
ausbildenden turbulenten Strömungen
häufig
undefinierte Aufteilungen des Flüssigkeits-Gas-Gemisches.
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Aus
der
DE-PS 27 31 279 ist
eine Vorrichtung der eingangs angegebenen Art bekannt, bei der eine
zur Deckenwand des Abscheiders beabstandete Zwischenwand vorgesehen
ist, welche den Abscheider in einen oberen und einen unteren Abschnitt unterteilt.
In der Zwischenwand ist eine Öffnung
für die
Zuführleitung
vorgesehen, über
die das Flüssigkeits-Gas-Gemisch
gegen die Deckenwand geleitet wird. In dem Bereich zwischen Deckenwand
und Zwischenwand beginnt die Trennung der flüssigen Phase von der festen
Phase, wobei die Flüssigkeit
und das Gas durch einen Ringspalt zwischen der Zwischenwand und
der Umfangswandung des Abscheiders nach unten gelangt und das Gas
in die unterhalb der Zwischenwand gelegenen Gasabführleitungen eintreten
kann, während
die Flüssigkeit
sich im unteren Bereich des Behältnisses
sammelt. Diese bekannte Vorrichtung hat sich in der Praxis insbesondere
als Kältemittelverteiler
bewährt
und erfüllt
die auf diesem Gebiet bestehenden Forderungen hinsichtlich der Genauigkeit
der Teilstrombildungen.
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Aus
der
DE 39 27 025 A1 ist
eine Vorrichtung zum Verteilen eines strömenden Flüssigkeits-Gas-Gemisches in
mehrere Teilströme
mit einem Abscheiderbehälter
bekannt, der zusätzlich
einen kugelförmigen
Sammel- und Beruhigungsraum aufweist. Über einen
sich an einen spaltförmigen Ausgang
anschließenden
ringförmigen
Strömungskanal
ist der Kugelraum mit dem Inneren des Abscheiderbehälters verbunden.
Eine von unten in den Abscheiderbehälter hineinragende Zuführleitung mündet in
den Kugelraum, während
mehrere Abführleitungen
in den Abscheiderbehälter
münden,
wobei die Mündungen
der Abführleitungen
im Bereich eines abgeschlossenen, waagerecht verlaufenden Abschnitts
des ringförmigen
Strömungskanals
angeordnet sind.
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Im
Bereich der Wandung des Abscheiderbehälters ist der Strömungskanal
senkrecht nach unten umgelenkt. Durch den Strömungskanal strömt das in den
Kugelraum eingeführte
Flüssigkeits-Gas-Gemisch
in den Abscheiderbehälter
ein, wobei das Gas nach dem Austritt aus dem Strömungskanal nach oben steigt
und in die Öffnungen
der Abführleitungen gelangt, während der
flüssige
Anteil des Gemisches nach unten in einen Flüssigkeitsbereich des Abscheiderbehälters geleitet
wird.
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Aus
der
US 2,196,858 ist
ein Verteiler für
ein Kältemittelgemisch
bekannt, bei dem das Gemisch durch eine von unten in einen Behälter ragende
Zuführleitung
in den Behälter
eingeführt
wird und durch nach oben aus dem Behälter ragende Abführleitungen
austreten kann. Der flüssige
Anteil des Gemisches sammelt sich in einem unteren Bereich des Behälters und
wird aufgrund des durch den gasförmigen
Anteil im Behälter
erzeugten Drucks nach oben in die Abführleitungen gedrückt. Im
Bereich der Mündungsöffnung der
Zuführleitung
ist eine Glocke angeordnet, die nur dazu dient, den flüssigen Anteil
des einströmenden
Flüssigkeits-Gas-Gemisches
nach unten zum Behälterboden
hin umzuleiten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs definierte Vorrichtung
weiter zu verbessern, und zwar insbesondere unter gleichzeitiger
Verringerung des fertigungstechnischen Aufwands und unter Verkleinerung
des für
eine bestimmte Leistung erforderlichen Bauvolumens.
