(19)
(11) EP 4 464 970 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
20.11.2024  Patentblatt  2024/47

(21) Anmeldenummer: 23173806.3

(22) Anmeldetag:  17.05.2023
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC): 
F28F 1/40(2006.01)
(52) Gemeinsame Patentklassifikation (CPC) :
F28D 7/10; F28D 2021/0098; F28F 13/12; B01F 25/4321; B01F 25/4335; F28F 1/40; F28F 2215/10; F28F 2215/04
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
BA
Benannte Validierungsstaaten:
KH MA MD TN

(71) Anmelder: Berner Fachhochschule
2501 Biel (CH)

(72) Erfinder:
  • Moser, Lukas
    2575 Täuffelen (CH)
  • Glarner, Adrian
    3014 Bern (CH)

(74) Vertreter: BOVARD AG 
Patent- und Markenanwälte Optingenstrasse 16
3013 Bern
3013 Bern (CH)

   


(54) STRÖMUNGSELEMENT FÜR EIN NICHT-NEWTONSCHES FLUID


(57) Ein Strömungselement (1) für ein nicht-newtonsches Fluid, insbesondere für ein strukturviskoses Fluid mit einem Feststoffanteil, umfassend einen Rohrabschnitt (10) mit einer Innenwandung (13), welcher an ein Strömungsrohr anschliessbar und von dem Fluid entlang einer Strömungsrichtung durchströmbar ist, und einen an der Innenwandung (13) angeordneten Formkörper (20), umfassend einen sich in der Strömungsrichtung (3) erstreckenden ersten Formabschnitt (22), entlang dem eine Randzonenströmung von benachbarten Strömungsschichten trennbar und/oder zusammenführbar ist und mindestens einen zweiten Formabschnitt (24), entlang dem die getrennte und/oder zusammengeführte Randzonenströmung in Richtung einer Kernströmung führbar ist. Das Strömungselement ist in einem Strömungsrohr für definierte Fluide sowie in einem Wärmetauschrohr. Ferner wird ein Wärmetauschmodul beschrieben.




Beschreibung

Technisches Gebiet der Erfindung



[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Strömungselement für ein nicht-newtonsches Fluid, insbesondere für ein strukturviskoses Fluid mit einem Feststoffanteil. Das Strömungselement ist in einem Wärmetauscher zur Homogenisierung der Viskosität, Strömungsgeschwindigkeit und/oder der Temperaturverteilung einsetzbar.

Stand der Technik



[0002] Nicht-newtonsche Flüssigkeiten, wie dilatante, strukturviskose und Bingham-Fluide, zeigen komplexe rheologische Eigenschaften. Insbesondere verändert sich die Viskosität des nicht-newtonschen Fluids mit der Scherspannung und/oder der Temperatur. Bei strukturviskosen Fluiden nimmt mit ansteigender Scherspannung die Viskosität ab. Bei einer Rohrströmung eines strukturviskosen Fluids strömt dieses in einer Randzone durch die hier auftretende höhere Scherspannung mit höherer Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Strömungsgeschwindigkeit einer laminaren Kernströmung. Es besteht ein deutlicher Geschwindigkeitsgradient zwischen Randzonenströmung und Kernströmung. Es bildet sich eine Art Pfropfenströmung aus.

[0003] Verstärkt wird dieser Effekt in Wärmetauschern, da hier die über die Rohrwand übertragbare Wärme darüber hinaus die Viskosität des nicht-newtonschen Fluids in einer Grenzschicht gegenüber der Kernzone verändert. In der als Pfropfenströmung vorliegenden Kernströmung tritt nahezu keine Querströmung auf und die Strömungsgeschwindigkeit in Längsrichtung ist über die Kernströmung weitgehend konstant. Demnach findet die Wärmeübertragung quasi nur durch Wärmeleitung statt. Da zwischen dem in der Randzone strömenden Fluid und dem in der Kernzone strömenden Fluid quasi kein Temperaturausgleich stattfindet, verschlechtert sich der Wärmeübergang deutlich.

[0004] Für eine Strömungs- und/oder Temperaturharmonisierung sind für nicht-newtonsche Fluide Umlenkelemente und statische Mischer in vielfältigen Varianten bekannt, welche in Strömungsrohren einsetzbar oder entlang der Innenwandung anordenbar sind. Bekannte Umlenkelemente oder statische Mischer prägen der Strömung des nicht-newtonschen Fluids einen Drall, eine Teilung, Dehnung, Faltung und/oder zumindest eine Richtungsänderung auf, um die Randströmung mit der Kernströmung zu mischen bzw. um eine sich entlang der Innenwandung verlaufende Grenzschicht des Fluids zu minimieren, bestenfalls zu eliminieren. Die bekannten Umlenkelemente und statischen Mischer harmonisieren für nicht-newtonsche Fluide Temperatur- und/oder Geschwindigkeitsgradienten nur unzureichend und/oder können je nach Ausführungsform einen hohen Druckverlust erzeugen.

