Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten

Abstract

 Vorgeschlagen wird ein Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten, mit einem Strömungskanal und darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Einbauflächen (2). Die Einbauflächen sind wirbelerzeugende Flächen mit frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten (4), deren Verlauf sowohl eine in Hauptströmungsrichtung (3) des Gases als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist.
Zur Erzielung einer schnellen Vermischung bei besonders kurzer Mischstrecke sind mehrere gleichartige Einbauflächen (2) in einer Reihe (5) im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung (3) angeordnet. Einander benachbarte Einbauflächen (2) überdecken sich in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (3).

Beschreibung

Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten

[0001] Die Erfindung betrifft einen Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten, mit einem Strömungskanal und darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Einbauflächen, wobei die Einbauflächen wirbelerzeugende Flächen mit frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten sind, deren Verlauf sowohl eine in Hauptströmungsrichtung des Gases als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist.

[0002] Zum Mischen von Gas- oder Flüssigkeitsströmungen in Rohrleitungen oder Kanälen benötigt man bei turbulenter Strömung Mischlängen vom 15 bis 100-fachen des Kanaldurchmessers. Mittels geeigneter statischer Mischer in Gestalt von Einbaukörpern läßt sich diese Mischstrecke deutlich verkürzen. Es muß jedoch bei den meisten herkömmlich angewendeten Systemen ein hoher Druckverlust insbesondere dann in Kauf genommen werden, wenn hohe Anforderungen an die Homogenität der sich einstellenden Mischung gestellt werden. Viele der herkömmlichen Mischsysteme sind außerdem auf einfache Geometrien beschränkt, z.B. auf zylindrische Rohre oder quadratische Kanäle, und lassen sich nicht bei Großanlagen und komplizierten Mischkammersystemen anwenden.

[0003] Aus der DE 29 11 873 C2 ist ein statischer Mischer bekannt, bei dem die Einbauten aus schräg angeströmten, deltaförmigen oder kreisscheibenförmigen Flächen bestehen, an deren Vorderkanten Wirbel entstehen. Die so gebildeten stationären und stabilen Wirbelsysteme wirken weit in den Strömungsnachlauf hinein, die zu mischenden Komponenten werden schichtenförmig eingerollt, was zu einer schnellen Vermischung bei sehr geringen Druckverlusten führt. Diese sogenannten "Wirbeleinbauflächen" haben sich wegen der erzielbaren kurzen Mischstrecke in der Praxis bewährt.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten zu schaffen, der eine schnelle Vermischung bei nochmals kürzerer Mischstrecke bewirkt.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Mischer mit den eingangs genannten Merkmalen vorgeschlagen, daß mehrere gleichartige Einbauflächen in einer Reihe im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung angeordnet sind, und daß sich aneinander benachbarte Einbauflächen in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung teilweise überdecken.

[0006] Ein solchermaßen ausgebildeter Mischer ermöglicht eine besonders schnelle Durchmischung der Strömung bei sehr kurzer Mischstrecke. Die Durchmischung hat zur Folge, daß die Profile des hindurchgeführten Gas- und/oder Flüssigkeitsstromes vergleichmäßigt werden, wobei Leistungseinbußen vermieden werden. Trotz der Bildung ausgedehnter und stabiler Wirbel hat die erfindungsgemäße Wirbeleinbaufläche einen verhältnismäßig geringen Strömungswiderstand, da sie nicht mit ihrer gesamten Oberfläche als Leitfläche wirkt, sondern mit ihren vorderen Kanten statische Wirbelfelder erzeugt, die sich in Strömungsrichtung selbsttätig erweitern, ohne daß für diese Erweiterung zusätzliche Einbauten oder Leitflächen erforderlich wären. Es ergibt sich zumindest durch die erfindungsgemäßen, einander in Bezug auf die Strömungsrichtung teilweise überdeckenden Wirbeleinbauflächen eine verlustarme und wirkungsvolle Durchmischung auf kurzer Mischstrecke.

[0007] Eine bevorzugte Weiterbildung des Mischers ist gekennzeichnet durch eine im Abstand hinter der Reihe angeordnete weitere Reihe von Einbauflächen, wobei die Anstellwinkel der Einbauflächen der weiteren Reihe entgegengesetzt zu den Anstellwinkeln der Einbauflächen der ersten Reihe sind. Durch eine solche Gestaltung des Mischers läßt sich zusätzlich zu dem Mischeffekt eine Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofiles über den Querschnitt des Strömungskanals erzielen.

[0008] Der Anstellwinkel der Einbauflächen in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung beträgt vorzugsweise zwischen 40° und 80°, vorzugsweise 60°.

[0009] In weiterer Ausgestaltung des Mischers wird vorgeschlagen, daß der Strömungskanal einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einem Verhältnis von Breite zu Dicke von B/D ≥ 2 aufweist, wobei die durch die Einbauflächen definierte Reihe sich in Richtung der Breite erstreckt.

[0010] Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Mischers dargestellt, und zwar zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen Strömungskanal mit darin in zwei Reihen angeordneten Wirbeleinbauflächen und

Figur 2 einen Querschnitt durch den Strömungskanal entlang der Ebene II-II der Figur 1.

[0011] Figur 1 zeigt im Längsschnitt einen sich bei 1 verengenden Strömungskanal von rechteckförmigem Querschnitt. Der Strömungskanal wird von einem im homogenen Gas- oder Flüssigkeitsgemisch durchströmt. Unter Gasen und Flüssigkeiten sind hier alle so genannten "Newtonschen Flüssigkeiten" zu verstehen, d.h. einschließlich solcher Fluide, die sich in ihren strömungstechnischen Eigenschaften vergleichbar den Gasen verhalten.

