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.
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.