[0005] Der Einsatz von Umlenkelementen oder statischen Mischern ist dann besonders problematisch, wenn das nicht-newtonsche Fluid einen Feststoffanteil umfasst, insbesondere wenn es sich um nicht homogen geformte Feststoffe wie Fasern, Halme, biologische Abfälle etc. handelt. Ein Beispiel dieser hochkomplexen Fluide mit nicht-newtonschem Verhalten und inhomogenem Feststoffanteil ist Klärschlamm, Gülle, Abwasser aus der Landwirtschaft und der Nahrungsmittelindustrie, beispielsweise Fischzucht, und vergleichbares. Umlenkelemente und statische Mischer mit komplexen Strukturen sind für den Einsatz bei solchen Fluiden ungeeignet, da die im Fluid mitgeführten Feststoffe daran hängen bleiben, sich aufstauen und zum Verstopfen des Strömungsrohrs führen können.

[0006] DE 10 2013 222059 beschreibt ein verdrilltes Umlenkelement, welches in einem Wärmeübertragungsrohr angeordnet ist, um der Strömung eines Fluids eine Drehung aufzuprägen. Das Umlenkelement erstreckt sich spiralförmig entlang einer Axialrichtung des Wärmeübertragungsrohrs und weist eine Vielzahl an Ausnehmungen auf, so dass beim Durchströmen der Ausnehmungen die Richtung der Strömungsanteile verändert und der Strömungswiderstand sowie der Druckverlust reduziert wird. Dieses verdrillte Umlenkelement ist für Fluide mit einem Feststoffanteil vollkommen ungeeignet, da es zum Verstopfen durch die mitgeführten Fasern kommen kann.

[0007] US 2010212872 A1 bezieht sich auf einen Wärmetauscher, um Wärme auf einen in Wärmetauschrohren strömenden Schlamm zu übertragen. In dem Wärmetauschrohr sind eine Vielzahl von Mischelementen angeordnet, welche keine Kanten senkrecht zur Strömungsrichtung haben und innerhalb des Strömungsrohrs so positioniert und dimensioniert sind, dass mindestens 75% des Umfangs des Strömungsrohrs frei von Kanten sind. Allerdings sind die Mischelemente nicht dazu geeignet, das Fluid in die Mitte der Strömung zu lenken, so dass die erzielbare Wirkung nicht optimal ist.

[0008] EP 3587987 A1 beschreibt einen Rohrmischer für ein komplexes Fluid mit einem hohen Feststoffanteil, z.B. Fasern, welcher zwei konzentrische Rohre aufweist. In dem Innenrohr strömt das komplexe Fluid, wobei dieses in einem ersten Abschnitt ein verdrilltes hexagonales Rohr und in einem zweiten Abschnitt ein dazu gegenläufig verdrilltes hexagonales Rohr ist. Die Gestaltung des Innenrohrs erzielt für strukturviskose Fluide aufgrund ihrer Trägheit nur einen geringen Effekt.

Zusammenfassung der Erfindung



[0009] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Strömungselement für nicht-newtonsche Fluide, insbesondere für strukturviskose Fluide mit einem inhomogenen Feststoffanteil, vorzusehen, welches in Verbindung mit einem Strömungsrohr einsetzbar ist. Hierbei kann der Feststoffanteil bis zu 80% betragen. Das Strömungselement kann eine Komponente eines Wärmetauschmoduls sein. Das Strömungselement ist eingerichtet, um einen in der Fluidströmung herrschenden Viskositäts-, Temperatur- und/oder Geschwindigkeitsgradienten auszugleichen. Das Strömungselement ist ausgebildet, um die Wärmeübertragungsrate eines damit bestückten Wärmetauschmoduls zu verbessern und zu verhindern, dass sich der Feststoffanteil aufstaut und das Strömungsrohr verstopft.

[0010] Das Strömungselement kann an das Strömungsrohr angeschlossen werden, ohne dass ein Strömungshindernis entsteht. Vielmehr kann das Strömungselement als Abschnitt eines Strömungsrohrs ausgebildet sein, so dass der Strömungswiderstands und der Druckverlust des Strömungsrohrs minimiert werden. Leckageströme zwischen Innenwandung und Strömungselement und ein Aufstauen und Verstopfen der fluidführenden Rohre werden vermieden.

[0011] Das Strömungselement ist darüber hinaus geeignet, um in Wärmetauschern mit Kapazitäten von 200 W- 1000 KW eingesetzt werden zu können.

[0012] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein Strömungselement mit den Merkmalen des Anspruchs 1, der Verwendung des Strömungselements gemäss dem Anspruch 11 und einem Wärmetauschmodul gemäss Anspruch 13 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen ausserdem aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

[0013] Insbesondere werden die Ziele der vorliegenden Erfindung durch ein Strömungselement gelöst, welches eine Art Strömungsfaltung erzeugt, wobei der Grad von Gradienten in dem strömenden Fluid, sei es hinsichtlich der Viskosität, der Temperatur und/oder der Strömungsgeschwindigkeit, gezielt reduziert werden. Erreicht wird dies durch Separieren von Strömungsschichten, bzw. Zusammenführen einer Grenzschicht, bzw. einer Randzonenströmung, und deren Vermischen mit anderen Strömungsschichten. Besondere Herausforderungen ergeben sich dabei für nicht-newtonsche Flüssigkeiten mit einem inhomogenen Feststoffanteil.