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Gelöst wird
diese Aufgabe nach der Erfindung im wesentlichen dadurch, dass die
freien Enden der durch die Bodenwand des Abscheiders geführten Zuführleitung
und der dazu benachbart angeordneten Abführleitungen sich bis nahe an
die gekrümmt ausgebildete
Deckenwandung des Abscheiders erstrecken, wobei der Abstand zwischen
der Mündungsöffnung der
Zuführleitung
und der gekrümmten Deckenwandung
vorzugsweise geringer ist als der entsprechende Abstand der Mündungsöffnungen
der Abführleitungen.
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Die
Deckenwandung, gegen die das Flüssigkeits-Gas-Gemisch
mit hoher Geschwindigkeit geleitet wird, ist gekrümmt ausgebildet
und besitzt vor zugsweise die Form einer Kugelkalotte, wobei die
Zuführ-Rohrleitung
bezüglich
dieser Kalotte mittig angeordnet ist.
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Die
Abführleitungen,
deren freier Querschnitt geringer ist als der Querschnitt der Zuführleitung, sind
unmittelbar benachbart der Zuführleitung
angebracht und vorzugsweise symmetrisch bezüglich der Zuführleitung
positioniert.
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Der
Abstand zwischen der Austrittsöffnung der
Zuführleitung
und der gekrümmten
Deckenwandung beträgt
nur wenige Millimeter, und der Abstand der Öffnungen der Abführleitungen
von der gekrümmten
Deckenwandung ist ebenfalls sehr gering, jedoch im Regelfall geringfügig größer als
der entsprechende Abstand der Zuführleitung.
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Die
Abführleitungen
sind möglichst
dicht an der Zuführleitung
positioniert, so dass Kippbewegungen des Behälters im Bereich dieser Leitungen
zu keinen merkbaren Veränderungen
des Flüssigkeitspegels
und damit zu keinen Störungen
der Funktionsweise führen.
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Die
in den Abführleitungen
vorgesehenen Durchtrittsöffnungen,
die als schmale, längs
einer Mantellinie verlaufende Schlitze ausgebildet sind, befinden
sich bevorzugt innenseitig, das heißt unmittelbar dem Zuführrohr gegenüberliegend.
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Von
wesentlicher Bedeutung ist, dass durch die sehr kompakte Anordnung
der Rohre im Zentrum des Behältnisses
und den sehr geringen Abstand der jeweiligen Rohrenden zur gekrümmten Deckenwandung
sich ein Strömungsverhalten
einstellt, das dazu führt,
dass die flüssige
Phase längs
der gekrümmten Deckenwand
nach außen
strömt
und auf die Wandungen des Behältnisses
gelangt, während
die gasförmige
Phase über
die freien Enden in die Abführleitungen
eintritt. Es tritt in die Eintrittsöffnungen der Abführleitungen
keine Flüssigkeit
ein, die die angestrebte Verteilung stören könnte.
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Es
werden trotz dieses überaus
einfachen und kostengünstig
zu fertigenden Aufbaus ausgezeichnete Verteileigenschaften erzielt,
und zwar weitgehend unabhängig
von der Zahl der verwendeten Abführleitungen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben;
in der Zeichnung zeigt:
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1 eine
schematische Längsschnittansicht
mit zugehöriger
Querschnittsdarstellung einer ersten Ausführungsform, und
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2 eine
schematische Axialschnittdarstellung einer zweiten Ausführungsvariante
der Erfindung.
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1 zeigt
einen als Versuchs- oder Demonstrationsmodell ausgebildeten Behälter 1 mit
einer Bodenwand 2 und einer Deckenwand 3 und einer zylindrischen,
im gezeigten Demonstrationsmodell durchsichtig ausgebildeten Umfangswand 4.
Bei einer konkreten Ausgestaltung würde der Behälter 1 beispielsweise
aus einem zylindrischen Behälterteil 4 und
Boden- und Deckenwänden 2, 3 bestehen.
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Durch
die Bodenwand 2 des Behälters 1 erstreckt
sich zentrisch eine Gemisch-Zuführleitung 5, die
in einem geringen Abstand von der Deckenwand 3 mündet, wobei
dieser Abstand in Abhängigkeit
von der Größe des jeweiligen
Behälters
und der Zahl der darin untergebrachten Abführrohre 7 variieren
kann.
