| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Gleichrichten einer Fluidströmung
in einem Rohrleitungsabschnitt, in den eine gleichrichtende Vorrichtung eingebaut
ist.
Bei einigen Typen von Gasdurchflußmeßgeräten, z.B. Turbinenradgaszählern,
ist die Genauigkeit des Meßergebnisses stark von der Beschaffenheit des ankommenden
Strömungsprofils abhängig. Die Kalibrierung des Meßgerätes erfolgt in einem ungestörten,
quasi voll entwickelten Strömungsprofil. Ein möglichst ungestörtes Strömungsprofil
ist daher wesentliche Voraussetzung für ein genaues Meßergebnis in der Anwendungsinstallation.
In der Praxis stehen häufig nur kurze Einlaufstrecken hinter störenden
Anlagenbauteilen, z.B. Rohrkrümmern oder Druckregelgeräten, zur Verfügung. Aus diesem
Grunde wird eine Anordnung der eingangs genannten Art zum Aufbereiten des Strömungsprofils
innerhalb des Meßgerätes oder separat stromauf desselben benötigt.
Die Wirksamkeit der Gleichrichtung ist z.B. für Turbinenradgaszähler
unter anderem in der EN 12261 quantitativ definiert. Hier wird nach zwei standardisierten
Vorstörungsarten, einer geringen und einer starken Vorstörung, unterschieden, und
der jeweilige Mindestabstand des Meßgerätes von der Vorstörung wird ermittelt, um
im Vergleich mit der ungestörten Kalibrierung eine maximal zulässige Meßabweichung
einzuhalten.
Die zur Erzeugung der Vorstörungen verwendeten Testaufbauten bringen
zwei wesentliche Merkmale von Strömungsprofilstörungen hervor, und zwar eine mit
einem Drall mit exzentrischer Lage kombinierte Asymmetrie.
Bekannt sind verschiedene Ausführungen von externen gleichrichtenden
Vorrichtungen. Hierzu gehören Lochplatten-, Rohrbündel- oder Radialschaufel(Etoile)-Gleichrichter,
die in der EN ISO 5167 beschrieben sind. Diese bekannten gleichrichtenden Vorrichtungen
sind oft nicht für beide Störungskomponenten ausreichend effektiv; teilweise erzeugen
sie auch einen unerwünscht hohen Druckverlust. Gleiches gilt für in Gasdurchflußmeßgeräte
integrierte gleichrichtende Vorrichtungen. Hier greift die Erfindung ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine wirksame Gleichrichtung
verschiedener Störungskomponenten zu erreichen und dabei nur einen geringen Druckverlust
zu verursachen.
Ausgehend von der Anordnung der eingangs genannten Art, sieht die
Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe vor, daß stromauf der gleichrichtenden Vorrichtung
in dem Rohrleitungsabschnitt ein Blendenring derart angeordnet ist, daß das Strömungsprofil
im Anströmbereich der gleichrichtenden Vorrichtung eingeschnürt ist.
Der Blendenring erzeugt über den ganzen Umfang eine zum Zentrum des
Durchtrittsprofils gerichtete Radialkomponente in der Strömung. Bei rotationssymmetrisch
verteilter Axialgeschwindigkeit wird der Massenstrom daher vorübergehend zum Zentrum
hin konzentriert und bleibt auch stromab der Blende symmetrisch. Bei asymmetrischer
Verteilung der Axialgeschwindigkeit entsteht in der Zone höherer Strömungsgeschwindigkeit
eine größere, zum Zentrum gerichtete Radialkomponente. Der Schwerpunkt des Massenstroms
wird dadurch zur Mitte hin verschoben und die Asymmetrie reduziert.
Gleichzeitig zwingt die Blende den Drall auf insgesamt kleinere Umlaufbahnen,
was für die Drallgleichrichtung von Vorteil ist. Da der Drehimpuls des Dralls erhalten
bleibt, nimmt die Tangentialkomponente des Dralls proportional mit der Einschnürung
zu. Dadurch steigt die kinetische Energie in der Drallkomponente nach einer quadratischen
Funktion mit der Folge einer deutlich höheren Dissipation der Rotationsenergie und
einer entsprechend effektiveren Gleichrichtung.