[0014] Das erfindungsgemässe Strömungselement umfasst einen Rohrabschnitt mit einer Innenwandung, welcher an ein Strömungsrohr anschliessbar und von einem Fluid entlang einer Strömungsrichtung durchströmbar ist, sowie einen mit der Innenwandung verbindbaren Formkörper, umfassend eine sich in Strömungsrichtung erstreckenden ersten Formabschnitt, entlang der eine Randzonenströmung zusammenführbar ist und mindestens einen zweiten Formabschnitt, entlang der die zusammengeführte Randzonenströmung in Richtung einer Kernströmung führbar ist.

[0015] Die entlang der Innenwandung des Rohrabschnitts verlaufende Randzonenströmung wird durch den Formkörper mit entsprechenden Formabschnitten, auch als Strömungsleitfläche bezeichenbar, zusammengeführt, bzw. von benachbarten Strömungsschichten getrennt, und einer Strömungsrichtungsänderung unterworfen, die sowohl axiale als auch radiale Anteile aufweist. Man kann allgemein von einer Art Strömungsfaltung sprechen, wobei durch die Faltung der Randzonenströmung in die Kernströmung eine zumindest teilweise Vermischung unterschiedlicher Strömungsschichten und somit eine Homogenisierung hinsichtlich von Temperatur und/oder Geschwindigkeiten erreichbar ist.

[0016] Im Falle eines Wärmetauschmoduls mit einem integrierten Strömungselement gemäss der Erfindung kann durch die initiierte Strömungsfaltung der Wärmeübergang in der Randzone verbessert werden, so dass eine grössere Energiemenge übertragbar und die Kapazität eines entsprechend ausgebildeten Wärmetauschers erhöht ist. So hat sich gezeigt, dass die übertragbare Wärmemenge um 30% - 80% gegenüber einem baugleichen Wärmetauscher ohne Strömungselement verbessert werden konnte.

[0017] Das Strömungselement kann aus einem oder mehreren Materialien gefertigt sein. Beispielsweise kann das Strömungselement aus Chromstahl, Kunststoff und/oder Keramik hergestellt werden. Das Strömungselement kann einstückig ausgebildet sein, wobei der Formkörper integral an der Innenwandung des Rohrabschnitts geformt ist. Der Formkörper kann aber auch als ein separates Element geformt sein, welches mit der Innenwandung des Rohrabschnitts beispielsweise mittels Schweissen oder einer anderen geeigneten Verbindung fest verbindbar ist. Durch die Verbindung mit dem Rohrabschnitt werden die an dem Formkörper auftretenden Druckverlustkräfte unmittelbar an die Wand des Rohrabschnitts abgeführt, so dass auch dünnere Formkörper mit geringerer Wandstärke als bei nicht mit der Innenwandung verbundenen Strukturen möglich sind. Solche Formkörper ermöglichen einen grossen Leervolumenanteil im Strömungselement und somit einen geringeren Strömungswiderstand. Darüber hinaus ergibt sich, dass sich zwischen Formkörper und Innenwandung kein Strömungsfaden ausbildet, welcher nicht an einer Harmonisierung von Gradienten beteiligt wäre und sich nachteilige im Hinblick auf den Wärmeübergang auswirkt.

[0018] Das Strömungselement ist derart dimensionierbar, dass Endbereiche des Rohrabschnitts den gleichen Durchmesser haben wie die Strömungsrohre, an denen es stromaufwärts und/oder stromabwärts anschliessbar sind. Sie bilden mit diesen vorzugsweise einen glatten Übergang ohne Querschnittssprünge. Die Länge des Rohrabschnitts kann dem einfachen bis zu dem 10-fachen des Rohrdurchmessers betragen.

[0019] Der Rohrabschnitt selbst kann eine zylindrische Form mit einem konstanten Querschnitt haben. Alternativ beeinflusst eine geformte Innenwandung mit variierenden Querschnitten entlang der Longitudinalachse die Strömung und insbesondere die Strömungsgeschwindigkeit gezielt. Hierbei kann an Engstellen, bedingt durch das Volumen des Formkörpers, der Querschnitt erweitert werden.

[0020] Grundsätzlich kann das Strömungselement in einer Vielzahl von Ausführungsformen hinsichtlich des Formkörpers, der Formabschnitte und/oder der Formgebung der Innenwandung ausgebildet sein. In einer Ausführungsform ist der Formkörper zumindest teilweise näherungsweise ein L-Profil. Demnach kann der Formkörper zumindest abschnittsweise einen ersten Schenkel aufweisen, der mit der Innenwandung verbindbar ist und sich radial von dieser mit einer ersten Schenkellänge bis zu einem freien Ende erstreckt. An diesem freien Ende ist ein zweiter Schenkel vorgesehen, der mit dem ersten Schenkel einen Winkel bildet, vorzugsweise einen Winkel zwischen 45° und 120°, bevorzugt in etwa 90°. Die erste Schenkellänge und eine zweite Schenkellänge des zweiten Schenkels ebenso wie der von den Schenkeln gebildete Winkel können je nach Einsatzgebiet des Strömungselements und Dimension des Rohrabschnitts gewählt werden. Eine axiale Länge des Formkörpers, d.h. eine erste axiale Länge des ersten Formabschnitts und eine zweite axiale Länge des zweiten Formabschnitts, sind wählbar. Die Dimensionen und/oder der Querschnitt des Formkörpers können abschnittsweise variieren.

