ВХОДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТАНГЕНЦИАЛЬНО ПОДАВАЕМОЙ В ПРИБОР ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
INLET DEVICE FOR FLUID TANGENTIALLY FED INTO COLUMN

Изобретение касается входного устройства для тангенциально вводимой в прибор текучей среды согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, причем прибор, в частности, представляет собой колонну. Изобретение также относится к прибору с соответствующим изобретению входным устройством, а также к применению такого входного устройства.
Из ЕР-А-1 588 749 известно входное устройство для текучей среды, а именно впускное и распределительное устройство для смеси жидкость/пар, с помощью которого такая двухфазная текучая среда может подаваться в прибор, в частности в колонну, причем одновременно содержащаяся в текучей среде жидкость (в виде капелек) отделяется.
Рупорообразный канал включает в себя изогнутые направляющие пластины между двумя стенками, которые ориентированы горизонтально и расположены с примыканием к периферии прибора. Тангенциально поступающая текучая среда разветвляется направляющими пластинами на множество частичных потоков, которые отклоняются направляющими пластинами так, что более плотная фаза текучей среды за счет центробежных сил может, по меньшей мере, частично осаждаться. С помощью такого входного устройства для текучей среды пар распределяется по поперечному сечению прибора, в то время как жидкость осаждается на направляющих пластинах и стенке прибора. Само собой разумеется, что такое известное рупорообразное входное устройство для текучей среды может использоваться также и для подачи однофазной текучей среды (жидкости или газа).
Частичные потоки объединяются в единый вихрь, который образует относительно равномерный поток, из которого текучая среда распределяется, например, в расположенную над входным устройством для текучей среды упаковку. Вместо упаковки в приборе или в колонне также могут быть предусмотрены другие встраиваемые устройства, например, разделяющие основания или устройства для осаждения содержащихся капелек жидкости, которые до сих пор еще не осадились на изогнутых направляющих пластинах.
Входное устройство для текучей среды состоит из листовой конструкции, которая в значительной мере проходит по всей периферии прибора, так что текучая среда с относительно большими скоростями частичных потоков поступает в центральную область прибора. Следовательно, в образованном вихре имеется относительно большая разница статического давления между центром и периферией. Кроме того, за счет этого устройства имеется плохое использование поперечного сечения из-за сильно протяженной мертвой зоны, через которую имеется слабое протекание потока.
Другое входное устройство известно из ЕР-А-0 440 412. С помощью этого устройства поток текучей среды может направляться в кольцевом канале вдоль периферии прибора и в виде частичных потоков может распределяться вниз и оттуда внутрь с образованием вихря.
Другое входное устройство известно из US 4 336 228, в котором вместо кольцевого канала предусмотрена проходящая по винтовой линии у внутренней стенки колонны направляющая пластина. Посредством направляющей пластины должно предотвращаться то, что осаждающаяся на внутренней стенке колоны жидкость увлекается газовым потоком. Текучая среда входит через отверстие в колонну, которая имеет направляющую пластину и также еще листовой элемент, который закреплен параллельно внутренней стенке колонны. Таким образом, поток поступает из входной трубы с образованием резких изменений поперечного сечения в колонну. В тангенциально расположенных у внутренней стенки прибора входных устройствах обычно имеются очень высокие входные скорости до 100 м/с, что благоприятно сказывается на осаждение капель; правда за счет направления текучей среды посредством тангенциального входного устройства возникает сильный завихренный поток. Этот завихренный поток создает вторичный поток, поскольку в центральной области вихря имеется уменьшенное по сравнению с краевыми областями статическое давление. Этот перепад давления создает всасывающее действие, так что вторичный поток направляется от центральной области в краевую область. Чтобы компенсировать этот вторичный поток, текучая среда течет из области под или над входной зоной в центральную зону вихря, и это осуществляется тем быстрее, чем выше вращательная скорость вихря. Следствием этого является асимметричное распределение вертикальной скорости потока по поперечному сечению прибора, так что в краевой области прибора преобладает высокая вертикальная скорость, а в центральной области имеется очень малая вертикальная скорость, которая даже может быть ориентирована противоположно вертикальной скорости в краевой области. Отклонение максимальной вертикальной скорости в поперечном сечении от средней вертикальной скорости тем значительнее, чем выше вращательная скорость вихря. Для входа потока текучей среды в расположенные ниже по течению входных зон и служащие для разделения или массообмена встраиваемые элементы, например упаковки, подобное асимметричное распределение весьма неблагоприятно, так как приводит к сильному неравномерному распределению в этих встраиваемых элементах и отрицательно влияет как на их пропускную способность, так и на их эффективность. Замедление, то есть уменьшение входной скорости, не может достигаться посредством этого известного входного устройства согласно US 4 336 228 или может достигаться лишь в незначительной степени. Ниже по течению относительно входного отверстия капли налипают на стенку и образуют пленку жидкости, которая под действием гравитации стекает вниз. Однако эта пленка захватывается газовым потоком и может в случае очень высокой скорости газа отклоняться вверх, что согласно US 4 336 22 предотвращается посредством расположенной на стенке емкости спиралеобразной направляющей пластины.