Für den Eintritt der Strömung in die nachfolgende gleichrichtende
Vorrichtung ändert sich außerdem der Anströmwinkel.
Die Axialkomponente nimmt quadratisch mit der Einengung des Rohrdurchmessers
zu. Zusammen mit dem Anstieg der Tangentialkomponente verkleinert sich der Tangens
des Anströmwinkels somit proportional zur Einengung des Rohrdurchmessers.
Dies ist allein betrachtet zwar nachteilig für die Drallgleichrichtung,
wird durch die deutlich erhöhte Dissipation aber überkompensiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Abstand t des Blendenrings zur gleichrichtenden Vorrichtung nach der folgenden
Beziehung bemessen ist:
0 ≤ t ≤ E,
wobei E die stromab gerichtete axiale Ausdehnung der Einschnürung der Strömung ist.
Der Blendenring hat eine axiale Breite b, die vorzugsweise kleiner
ist als die in die Strömung ragende Höhe h (h = (D – d)/2,
mit D: Außendurchmesser des Blendenringes, d: Innendurchmesser des Blendenringes).
Die Breite b kann aber auch größer als die Höhe h des Blendenringes
sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Blendendurchmesser
und/oder der axiale Abstand des Blendenringes von der gleichrichtenden Vorrichtung
auf die Bauart und Ausbildung der gleichrichtenden Vorrichtung derart abgestimmt
sind, daß die Effektivität der Gleichrichtung erhöht und/oder der Druckverlust bei
der Gleichrichtung bzw. der bauliche Aufwand der gleichrichtenden Vorrichtung verringert
wird.
Alternativ oder zusätzlich kann der Umfang des Verdrängungskörpers
mit der axialen Strömungsrichtung in geringerem Maß zunehmen als bei einer Halbkugelform.
Dadurch bleibt der auf kleinere Umlaufbahnen gezwungene Drall länger im achsnahen
Bereich, wo der tangentiale Abstand zweier Rippen, bzw. die Sekante einer Rotationslinie,
kürzer ist. Es wird so die Drallgleichrichtung in der Regel noch verbessert.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Gleichrichten einer Fluidströmung, wobei die
Anströmkanten der Leitrippen in einer Radialebene der Rohrleitung verlaufen, die
mit dem Scheitelpunkt der halbkugelförmigen Kalotte des Verdrängungskörpers ausgerichtet
ist.
2 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Gleichrichten einer Fluidströmung, wobei die
Anströmkanten der Leitrippen in einer Radialebene der Rohrleitung verlaufen, die
stromauf des Scheitels der halbkugelförmigen Kalotte des Verdrängungskörpers angeordnet
ist.
3 zeigt schematisch ein drittes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Gleichrichten einer Fluidströmung, wobei der
Verdrängungskörper der gleichrichtenden Vorrichtung anders geformt ist als in den
Ausführungsbeispielen gemäß 1 und 2.
4 zeigt einen Axialschnitt durch eine
Kombination eines als Turbinenradgaszähler ausgebildeten Gasdurchflußmeßgerätes
mit der Gleichrichteranordnung gemäß Ausführungsbeispiel (1),
die in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
Die 1 zeigt schematisch einen Rohrleitungsabschnitt
1 mit einer gleichrichtenden Vorrichtung 2 gemäß einem ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. Die gleichrichtende Vorrichtung
2 weist einen Verdrängungskörper 3 und um den Verdrängungskörper
verteilte radiale Rippen 4 auf. Der Verdrängungskörper 3 ist als
halbkugelförmige Kalotte mit anschließendem Zylinder ausgebildet. Die stromauf gerichteten
Anströmkanten 41 der Rippen 4 verlaufen in einer Radialebene der
Rohrleitung 1, die mit dem Scheitelpunkt 31 der halbkugelförmigen
Kalotte im wesentlichen ausgerichtet ist.