[0021] Der Rohrabschnitt und der Formkörper, bzw. die Formabschnitte, sind gestaltet, um eine optimale Strömung des Fluids, insbesondere eines nicht-newtonschen Fluids mit Feststoffanteil, zu ermöglichen. So sind Form, Dimension, Radien, Fasen etc. des Formkörpers und/oder des Rohrabschnitts wählbar, um einerseits einen möglichst geringen Strömungswiderstand zu erzeugen und andererseits, um die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids positiv im Sinne einer Harmonisierung zu beeinflussen. Das Strömungselement kann insbesondere derart dimensioniert und gestaltet werden, dass der Druckverlust minimiert und der Anteil der Randströmung, der in die Strömungsmitte geführt wird, maximiert wird. Das Strömungselement ist demnach stromlinienförmig ausbildbar, so dass durch graduelle Übergänge und ohne abrupte Richtungsänderungen nur eine geringe Blockierung entsteht.

[0022] Der erste Formabschnitt, welcher in Strömungsrichtung gesehen in einem Einlaufbereich der Strömung in den Rohrabschnitt liegt, ist ausgebildet, um die in der Randzone des Rohrabschnitts vorliegende Randströmung bzw. sich ausbildende Grenzschicht zusammenzuführen bzw. diese von anderen Strömungsschichten zu trennen und entlang nachfolgender Formabschnitte, bzw. Strömungsleitflächen, des Formkörpers zu führen. In dem Bestreben, den durch den Formkörper erzeugten Strömungswiderstand so gering wie möglich zu halten, kann der Formkörper einen Einlaufabschnitt aufweisen. Der Einlaufabschnitt kann als eine Spitze geformt sein, an welcher sich die Strömung teilt. Sanfte Dimensionsänderungen des Formkörpers und/oder des Rohrabschnitts sind bevorzugt. Die axiale Länge des ersten Formabschnitts ist im Vergleich zu der zweiten axialen Länge des zweiten Formabschnitts kürzer.

[0023] Der zweite Formabschnitt erstreckt sich weitgehend in longitudinaler Richtung entlang der Innenwandung des Rohrabschnitts, bevorzugt spiralförmig oder in einer wählbaren Bahnkurve. Der zweite Formabschnitt leitet die zusammengeführte Randzonenströmung entlang seiner Formfläche in Richtung Kernströmung. Diese Umlenkung, auch als Strömungsfaltung bezeichenbar, und die dadurch veranlasste mindestens teilweise Vermischung von Randzonen- und Kernströmung bedingt, dass ein Geschwindigkeitsgradient und gegebenenfalls auch ein Viskositäts- und/oder Temperaturgradient zwischen Randzonen- und Kernströmung verkleinert werden. Unterschiede innerhalb der Fluidströmung werden reduziert und es findet eine Harmonisierung statt. Dies ist insbesondere in Zusammenhang mit einer Wärmeübertragungskapazität in einem Wärmetauscher vorteilhaft.

[0024] Alternativ oder zusätzlich kann die Innenwandung der Rohrabschnitts derart geformt sein, dass der Fluidströmung eine Richtungsänderung und/oder eine Geschwindigkeitsänderung aufgeprägt wird, um eine Vermischung unterschiedlicher Strömungen zu begünstigen. Hierbei können Formflächen an der Innenwandung angeformt sein, entlang welcher der Strömung eine Richtungsänderung aufprägbar ist und es an dadurch verengten oder vergrösserten Strömungsquerschnitten zu Geschwindigkeitsänderungen kommt.

[0025] Der Formkörper erstreckt sich vorzugsweise entlang der Innenwandung spiralförmig um die Longitudinalachse des Rohrabschnitts. Ein Verdrillwinkel der Spiralform kann zwischen 90° und 180° liegen und beeinflusst die Tangentialgeschwindigkeit der Strömung. In Wärmetauschern sind Strömungselemente ausgebildet und angeordnet, um eine möglichst grosse Tangentialgeschwindigkeit zu erzeugen, um die für die Wärmeübertragung hinderliche Grenzschicht zu zerstören. Allerdings erhöht eine zu grosse Tangentialgeschwindigkeit den Druckverlust des Fluids. Der Verdrillwinkel sollte demnach in einem Bereich liegen, in dem beide Aspekte in Abstimmung aufeinander optimiert sind. Gemäss der Erfindung wird insbesondere durch die Formgebung des Formkörpers und der Gestaltung der Formabschnitte bzw. der Formflächen ein Austausch bzw. Abbau der Grenzschicht erreicht.

[0026] In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Formabschnitt des Formkörpers als T-Profil ausgebildet, von dem sich der zweite Formabschnitt und ein weiterer zweitere Formabschnitt parallel erstrecken. Der zweite Formabschnitt und der weitere zweite Formabschnitt verlaufen in individuellen Bahnkurven. So können sich die zweiten Formabschnitte mit ihren Formflächen mit gegenläufiger Drehrichtung bzw. Drehsinn spiralförmig entlang der Innenwandung des Rohrabschnitts erstrecken. Eine derart ausgebildeter Formkörper kann im Kernbereich der Strömung gegenläufige Strömungswirbel erzeugen, welche die Harmonisierung weiter begünstigen.