Другой подход состоит в том, чтобы полностью предотвратить слишком большие скорости газа у внутренней стенки. При этом задача состоит в максимально возможном равномерном распределении вертикальной скорости, что достигается тем, что замедляется вращательное движение. Для этого в US 2003 188 853 А1 предусмотрены направляющие лопатки. Аналогичным образом выполнено входное устройство в US 4 315 815, которое имеет полностью открытый на своей нижней стороне "канал". В этом случае находящийся под отверстием входа газовый слой увлекается входящей текучей средой и тоже приводится в движение. Во входном устройстве согласно US 4 315 815 имеющиеся в нем направляющие пластины способствуют замедлению, обусловленному трением. При этом давление почти не восстанавливается, а по существу лишь рассеивается энергия. Эта система является невыгодной, так как давление в приборе является специфическим (точно заданным) и должно соответствующим образом регулироваться. Следовательно, чтобы компенсировать эти потери давления необходимо, чтобы входящий газовый поток имел более высокое давление, вследствие чего прибор, из которого вытекает газовый поток, тоже должен работать при более высоком давлении. Наряду со связанными с этим конструктивными дополнительными затратами и денежными расходами система направляющих пластин не является оптимальной для осаждения каких-либо капель. Осаждающаяся жидкость приводится в виде пленки жидкости вдоль направляющих пластин в почти горизонтальном направлении к концу канального элемента. Так как направляющие пластины расположены посередине газового потока, пленка жидкости на прилегающих к концу канального элемента кромках направляющих пластин вновь захватывается газовым потоком и повторно распределяется или, соответственно, распыляется во внутреннем пространстве прибора.
Задачей изобретения является создание входного устройства для тангенциально подаваемой в прибор текучей среды, в частности газа, которое по сравнению с известными рупорообразными входными устройствами для текучей среды обеспечивает улучшенную подачу, причем из образующегося ниже по течению относительно входного устройства вращательного потока должны максимально полно отделяться и осаждаться капельки и одновременно ниже по течению относительно входного устройства должна поддерживаться максимально возможная относительно поперечного сечения прибора вертикальная скорость, причем, в частности, должны быть уменьшены скорости в образующемся вихре и должно иметься улучшенное использование поперечного сечения.
Эта задача решается определенным в пункте 1 формулы изобретения входным устройством.
С помощью входного устройства для тангенциально подаваемой в прибор текучей среды после прохождения рупорообразной канальной части на периферии прибора текучая среда входит в вихревой поток. Вихревой поток вращается вокруг оси, которая является смежной с центральной осью прибора. Центральная ось совпадает с основным направлением протекающей текучей среды. Протекаемая выходная зона канальной части задает среднее направление потока текучей среды, которое проходит вдоль периферии и наклонено противоположно упомянутому основному направлению. Средняя зона канальной части, или входная зона и средняя зона, а также выходная зона совместно выполнены в виде диффузора. Расположенная во внутреннем пространстве прибора и примыкающая к периферии краевая область выполненных в виде диффузора зон проходит менее чем по половине, предпочтительно, менее чем по одной трети периферии. Посредством выполнения канальной части в виде диффузора уменьшается входная скорость текучей среды. Замедление скорости текучей среды в канальной части осуществляется со значительным возвратом энергии давления, так как диффузор рассчитан таким образом, что не возникает никаких отделений потоков, так что потери на трение в значительной степени предотвращаются и текучая среда через следующий (повторяющий) контур внутренней стенки прибора изгиб диффузора входит в описанное выше вращательное движение. Это вращательное движение имеет преимущество для осаждения имеющихся в потоке текучей среды капель. В частности, для отделения и осаждения мелких капель является предпочтительной высокая вращательная скорость.