Ein Blendenring 5 ist stromauf der gleichrichtenden Vorrichtung
2 in dem Rohrabschnitt derart angeordnet, daß das Strömungsprofil im Anströmbereich
der gleichrichtenden Vorrichtung 2 eingeschnürt ist. Der Blendenring
5 hat einen Abstand t von den Anströmkanten 41. Die axiale Breite
b des Blendenringes 5 ist in dem Ausführungsbeispiel kleiner als die radial
in die Fluidströmung ragende Höhe h des Blendenringes. Die Höhe h des Blendenringes
5 ist mit dem Innendurchmesser D des Rohrabschnitts und dem Innendurchmesser
d des Blendenringes durch die folgende Beziehung verknüpft:
h = (D – d)/2.
Es ist jedoch auch möglich, daß die Höhe h des Blendenringes
5 kleiner als die Breite b ist. Es ist ebenfalls möglich, daß der Abstand
t größer gewählt wird, solange das Strömungsprofil im Anströmbereich der gleichrichtenden
Vorrichtung 2 eingeschnürt ist. Der Blendenring 5 kann auch unmittelbar
vor der gleichrichtenden Vorrichtung 2 angeordnet sein, so daß t = 0 ist.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel in 1 dadurch, daß
die Anströmkanten 41' der radialen Rippen 4' in einer Radialebene
der Rohrleitung im Abstand s stromauf des Scheitels 31' des Verdrängungskörpers
3' angeordnet sind. Die durch den Blendenring 5 eingeschnürte
Fluidströmung trifft auf die Rippen 4' der gleichrichtenden Vorrichtung
2', bevor sie auf den weiter stromabwärts gelegenen Verdrängungskörper
3' trifft. Dadurch ist die eingeschnürte Strömung einen längeren Strömungsweg
der achsnahen Einwirkung der radialen Rippen 4' ausgesetzt, bevor sie von
dem Verdrängungskörper 3' auf achsfernere Strömungsbahnen umgelenkt wird.
Diese Anordnung wirkt sich je nach Störung der Strömung günstig auf die Gleichrichtung
aus.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Es unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 durch die Form der Kalotte des Verdrängungskörpers
3''. Die Kalotte hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine rotationssymmetrische
Form, deren Umfang in geringerem Maß zunimmt als bei einer Halbkugelform. Die Krümmung
des rotationssymmetrischen Kalottenabschnitts nimmt von der Zentralachse
6 aus in Strömungsrichtung mit zunehmendem Radius des rotationssymmetrischen
Kalottenabschnitts ab. Dadurch bleibt die eingeschnürte Strömung auch unter Einwirkung
des Verdrängungskörpers 3'' über einen längeren Strömungsweg im achsnahen
Bereich. Die dort in Umfangsrichtung um die Zentralachse 6 enger stehenden
radialen Rippen 4'' können die Drallgleichrichtung der Strömung weiter
verbessern.
Die gleichrichtende Vorrichtung 2'' kann auch derart ausgebildet
sein, daß der Verdrängungskörper 3'' die beschriebene Form aufweist, die
Anströmkanten 41'' der radialen Rippen 4'' jedoch in einer Radialebene
der Rohrleitung im Abstand s stromauf des Scheitels 31'' des Verdrängungskörpers
3'' angeordnet sind.
4 zeigt einen Axialschnitt durch eine
Kombination aus einem Fluiddurchflußmeßgerät 7, der strömungsgleichrichtenden
Vorrichtung 2 und dem Blendenring 5. Alle genannten Komponenten
sind in einem Gehäuse 13 integriert. Das Fluiddurchflußmeßgerät
7 ist vom Typ eines Turbinenradgaszählers und weist ein Turbinenrad
8, einen Auslaufkanal 9 und ein Zählwerk 10 auf. In dem
Gehäuse 13 sind zwei um die Zentralachse 6 zentrierte Innenzylinder
11, 12 angeordnet, von denen der stromauf gelegene Innenzylinder
11 die gleichrichtende Vorrichtung 2 mit den Komponenten
4, 3 und den Blendenring 5 und der stromab gelegene Innenzylinder
12 die Komponenten des Turbinenradgaszählers 7 aufnimmt. Das Gehäuse
13 ist durch eine Flanschverbindung mit einer stromauf angeordneten Einlaufstrecke
14 verbunden.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen möglich.