[0027] In einer weiteren Ausführungsform sind am Umfang des Rohrabschnitts mehrere Formkörper beabstandet zueinander angeordnet. Demnach können zwei um 180° versetzte, parallel zueinander sich erstreckende Formkörper an der Innenwandung des Rohrabschnitts vorgesehen sein. Von einem Ende des Rohrabschnitts betrachtet, formen die zwei Formkörper einen nahezu geschlossenen Kreis. Eine Anordnung von einem, zwei über die Longitudinalachse diametral gegenüberliegenden Formkörpern oder von drei oder vier am Umfang versetzt angeordneter Formkörper ist denkbar. Hierbei sind entlang des Umfangs die versetzten Formkörper bevorzugt gleichmässig verteilt angeordnet, z.B. im Falle von zwei Formkörpern sind diese um 90° zueinander versetzt. Unabhängig von der Anzahl der Formkörper definiert das Strömungselement einen freien Strömungskanal, durch den ein Teil des Fluids ungehindert strömt. Die durchströmte Fläche des Strömungskanals beeinflusst den Druckverlust und sollte sorgfältig gewählt werden.

[0028] Alternativ oder zusätzlich können auch mehrere in longitudinaler Strömungsrichtung hintereinander angeordnete Formkörper vorgesehen sein, welche mit gleichem oder mit abwechselndem Drehsinn oder gleichem oder unterschiedlichem Bahnkurvenverlauf anordenbar sind, wobei nachfolgende Formkörper bevorzugt versetzt um 90° anordenbar sind.

[0029] Ferner kann das Strömungselement bogenförmig ausgebildet sein. Mit der Bogenform lassen sich besonders kompakte Strömungsrohre konzipieren, insbesondere solche, die in Wärmetauschern einsetzbar sind.

[0030] Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf die Verwendung des Strömungselements in einem Strömungsrohr, in welchem ein nicht-newtonsches Fluid mit oder ohne einem Feststoffanteil strömt. Bei einem solchen Fluid nimmt die Viskosität mit steigender Scherrate ab. Dies ist auch für Fluide bekannt, welche langkettige Moleküle, längliche Partikel, Fasern wie Halme oder ein Gemisch davon aufweisen.

[0031] Das mit dem Strömungselement versehene Strömungsrohr kann ein Teil eines Wärmetauschmoduls eines Wärmetauschers sein. Wärmetauscher sind eingerichtet, um thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen zu übertragen, wobei einer der Stoffströme in dem Strömungsrohr bzw. durch das Strömungselement strömt. So kann beispielsweise Schlamm, Abwasser oder Gülle mit einer ersten Temperatur Wärme entzogen werden und auf ein Medium übertragen werden, welches ein newtonsches Fluid ohne Feststoffanteil und somit besser handhabbar ist.

[0032] Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein Wärmetauschmodul, umfassend das erfindungsgemässe Strömungselement. Das Wärmetauschmodul umfasst mindestens ein Wärmetauschrohr, bzw. Innenrohr mit dem Strömungselement, das innerhalb eines umgebenden Mantelrohrs angeordnet ist. Ein erstes Fluid, beispielsweise ein faser- und/oder partikelhaltiges nicht-newtonsches Fluid, strömt direkt durch das Innenrohr, während ein zweites Fluid, ein Kühl- oder Heizmedium, zwischen dem Innenrohr und dem Mantelrohr in entgegengesetzter oder gleicher Richtung strömt. Einzelne Wärmetauschmodule mit oder ohne Strömungselement können in Reihe geschaltet werden und mittels bogenförmiger Elemente zu einer kompakten Struktur zusammengefasst werden. Bevorzugt kann demnach ein Wärmetauscher mit einer Kapazität von 200 W bis 1000 kW aufgebaut sein.

[0033] Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nun folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemässen Strömungselements hervor, welches in den beiliegenden Zeichnungen beispielhaft dargestellt sind. Aus der Beschreibung lassen sich weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung entnehmen, sowie Anregungen und Vorschläge, wie der Erfindungsgegenstand im Rahmen des Beanspruchten abgeändert oder auch weiterentwickelt werden kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen



[0034] Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1a eine schematische perspektivische geschnittene Ansicht eines Strömungselements gemäss einer ersten Ausführungsform;

Figur 1b eine schematische Querschnittsansicht des Strömungselements gemäss Fig. 1a;

Figur 1c eine schematische perspektivische geschnittene Ansicht des Strömungselements gemäss Fig. 1a;

Figur 1d eine schematische perspektivische Ansicht eines Formkörpers gemäss der ersten Ausführungsform;

Figur 2a eine schematische perspektivische geschnittene Längsansicht eines Strömungselements gemäss einer zweiten Ausführungsform;

Figur 2b eine schematische Ansicht eines sich in dem Strömungselement gemäss Fig. 2a ausbildenden Strömungskanals;

Figur 3a eine schematische perspektivische geschnittene Längsansicht eines Strömungselements in einer dritten Ausführungsform;

Figur 3b eine schematische Ansicht eines sich in dem Strömungselement gemäss Fig. 3a ausbildenden Strömungskanals;

Figur 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines Strömungselements in einer vierten Ausführungsform mit verdeutlichten Strömungsflächen.


Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung



[0035] Figur 1 zeigt schematisch eine geschnittene perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines Strömungselements 1. Das Strömungselement 1 erstreckt sich entlang einer Longitudinalachse 2. Das Strömungselement 1 umfasst einen Rohrabschnitt 10 mit einem ersten Ende 11 und einem zweiten Ende 12 und einer weitgehend zylindrischen Aussenform. In Strömungsrichtung 3 gesehen, liegt das erste Ende 11 stromaufwärts und das zweite Ende 12 stromabwärts. Der Rohrabschnitt 10 ist mit dem ersten Ende 11 und/oder dem zweiten Ende 12 mit einem Strömungsrohr (nicht dargestellt) verbindbar.

[0036] Der Rohrabschnitt 10 hat eine Innenwandung 13, welche zumindest teilweise mit einer geformten Fläche, bzw. entlang der Longitudinalachse 2 mit variierenden Querschnitten, ausgebildet sein kann. Ausgehend vom ersten Ende 11 und sich in Richtung zweites Ende 12 erstreckend, ist ein Formkörper 20 vorgesehen, welcher integral oder fest verbunden mit der Innenwandung 13 ist. Der Formkörper 20 umfasst Formabschnitte, welche Formflächen oder sogenannte Strömungsleitflächen bilden. Der Formkörper 20 ist eingerichtet, um die Strömung eines das Strömungselement 1 durchströmenden Fluids zumindest teilweise zu verändern. Insbesondere kann die Strömungsrichtung des Fluids beeinflusst werden, um ein drehendes Strömen des Fluids in einer Kernzone auszulösen. Wie dargestellt, umfasst der Formkörper 20 einen ersten Formabschnitt 22 mit einer ersten Formfläche sowie einen zweiten Formabschnitt 24 und einen weiteren zweiten Formabschnitt 25 mit zwei verdrillten zweiten Formflächen. Der eine zweite Formabschnitt 24 und der weitere zweite Formabschnitt 25 verlaufen parallel zueinander und definieren in longitudinaler Richtung spiralförmige Bahnkurven. Die verdrillten zweiten Formabschnitte 24, 25 haben einen Verdrillwinkel zwischen 90 und 180°, so dass sie im Querschnitt einen nahezu geschlossenen Kreis mit einem zentralen freien Strömungskanal 4 entlang der Longitudinalachse 2 definieren, wie dies in Figur 1b gezeigt ist. Eine Vielzahl von Formkörpern 20 und ihre Formgebung sind denkbar, wobei sich die Kontur des freien Strömungskanals 4 entsprechend ändert und eine symmetrische oder unsymmetrische Kontur annehmen kann.

[0037] Hierfür umfasst jeder Formkörper 20 den ersten Formabschnitt 22 und mindestens den sich in longitudinaler Richtung anschliessenden zweiten Formabschnitt 24, der entlang einer Bahnkurve Strömungsleitflächen bereitstellt. Der erste Formabschnitt 22 hat bevorzugt ein T-Profil und der mindestens eine zweite Formabschnitt 24 hat, wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, bevorzugt ein L-Profil. Das L-Profil ist mit einem ersten Schenkel 26 stets mit der Innenwandung 13 verbunden und umfasst an einem freien Ende einen zweiten sich radial von der Innenwandung 13 erstreckenden Schenkel 27, der mit dem ersten Schenkel 26 einen Winkel bildet. Vorzugsweise bilden der erste Schenkel 26 und der zweite Schenkel 27 einen 90° Winkel. Die Profile des Formkörpers 20 sind eingerichtet, um eine Randzonenströmung zusammenzufassen und/oder diese von benachbarten Strömungsschichten zu trennen.

[0038] In der dargestellten Ausführungsform erstreckt sich der erste Formabschnitt 22 weitgehend parallel zur Longitudinalachse 2, wobei der anschliessende mindestens eine zweite Formabschnitt 24 sich entlang der spiralförmigen Bahnkurve erstreckt. Somit wird der von dem Formkörper 20 zusammengefasste bzw. separierte und entlang des mindestens einen zweiten Formabschnitts 24 geführte Randzonenströmung ein Drall aufgeprägt. Der Verdrillwinkel des mindestens einen zweiten Formabschnitts 24 und eine axiale Länge des Formkörpers 20 beeinflussen den Drehgrad des strömenden Fluids und somit den Wert der Tangentialgeschwindigkeit und des Druckverlustes. Es entsteht unter der Wirkung des Strömungselements 1 eine sich drehende Strömung in einem Kernbereich.