Если этот диффузор отсутствует или если канал выполнен в виде открытого канала, то подобного рода замедление следует ожидать лишь в незначительной степени, что имеет следствие образования в приборе сильного вихревого потока ниже по течению относительно входного устройства, что может приводить к упомянутым в связи с уровнем техники проблемам. Возбужденный вращательным движением вихревой поток в приборе вследствие использования диффузора уменьшается таким образом, что достигается равномерное распределение вертикальной скорости при входе в находящийся выше входного устройства, то есть ниже по течению, участок прибора, причем в случае этого "участка" речь идет, например, об упаковке.
Осаждение в первую очередь должно осуществляться во внутреннем пространстве канальной части и, лишь в крайнем случае, непосредственно после этого, пока вихревой поток еще проходит по существу вдоль стенки. Так как на выходе канальной части скорость потока замедляется, находящаяся у внутренней стенки прибора пленка жидкости может стекать без повторного захватывания вращательным потоком.
Ниже по течению относительно образованной в виде диффузора канальной части осуществляется отклонение вихревого потока в направлении центральной области прибора, для чего может быть предусмотрен, по меньшей мере, один отклоняющий элемент. Затем этот отклоняющий элемент воздействует на вихрь таким образом, что часть текучей среды течет вверх в центральной области прибора.
Созданный в примыкании к отклоняющему элементу вихрь в приборе не является слишком быстрым и даже затормаживается, так как сильный вращательный поток, по меньшей мере, замедляет, если вообще не предотвращает, равномерную вертикальную скорость вверх. Этот или эти отклоняющие элементы могут быть выполнены таким образом, что они способствуют уменьшению вращательной скорости, так что во внутреннем пространстве прибора достигается по возможности равномерная вертикальная скорость.
Зависимые пункты 2-9 формулы изобретения касаются предпочтительных вариантов осуществления соответствующего изобретению входного устройства для текучей среды. Прибор с соответствующим изобретению входным устройством для текучей среды является объектом пунктов 10 и 11 формулы изобретения. Применение этого входного устройства является объектом пункта 12 формулы изобретения.
Далее, изобретение поясняется посредством чертежей, на которых представлено:
Фиг.1 - соответствующее изобретению входное устройство в приборе,
Фиг.2 - схематичное представление внутреннего пространства самого прибора для иллюстрации вихревого потока,
Фиг.3 - разделение на три частичных канала входного устройства, если смотреть снаружи прибора, и
Фиг.4 - схематичное представление, которое показывает воздействующий на вихревой поток отклоняющий элемент.
С помощью соответствующего изобретению входного устройства 1, как оно представлено на фиг.1 и 2, текучая среда 3 тангенциально подается в прибор 2, который, в частности, представляет собой колонну. Схематичное представление согласно фиг.2 показывает участок внутреннего пространства аппарата 2, причем этот участок ограничен периферией 20, нижним поперечным сечением 21а и верхним поперечным сечением 21b. Центральная точка 210а нижнего поперечного сечения 21а, которое соответствует основанию 21 на фиг.1, соединяется центральной осью 210 с центральной точкой 210b верхнего поперечного сечения 21b.
.