Die gleichrichtende Vorrichtung und der Blendenring können auch separat
von dem Durchfluflmeßgerät in einem Rohrleitungsabschnitt angeordnet sein. Ferner
braucht der Rohrleitungsabschnitt nicht einteilig ausgebildet zu sein. Eine in axialer
Richtung und in radialer Richtung mehrteilige Ausbildung ist ebenfalls möglich.
Auch hinsichtlich der Einlaufstrecke sind abweichende Ausgestaltungen
z.B. als Rohrkrümmer möglich.
Die Anströmkanten 41, 41', 41'' der Rippen
4, 4', 4'' brauchen nicht in einer Radialebene zu liegen,
sondern können einen zu der Achse 6 gekrümmten oder schrägen Verlauf haben.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist auch unter Verwendung von anderen
gleichrichtenden Vorrichtungen einsetzbar. Diese sind aus dem Stand der Technik
bekannt. Zum Beispiel können Lochplattengleichrichter, Rohrbündelgleichrichter oder
Étoile-Gleichrichter ohne Verdrängungskörper mit ähnlichen Vorteilen eingesetzt
werden.
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| Anspruch[de] |
- Anordnung zum Gleichrichten einer Fluidströmung in einem Rohrleitungsabschnitt
(1), in den eine gleichrichtende Vorrichtung (2, 2',
2'') eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, daß stromauf der gleichrichtenden
Vorrichtung (2, 2', 2'') in dem Rohrleitungsabschnitt
ein Blendenring (5) derart angeordnet ist, daß das Strömungsprofil im Anströmbereich
der gleichrichtenden Vorrichtung eingeschnürt ist.
- Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Abstand
t des Blendenrings (5) zur gleichrichtenden Vorrichtung (2,
2', 2'') nach der folgenden Beziehung bemessen ist:
0 ≤ t ≤ E,
wobei E die stromab gerichtete axiale Ausdehnung der Einschnürung der Strömung ist.
- Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Blendenring
(5) eine axiale Breite b aufweist, die kleiner ist als die radial in die
Fluidströmung ragende Höhe h des Blendenringes.
- Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Blendenring
(5) eine axiale Breite b aufweist, die größer ist als die radial in die
Fluidströmung ragende Höhe h des Blendenringes.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Blendendurchmesser d und/oder der axiale Abstand t des Blendenrings (5)
von der gleichrichtenden Vorrichtung (2, 2', 2'') auf
die Bauart und Ausbildung der gleichrichtenden Vorrichtung derart abgestimmt sind,
daß die Effektivität der Gleichrichtung erhöht und/oder der Druckverlust bei der
Gleichrichtung bzw. der bauliche Aufwand der gleichrichtenden Vorrichtung verringert
wird.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die gleichrichtende Vorrichtung (2, 2', 2'') als
strömungsaufbereitendes Bauteil der Meßstelle eines Fluid-, insbesondere eines Gasdurchflußmeßgerätes
(7) vorgeschaltet ist.
- Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende
Vorrichtung (2, 2', 2'') in das Fluiddurchflußmeßgerät
(7) integriert ist.
- Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtende
Vorrichtung (2, 2', 2'') als Etoile-, Lochplatten- oder
Rohrbündel-Strömungsgleichrichter ausgebildet ist.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die gleichrichtende Vorrichtung (2, 2', 2'') einen
rotationssymmetrisch auf einer Zentralachse (6) der Einlaufstrecke angeordneten
Verdrängungskörper (3, 3', 3'') und mehrere über den
Verdrängungskörperumfang verteilte radiale Rippen (4, 4',
4'') aufweist und daß die radialen Rippen Anströmkanten (41,
41') haben, die stromauf des Scheitels (31, 31',
31'') des Verdrängungskörpers angeordnet sind.
- Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die gleichrichtende Vorrichtung (2, 2', 2'') einen
rotationssymmetrisch auf einer Zentralachse (6) der Einlaufstrecke angeordneten
Verdrängungskörper (3, 3', 3'') und mehrere über den
Verdrängungskörperumfang verteilte radiale Rippen (4, 4',
4'') aufweist und daß der Umfang des Verdrängungskörpers (3,
3', 3'') mit der axialen Strömungsrichtung in geringerem Maß zunimmt
als bei einer Halbkugelform.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen
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