[0039] Ferner wird aus der Fig. 1a die Formgebung der Innenwandung 13 entlang der longitudinalen Richtung deutlich. Der Querschnitt der Innenwandung 13 verändert sich, wobei sanfte bzw. graduelle Übergänge vorgesehen sind, um den daraus resultierenden Strömungswiderstand in Strömungsrichtung zu minimieren. Die Längen des ersten Schenkels 26 und/oder des zweiten Schenkels 27 des Formkörpers 20 können entlang ihrer axialen Längen variieren und können mit der Formgebung der Innenwandung 13 korrespondieren.

[0040] Figur 1b zeigt schematisch eine Aufsicht auf das Strömungselement 1, wobei in Strömungsrichtung gesehen am ersten Ende 11 der erste Formabschnitt 22 an der Innenwandung 13 angeordnet ist und sich der zweite Formabschnitt 24 und der weitere zweite Formabschnitt 25 spiralförmig um die Longitudinalachse 2 verlaufend erstrecken. In der dargestellten Ausführungsform definieren der zweite Formabschnitt 24 und der weitere zweite Formabschnitt 25 einen zylindrischen mittigen Strömungskanal 4.

[0041] Figur 1c zeigt schematisch eine perspektivische geschnittene Ansicht des Strömungselements 1 gemäss der ersten Ausführungsform, wobei der Formkörper 20 verdeutlicht wird.

[0042] Figur 1d zeigt schematisch in Perspektive das freigeschnittene Strömungselement 1 gemäss der ersten Ausführungsform. In Strömungsrichtung 3 gesehen umfasst der Formkörper 20 einen spitz zu laufenden Einlaufabschnitt 28, den ersten Formabschnitt 22 und den zweiten Formabschnitt 24 sowie den parallel verlaufenden weiteren zweiten Formabschnitt 25. Gemäss der dargestellten ersten Ausführungsform sind die stromabwärts orientierten Enden der zweiten Formabschnitte 24, 25 miteinander mittels eines Verbindungsteils 29 verbunden, welches eine stabilere Verbindung zur Innenwandung 13 erlaubt.

[0043] Eine zweite Ausführungsform des Strömungselements 1, wie in Figur 2a gezeigt, umfasst eine Vielzahl von Formkörpern 20, welche beabstandet zueinander am Umfang des Rohrabschnitts 10 angeordnet sind. Jeder Formkörper 20 umfasst den ersten Formabschnitt 22 und den zweiten Formabschnitt 24 sowie den parallelen weiteren zweiten Formabschnitt 25. Hier verlaufen die zweiten Formabschnitte 24, 25 nicht spiralförmig, sondern weitgehend parallel zur Longitudinalachse 2. Wie dargestellt, sind die mehreren Formkörper 20 gleichmässig am Innenumfang des Rohrabschnitts 10 verteilt angeordnet, d.h. versetzt um 90° und mit gleichem Abstand zueinander. Die Formkörper 20 erzeugen demnach zusammengenommen den Strömungskanal 4 mit der durchströmten Fläche 5.

[0044] Die schematische Kontur der durchströmten Fläche 5 kann der Figur 2b entnommen werden. Die Figur 2b stellt stark vereinfacht diese durchströmte Fläche 5 in aufeinander folgenden Querschnitten dar, die sich bei einer Anordnung von um 90° versetzten Formkörpern 20 ausbildet und entlang der Longitudinalachse 2 verändert. Erkennbar ist der Einfluss der jeweiligen L-Profile der Formkörper 20, entlang denen die zusammengefasste Randzonenströmung geführt wird.

[0045] Eine dritte Ausführungsform des Strömungselements 1, wie in Figur 3a gezeigt, umfasst zwei in Reihe angeordnete Formkörper 20, die um 90° versetzt zueinander angeordnet sind und entsprechende Strömungsleitflächen in Verbindung mit der geformten Innenwandung 13 bilden. Jeder der Formkörper 20 weist den spitz zulaufenden Einlaufabschnitt 28 auf, an dem sich das strömende Fluid trennt und entlang der sich in Strömungsrichtung 3 anschliessenden zweiten Formabschnitten 24, 25, bzw. den Strömungsleitflächen, geführt wird. Der Formkörper 20 ist mit einer Fläche stets in Kontakt mit der Innenwandung 13, welche eine entsprechende Querschnittsform aufweist. Die Form und Dimension des bzw. der Formkörper 20 korrespondieren mit der Gestalt der Innenwandung 13, so dass sich eine entlang der longitudinalen Richtung variierende durchströmte Fläche 5 ergibt, wie dies in Fig. 3b dargestellt ist

[0046] In Fig. 3b wird für die dritte Ausführungsform stark vereinfacht das sich ausbildende Strömungsprofil in aufeinanderfolgenden Querschnitten gezeigt. Der Strömungskanal 4 verläuft nicht koaxial um die Longitudinalachse 2 (nicht dargestellt), sondern erzeugt einen wellenförmigen Strömungsweg. Durch die hintereinander angeordneten und um 90° versetzten Formkörper 20 wird eine gewünschte verdrehte Strömung des in dem Strömungselements 1 geführten Fluids erreicht, wobei vermieden wird, dass sich eventuell mitgeführte partikel- oder faserartige Feststoffe aufstauen. Dies kann erreicht werden, indem die Randzonenströmung durch den Formkörper 20 so verschoben wird, dass diese lokal abgebaut und durch eine nachfolgende Faltung und Trennung in die Strömungsmitte geführt wird.