Сначала, текучая среда 3 протекает через присоединительный патрубок 22 и затем через рупорообразную канальную часть 10 у периферии 20 прибора 2. В присоединительном патрубке 22 плоскость поперечного сечения переходит из круговой формы в прямоугольную форму. Текучая среда 3 выходит из канальной части 10 через выходную зону 13, а также через выходную плоскость 14 и входит в обозначенный стрелками 30' вихревой поток 30. Этот вихревой поток 30 имеет ось вращения, которая является смежной с центральной осью 210 прибора 2 и проходит наклонно или параллельно к ней Центральная ось 210 совпадает с основным направлением 200 протекающей текучей среды 3. Выходная зона 13 задает среднее направление 32 потока текучей среды 3 в выходной плоскости 14, которое проходит вдоль, т.е. по существу параллельно, плоскости, которая представляет собой тангенциальную плоскость к периферии 20. Среднее направление 32 потока наклонено противоположно основному направлению 200 и с плоскостью, перпендикулярной к центральной оси 210, образует угол максимум 30°. Основание 21 может замыкать снизу внутреннее пространство прибора 2. На этом месте также может находиться верхняя кромка расположенного под ним основания упаковки, разделяющего основания или распределителя.
Входная зона 11 канальной части 10, средняя зона 12, а также выходная зона 13 совместно выполнены в виде диффузора. Входная зона 11 могла бы также иметь остающуюся неизменной плоскость поперечного сечения и, следовательно, не действующую в качестве диффузора. Краевая область выполненных в виде диффузора зон, которая расположена во внутреннем пространстве прибора 2 и примыкает к периферии 20, проходит по части периферии 20, которая предпочтительно составляет менее одной трети периферии 20, чтобы предоставить в распоряжение достаточное для вихревого потока 30 пространство. Упомянутая краевая область, которая проходит по средней зоне 12 и выходной зоне 13, могла бы также быть больше, однако же не более половины периферии 20.
Канальная часть 10 разделена в области выполненных в виде диффузора зон на множество выполненных в виде диффузора частичных каналов, а именно три канала. Количество частичных каналов также может составлять, например, 2, 4 или 5. В этих частичных каналах - см. фиг.2 - частичные потоки обозначены стрелками 31, 32 и 33. Стрелки соответствуют соответствующим средним направлениям (31, 32, 33) частичных потоков. Ограничение выполненных в виде диффузора зон включает в себя стенку, которая сформирована посредством периферии 20, а также тремя стеновыми частями, причем относительно центральной оси 210 первая стеновая часть 100 ориентирована поперечно (перпендикулярно или почти перпендикулярно), вторая стеновая часть 104 ориентирована точно так же, а третья стеновая часть 103 ориентирована наклонно. В случае вертикальной ориентации центральной оси 210 эти три стеновые части 100, 104 и 103 представляют собой одна верхнюю горизонтальную или почти горизонтальную, одна вертикальную и, соответственно, одна нижнюю наклонную стеновую часть. Три выполненных в виде диффузора частичных канала отделены друг от друга посредством стеновых частей 101 и 102.
0
1
2
3
0
1
2
3
0
Стеновые части 100, 101, 102 и 103 образуют с горизонтальной линией 220 соответственно углы α, α, α или, соответственно, α, для которых имеет место соотношение α<α<α<α. Например, α равно нулю (т.е. стеновая часть 100 является горизонтальной), а другие углы отличаются соответственно на 5°. Такая разница может быть несколько больше (предпочтительно) или же меньше. В области канальной части 10 выполненных в виде диффузора зон плоскости протекаемых поперечных сечений расширяются на 20-200%, предпочтительным образом на 50-150%. Радиальная ширина выходной плоскости 14 по отношению к радиальному расстоянию между центральной осью 210 и периферией 20 составляет 25-80%, предпочтительно 40-60%. Для того чтобы диффузорное действие не оказывало обусловленного неустойчивостью (нестабильностью) отрицательного влияния в форме флуктуирующего, частично отделенного потока, поперечные сечения могут расширяться только относительно медленно. Критерии для устойчивости потока в диффузорах можно позаимствовать, например, из учебника Walter Traupel, "Thermische Turbomaschinen" (том 1, страницы 139-141, 3-е издание, Springer Verlag 1977).
Фиг.3 показывает разделение соответствующего изобретению входного устройства 1 на три частичных канала, как они представляются наблюдателю, находящемуся снаружи прибора. При этом показанная штрихпунктиром кривая 20' является линией пересечения периферии 20 и горизонтальной плоскости, в которой лежит верхняя стеновая часть 100. Соответствующее представление показано на фиг.4, причем от входного устройства 1 представлена только выходная плоскость 14. Фиг. 4 касается отклоняющего элемента 4, посредством которого можно благоприятно воздействовать на вихревой поток 30.