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Unmittelbar
benachbart der Gemisch-Zuführleitung
sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei
einander diametral gegenüberliegende
Abführrohre 7 vorgesehen,
die sich ebenfalls durch die Bodenwand 2 erstrecken und
mit gleichem Abstand zur Deckenwand 3 enden, wobei dieser
Abstand etwas größer ist
als der Abstand zwischen der Mündung 6 der
Gemisch-Zuführleitung
und der Deckenwand 3.
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Die
Abführrohre 7 sind
mit schlitzförmig
ausgebildeten, sich längs
einer Mantellinie des jeweiligen Rohres erstreckenden Durchtrittsöffnungen 8 versehen,
wobei diese Öffnungen 8 – entgegen
der zeichnerischen Darstellung – bevorzugt
unmittelbar gegenüberliegend
der Gemisch-Zuführleitung 5 angeordnet
sind.
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Der
Abstand 9 zwischen der Gemisch-Zuführleitung 5 und den
Abführleitungen 7 ist
möglichst gering
gewählt,
da auf diese Weise eventuelle Schrägstellungen des Behälters keine
störenden Auswirkungen
auf die Verteilungseigenschaften von Flüssigkeits- und Gasanteilen
in den Abführrohren 7 haben.
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Der
freie Strömungsquerschnitt
der Zuführleitung 5 ist
vorzugsweise etwas größer als
der freie Strömungsquerschnitt
der Abführleitung 7.
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Die
in der Zeichnung zu sehenden Maßangaben,
die Millimeter-Werten
entsprechen, machen deutlich, daß die Gesamtanordnung sehr
kompakt, das heißt
die Behältergröße vergleichsweise
klein ist.
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Die
Ausführungsvariante
nach 2 unterscheidet sich von der Variante nach 1 im
wesentlichen nur dadurch, daß anstelle
von zwei Abführrohren 7 vier
symmetrisch um das Zuführrohr 5 verteilte und
in dessen unmittelbarer Nachbarschaft angeordnete Abführrohre 7 vorgesehen
sind.
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Für die Funktion
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist von wesentlicher Bedeutung, daß die Deckwandung 3 gekrümmt, insbesondere
kugelkalottenartig gekrümmt
ist und die Zuführleitung 5 sowie die
Abführleitungen 6 sehr
nahe an diese gekrümmte Wandung
herangeführt
sind, so daß der
Abstand der Mündung 6 des
Zuführrohrs 5 und
der Mündungen 11 der
Abführrohre 7 nur
wenige Millimeter beträgt.
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Das
durch die Zuführ-Rohrleitung 5 zugeführte Gemisch
besitzt relativ hohe Geschwindigkeit und wird über die Öffnung 6 unmittelbar
gegen die gekrümmte
Deckenwandung 3 geleitet, wobei die flüssige Phase aufgrund der Trägheit und
aufgrund des durch das Gas bewirkten Verdrängungseffektes an der gekrümmten Deckenwand 3 radial
nach außen
in Richtung der Umfangswand 4 strömt und keinerlei Tendenz zeigt,
in die Öffnungen 11 der
Abführrohre 7 einzudringen.
In die Abführrohre 7 strömt vielmehr über die Öffnungen 11 die
gasförmige Phase, und
der entsprechende Anteil an der gasförmigen Phase wird im Verlauf
seiner nach unten gerichteten Bewegung mit einem definierten Flüssigkeitsanteil vermischt,
der über
die Schlitze 8 eintritt, und zwar im Bereich des sich im
Behälter 1 ausbildenden
Flüssigkeitsvorrats,
dessen Spiegel variieren kann.
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Während somit
die gekrümmte
Deckenwand 3 und die Umfangswand 4 Leitflächen für die flüssige Phase
bilden, die dann im Behälter 1 bis
zu einem sich einstellenden Niveau strömt, ergibt sich durch die Relativpositionierung
der Enden des Zuführrohrs 5 und
der Abführrohre 7 ein
vergleichsweise kleiner Phasentrennungsraum, der aufgrund der Formgebung
der Deckenwand 3 und der jeweils einzustellenden Relativabstände der
Enden von Zuführrohr 5 und Abführrohren 7 zu
der gekrümmten
Deckenwand 3 hinsichtlich der Phasentrennung zuverlässig wirksam ist.
Dies gilt auch für
den Fall der Anordnung mehrerer Abführleitungen 7, die
vorzugsweise jeweils ringförmig
um das Zuführrohr 5 angeordnet
sein können.