[0047] Eine vierte Ausführungsform des Strömungselements 1 ist in Figur 4 in einer schematischen perspektivischen Ansicht gezeigt, welche es erlaubt den Verlauf des Strömungskanals 4 zu zeigen. Das Strömungselement 1 weist eine Bogenform auf, so dass das erste Ende 11 und das zweite Ende 12 in einer Ebene liegen. Im Eintrittsbereich der Fluidströmung am ersten Ende 11 sind mehrere versetzt zueinander angeordnete Formkörper 20 vorgesehen, die als nicht schraffierte Flächen in den dargestellten Strömungsflächen 5 erahnbar sind. Der Formkörper 20 ist mit einer axialen Länge mit der Innenwandung 13 verbunden und folgt der gebogenen Form des Rohrabschnitts 10. Die insgesamt vier um 90° versetzt zueinander angeordneten Formkörper 20 erzeugen den Strömungskanal 4 eine sich in ihrer Form verändernden durchströmten Fläche 5.


Ansprüche

1. Ein Strömungselement (1) für ein nicht-newtonsches Fluid, insbesondere für ein strukturviskoses Fluid mit einem Feststoffanteil, umfassend

- einen Rohrabschnitt (10) mit einer Innenwandung (13), welcher an ein Strömungsrohr anschliessbar und von dem Fluid entlang einer Strömungsrichtung durchströmbar ist, und

- einen an der Innenwandung (13) angeordneten Formkörper (20), umfassend einen sich in der Strömungsrichtung (3) erstreckenden ersten Formabschnitt (22), entlang dem eine Randzonenströmung von benachbarten Strömungsschichten trennbar und/oder zusammenführbar ist und mindestens einen zweiten Formabschnitt (24), entlang dem die getrennte und/oder zusammengeführte Randzonenströmung in Richtung einer Kernströmung führbar ist.


 
2. Das Strömungselement (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (20) zumindest teilweise ein L-Profil aufweist.
 
3. Das Strömungselement (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mindestens eine zweite Formabschnitt (24) des Formkörpers (20) entlang einer Bahnkurve entlang eines Teils der Innenwandung (13) des Rohrabschnitts (10) erstreckt, wobei die Bahnkurve spiralförmig oder parallel zur Longitudinalachse (2) verläuft.
 
4. Das Strömungselement (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (20) einen T-förmigen ersten Formabschnitt (22) sowie einen L-förmigen zweiten Formabschnitt (24) und einen L-förmigen weiteren zweiten Formabschnitt (25) umfasst, wobei sich der zweite Formabschnitt (24) und der weitere zweite Formabschnitt (25) mit gegenläufiger Orientierung spiralförmig entlang der Innenwandung (13) des Rohrabschnitts (10) erstrecken.
 
5. Das Strömungselement (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Form und Dimensionen des Formkörpers (20) entlang einer axialen Länge variieren.
 
6. Das Strömungselement (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Umfang des Rohrabschnitts (10) mehrere Formkörper (20) beabstandet zueinander angeordnet sind.
 
7. Das Strömungselement (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rohrabschnitt (10) mehrere Formkörper (20) in Strömungsrichtung (3) hintereinander angeordnet sind.
 
8. Das Strömungselement (1) gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in Strömungsrichtung (3) hintereinander angeordnete mehrere Formkörper (20) zueinander versetzt angeordnet sind.
 
9. Das Strömungselement (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (10) in Strömungsrichtung (3) mit einem variierenden Innendurchmesser ausgebildet ist.
 
10. Das Strömungselement (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungselement (1) bogenförmig ausgebildet ist.
 
11. Verwendung eines Strömungselements (1) gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Strömungsrohr, dadurch gekennzeichnet, dass in diesem ein nicht-newtonsches Fluid mit einem Feststoffanteil strömt.
 
12. Die Verwendung eines Strömungselements (1) gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsrohr ein Wärmetauschrohr in einem Wärmetauscher ist.
 
13. Wärmetauschmodul mit einem Strömungselement (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetauschmodul ein Mantelrohr und ein darin angeordnetes Innenrohr mit integriertem Strömungselement umfasst, wobei das Innenrohr von einem nicht-newtonschen Fluid durchströmt ist und zwischen Innenrohr und Mantelrohr ein zweites Fluid als Kühl- oder Heizmedium strömt.
 
14. Das Wärmetauschmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Wärmetauschmodulen mit oder ohne Strömungselement (1) in Reihe geschaltet einen Wärmetauscher bilden, deren Kapazität in einem Bereich von 200 W bis 1000 kW liegt.
 
15. Ein Wärmetauscher, umfassend mindestens ein Wärmetauschmodul nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Wärmetauschmodul in Reihe mit einer Vielzahl von Strömungsrohren und/oder Wärmetauschmodulen geschaltet ist und der Wärmetauscher eine Kapazität von 200 W bis 1000 kW aufweist.
 




Zeichnung



















Recherchenbericht









Recherchenbericht




Angeführte Verweise

IN DER BESCHREIBUNG AUFGEFÜHRTE DOKUMENTE



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In der Beschreibung aufgeführte Patentdokumente