Отклоняющий элемент 4 для воздействия на поток предусмотрен ниже по течению после выходной зоны 13, а также между центральной осью 210 и периферией 20. Этот отклоняющий элемент 4 образует между нижним концом 41 и верхним концом 42 полосу, продольная протяженность которой параллельна центральной оси 210 или наклонена относительно нее под углом до 30°, причем нижний конец 41 ниже по течению следует за верхним концом 42. Предпочтительно, отклоняющий элемент 4 закреплен на стенке прибора (периферии 20) или вблизи нее. При этом, закрепление осуществляется вдоль кромки отклоняющего элемента 4, которая соответствует продольной протяженности полосы. Предпочтительным образом, используется один отклоняющий элемент 4, однако на периферии 20 может быть закреплено и два или более таких отклоняющих элементов на одинаковых или на разных расстояниях друг от друга. Ширина отклоняющих элементов может варьироваться. Отклоняющие элементы могут быть перфорированными с тем, чтобы на них отклонялась только часть потока текучей среды, а другая часть могла протекать сквозь подобного рода отклоняющие элементы. Перфорация обеспечивается, например, посредством упорядоченного узора из отверстий, причем остающаяся свободной поверхность составляет между 5 и 60% отклоняющего элемента, предпочтительно между 5 и 40%. Обычный диаметр отверстий находится в области 12 мм, однако другие размеры также возможны. Применение перфорирования является предпочтительным, так как часть потока текучей среды, который отклоняется и/или тормозится направляющей пластиной, может протекать дальше через перфорации и вызывать вращательное движение, так что осуществляется протекание через все поперечное сечение прибора.
Альтернативно или дополнительно к этому также может быть предусмотрен, по меньшей мере, один продольный паз на, по меньшей мере, одном отклоняющем элементе 4. Продольный паз может быть предусмотрен, в частности, также в примыкании к внутренней стенке прибора с тем, чтобы стекающая на внутренней стенке пленка жидкости не задерживалась отклоняющим элементом.
Выходная плоскость 14 выходной зоны 13 и первый отклоняющий элемент 4 образуют угол β вокруг центральной оси 210, величина которого находится в диапазоне от 30 до 150°. По меньшей мере, один отклоняющий элемент 4 имеет обтекаемую поверхность, которая меньше, чем двойной размер выходной плоскости 14 выходной зоны 13.
В зависимости от диаметра колонны (прибор 2) и от количества подаваемой текучей среды, в участке колонны может быть расположено множество соответствующих изобретению входных устройств 1 в одной и той же или в различных, смещенных по отношению друг к другу горизонтальных плоскостях 220. В случае с двумя входными устройствами они предпочтительным образом находятся диаметрально противоположно друг другу. Оба входных устройства 1 могут быть ориентированы друг относительно друга так, что текучая среда входит в прибор 2 в противоположных направлениях; в таком случае, как правило, можно отказаться от отклоняющего элемента 4.
Соответствующее изобретению входное устройство 1 приводит к очень хорошему распределению скоростей, которое не могло бы быть достигнуто в известных устройствах с тангенциальным вводом текучей среды. Это стало возможно вследствие дифффузорообразного выполнения подающих каналов и обусловленного этим контролируемого замедления потока. За счет использования отклоняющего элемента 4 имеется дополнительное улучшение распределения скоростей. Благодаря периферийному расположению также с большой эффективностью осаждается содержащийся в текучей среде конденсат.
Соответствующее изобретению входное устройство 1 с рупорообразной канальной частью 10 используется для введения и распределения текучей среды. Текучая среда может быть многофазной или однофазной, в частности газовым потоком, который нагружен более плотной фазой, например, капельками жидкости, или, соответственно, газовым потоком, который состоит только из одного вещества или однофазной смеси веществ. При этом в рупорообразной канальной части, в случае двухфазной текучей среды, может, по меньшей мере, частично осаждаться дисперсная фаза более высокой плотности за счет использования ее инерции.