Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul berechnet Lamellentropfenabscheider nach VDI-Wärmeatlas, Kapitel L4.3.4 (12. Auflage 2019). Lamellenabscheider bestehen aus parallelen, gewellten oder zickzackförmig gekanteten Blechpaketen: Das tropfenbeladene Gas strömt durch die Gassen zwischen den Lamellen, wird an jeder Umlenkung beschleunigt, und die Tropfen, die den Richtungswechseln nicht folgen können, treffen auf die Lamellenoberfläche, koaleszieren zum Film und laufen ab. Eingesetzt werden sie in Nasswäschern, Kühltürmen, hinter Kolonnen und Verdampfern sowie in der Luftkonditionierung.
Für die Auslegung eines Lamellenabscheiders sind Anströmgeschwindigkeit, Gassenbreite und -länge, Umlenkwinkel (45°, 60° oder 90°) sowie Innen-, Außen- und Krümmungsradius der Umlenkung die entscheidenden Geometriegrößen; auf der Stoffseite gehen Gasdichte, Flüssigkeitsdichte und die dynamische Viskosität des Gases ein. Aus diesen Größen bestimmt das Verfahren nach dem Trägheitsprinzip den Grenztropfendurchmesser und den Fraktionsabscheidegrad.
Das Modul liefert damit die Grundlage, um die Klärfläche für einen geforderten Gasdurchsatz zu dimensionieren und die Betriebsgrenze gegen das Wiedermitreißen des abgeschiedenen Flüssigkeitsfilms einzuhalten.
Regelwerk und Berechnungsbasis: VDI-Wärmeatlas, 12. Auflage 2019
So läuft die Berechnung ab
- Geometrie des Lamellenpakets festlegen: Gassenbreite und Gassenlänge, Umlenkwinkel (45°, 60° oder 90°) sowie Innenradius, Außenradius und Krümmungsradius der Umlenkungen beschreiben den Strömungskanal; aus der Anzahl der Gassen ergibt sich die Klärfläche des Abscheiders.
- Betriebspunkt und Stoffwerte erfassen: Die Anströmgeschwindigkeit vor dem Paket, die Dichte des Gases, die Dichte der Flüssigkeit und die dynamische Viskosität des Gases legen die Trägheits- und Widerstandskräfte auf die Tropfen fest.
- Tropfenbahnen in der Umlenkung bewerten: In jeder Umlenkung wirkt auf den Tropfen eine Zentrifugalbeschleunigung, die von Geschwindigkeit und Krümmungsradius abhängt; ihr steht der Strömungswiderstand des Gases entgegen. Aus dieser Kräftebilanz folgt, welche Tropfen die Gassenwand erreichen.
- Grenztropfendurchmesser und Abscheidegrad bestimmen: Der Grenztropfendurchmesser markiert die Tropfengröße, die in der verfügbaren Gassenlänge gerade noch abgeschieden wird; für die anfallende Tropfengrößenverteilung ergibt sich daraus der Fraktions- und der Gesamtabscheidegrad des Pakets.
- Betriebsgrenzen kontrollieren: Die Anströmgeschwindigkeit muss unterhalb der Grenze bleiben, ab der der ablaufende Flüssigkeitsfilm wieder zerstäubt wird (Re-Entrainment); bei zu niedriger Geschwindigkeit sinkt dagegen die Trägheitsabscheidung. Daraus folgt das zulässige Betriebsfenster des Abscheiders.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Gassenlänge | l | m |
| Außenradius | ra | m |
| Innenradius | ri | m |
| Umlenkwinkel (45°; 60° oder 90°) | α | ° |
| Klärfläche | A | m² |
| Anströmgeschwindigkeit | vo | m/s |
| Gassenbreite | s | m |
| Krümmungsradius | r | m |
| Dynamische Viskosität Gas | ηg | mPa·s |
| Dichte Flüssigkeit | ρl | kg/m³ |
| Dichte Gas | ρg | kg/m³ |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Volumenstrom / Pro Gasse | Gasvolumenstrom | m³/s |
| Sinkgeschwindigkeit Grenztropfen | ws | m/s |
| Zentrifugalbeschleunigung | z | m/s² |
| Umfangsgeschwindigkeit | u | m/s |
| Durchmesser Grenztropfen (Stokes) | de | m |
| Reynolds-Zahl Grenztropfen (Stokes) | Re | – |
| Durchmesser Grenztropfen (Gl. 12) | de | m |
| Druckabfall | Δp | Pa |
| Grenztropfen | d* | m |
Häufige Fragen
Welchen Einfluss hat der Umlenkwinkel auf die Abscheidung?
Je schärfer die Umlenkung (90° gegenüber 45°), desto größer die Querbeschleunigung auf die Tropfen und desto feinere Tropfen werden abgeschieden – allerdings steigt der Druckverlust entsprechend. In der Praxis wählt man den Winkel als Kompromiss aus gefordertem Grenztropfendurchmesser, zulässigem Druckverlust und Verschmutzungsneigung der schärferen Kanten.
Warum gibt es eine optimale Anströmgeschwindigkeit?
Die Trägheitsabscheidung verbessert sich mit steigender Geschwindigkeit, weil die Tropfen den Umlenkungen schlechter folgen können. Oberhalb einer kritischen Geschwindigkeit reißt die Gasströmung jedoch den an den Lamellen ablaufenden Film wieder auf und trägt Sekundärtropfen aus – der Abscheidegrad bricht ein. Das Betriebsfenster liegt typisch bei wenigen Metern pro Sekunde und hängt von Stoffsystem und Einbaulage ab.
Wie unterscheidet sich die senkrechte von der waagerechten Einbaulage?
Bei horizontaler Durchströmung mit vertikalen Lamellen läuft der Film quer zur Gasströmung nach unten ab und kann höhere Gasgeschwindigkeiten vertragen. Bei vertikaler Durchströmung von unten nach oben muss der Film gegen die Gasströmung ablaufen; die Re-Entrainment-Grenze liegt deutlich niedriger. Die Einbaulage ist deshalb bei der Festlegung der zulässigen Anströmgeschwindigkeit zwingend zu berücksichtigen.
Für welche Tropfengrößen ist ein Lamellenabscheider geeignet?
Als Trägheitsabscheider trennt er Tropfen oberhalb etwa 10 bis 20 µm zuverlässig ab; feinere Tropfen und Aerosole folgen der Gasströmung durch die Umlenkungen weitgehend widerstandslos. Für Nebel im einstelligen Mikrometerbereich sind Drahtgestricke, Faserbett- oder Venturiabscheider die geeigneteren Bauarten, gegebenenfalls als zweite Stufe hinter dem Lamellenpaket.