[0012] In Figur 2 ist der Strömungskanal einschließlich seiner Breite B und seiner Dicke D im Querschnitt dargestellt. Das Verhältnis der Breite B zur Dicke D sollte vorzugsweise B/D ≥ 2 betragen.

[0013] Figur 2 läßt ebenso wie Figur 1 erkennen, daß in dem Strömungskanal in Reihe zueinander Einbauflächen 2 angeordnet sind. Beim Ausführungsbeispiel wird die Reihe durch insgesamt vier Einbauflächen 2 gebildet. Die Einbauflächen 2 jeder Reihe, die sich im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung 3 erstreckt, sind gleichartig gestaltet mit vorzugsweise jeweils demselben Anstellwinkel α zur Hauptströmungsrichtung 3. Der Anstellwinkel α zur Hauptströmungsrichtung 3 beträgt zwischen 40° und 80°, vorzugsweise 60°.

[0014] Die frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten 4 der beim Ausführungsbeispiel kreisscheibenförmig gestalteten Einbauflächen 2 weisen sowohl eine in Hauptströmungsrichtung, als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente auf. Da ferner jede Einbaufläche 2 unter einem spitzen Winkel zu der Hauptströmungsrichtung 3 in dem Strömungskanal angeordnet ist, entstehen an jeder Vorderkante 4 der Einbauflächen 2 Wirbelfelder, welche sich stromabwärts kreiskegelförmig ausbreiten. Dabei wälzen sich die einzelnen Wirbel nach innen auf die Rückseite der Einbaufläche 2 ab. Die an den einzelnen Vorderkanten 4 gebildeten Wirbel verhalten sich weitgehend statisch, verändern daher ihre Lage nicht. Jedes Wirbelfeld bildet durch seine Rotation eine Strömungskomponente quer zur Hauptströmungsrichtung des Gases, die durch den damit verbundenen Impulsaustausch quer zur Strömungsrichtung eine gute Vermischung des Gasgemisches zur Folge hat. Verstärkt wird die Vermischung noch durch die besonders kompakte Anordnung der Einbauflächen 2 jeder Reihe, in dem sich einander benachbarte Einbauflächen 2 in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung 3 teilweise überdecken. Diese Überdeckung ist in Figur 2 mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnet und schraffiert eingezeichnet.

[0015] In Figur 1 ist mit v₁ das Geschwindigkeitsprofil der Gasströmung beim Eintritt in die Mischstrecke bezeichnet. Dieses Geschwindigkeitsprofil ist, etwa aufgrund einer vorangehenden Umlenkung der Gasströmung, ungleichmäßig. Wird einer ersten Reihe 6 von Einbauflächen 2 eine zweite Reihe 7 von Einbauflächen 2 nachgeordnet, und sind die Anstellwinkel α' der Einbauflächen der zweiten Reihe 7 entgegengesetzt zu den Anstellwinkeln α der Einbauflächen der ersten Reihe 6, läßt sich beim Austritt aus der Mischstrecke eine Vergleichmäßigung des Geschwindigkeitsprofils erzielen, wie dies in Figur 1 mit dem Geschwindigkeitsprofil v₂ eingetragen ist.

[0016] Beim Ausführungsbeispiel sind die Einbauflächen 2 jeweils als runde Scheiben gestaltet. In gleicher Weise können jedoch als Wirbeleinbauflächen auch Scheiben mit deltaförmiger bzw. dreieckiger Grundform verwendet werden, oder elliptische oder parabelförmige Scheiben. Auch solche Scheiben besitzen symmetrisch und jeweils schräg zur Mittelebene angeordnete Vorderkanten, wie sie für das Entstehen von Vorderkantenwirbeln entscheidend sind.

Bezugszeichenliste

[0017] 

1

Verengung

2

Einbaufläche

3

Hauptströmungsrichtung

4

Vorderkante

5

Überdeckung

6

Reihe von Einbauflächen

7

Reihe von Einbauflächen

B

Breite des Strömungskanals

D

Dicke des Strömungskanals

v₁

Geschwindigkeitsprofil beim Eintritt

v₂

Geschwindigkeitsprofil beim Austritt

Ü

Überdeckung

α

Anstellwinkel

α'

Anstellwinkel

Ansprüche

1. Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten, mit einem Strömungskanal und darin angeordneten, die Strömung beeinflussenden Einbauflächen (2), wobei die Einbauflächen wirbelerzeugende Flächen mit frei umströmten, gegen die Strömung gerichteten Vorderkanten (4) sind, deren Verlauf sowohl eine in Hauptströmungsrichtung (3) des Gases als auch eine quer hierzu verlaufende Komponente aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere gleichartige Einbauflächen (2) in einer Reihe (6) im wesentlichen quer zur Hauptströmungsrichtung (3) angeordnet sind, und daß sich einander benachbarte Einbauflächen (2) in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung (3) teilweise überdecken.

2. Mischer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Abstand hinter der Reihe (6) angeordnete weitere Reihe (7) von Einbauflächen (2), wobei die Anstellwinkel (α') der Einbauflächen der weiteren Reihe (7) entgegengesetzt zu den Anstellwinkeln (α) der Einbauflächen der ersten Reihe (6) sind.

3. Mischer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel (α) der Einbauflächen (2) zwischen 40° und 80° beträgt, vorzugsweise 60°.

4. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauflächen (2) runde, elliptische oder dreieckförmige Scheiben sind.

5. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskanal einen im wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einem Verhältnis von Breite (B) zu Dicke (D) von B/D ≥ 2 aufweist, wobei die durch die Einbauflächen (2) definierte Reihe (6, 7) sich in Richtung der Breite (B) erstreckt.

Zeichnung