EP1170054B1 - Mischer für die Mischung von Gasen und anderen Newtonschen Flüssigkeiten - Google Patents
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- B01F25/4316—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being flat pieces of material, e.g. intermeshing, fixed to the wall or fixed on a central rod
- B01F25/43161—Straight mixing tubes with baffles or obstructions that do not cause substantial pressure drop; Baffles therefor the baffles being flat pieces of material, e.g. intermeshing, fixed to the wall or fixed on a central rod composed of consecutive sections of flat pieces of material
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Definitions
- the invention relates to a mixer for the mixture of gases and other Newtonian fluids, with a flow channel and arranged therein flow influencing installation surfaces, the installation surfaces are vortex generating surfaces with free flowing, directed against the flow leading edges, the course of both in the main flow direction of the Gas as well as a transverse thereto extending component.
- mixing lengths of 15 to 100 times the channel diameter are required for turbulent flow.
- this mixing section can be significantly shortened.
- it must be taken in most conventionally used systems, a high pressure loss especially when high demands are placed on the homogeneity of the self-adjusting mixture.
- Many of the conventional mixing systems are also limited to simple geometries, e.g. on cylindrical tubes or square channels, and can not be applied to large scale systems and complex mixing chamber systems.
- the invention has for its object to provide a mixer for the mixture of gases and other Newtonian fluids, which causes a rapid mixing at even shorter mixing distance.
- Such a trained mixer allows a particularly rapid mixing of the flow at a very short mixing distance.
- the mixing has the consequence that the profiles of the guided gas and / or liquid flow are uniformed, with performance losses are avoided.
- extensive and stable vortex vortex mounting surface according to the invention has a relatively low flow resistance, since it does not act with its entire surface as a guide surface, but with their front edges static vortex fields generated that automatically expand in the flow direction without additional installations for this extension or fins would be required. It results at least by the invention, each with respect to the flow direction partially overlapping vortex mounting surfaces a low-loss and effective mixing on a short mixing section.
- a preferred development of the mixer is characterized by a further row of installation surfaces arranged at a distance behind the row, wherein the angles of incidence of the installation surfaces of the further row are opposite to the angles of incidence of the installation surfaces of the first row.
- the angle of attack of the installation surfaces with respect to the main flow direction is preferably between 40 ° and 80 °, preferably 60 °.
- the flow channel has a substantially rectangular cross section with a width to thickness ratio of B / D ⁇ 2, the row defined by the installation surfaces extending in the direction of the width.
- FIG. 1 shows in longitudinal section a flow channel of rectangular cross-section narrowing at 1.
- the flow channel is flowed through by a homogeneous gas or liquid mixture.
- gases and liquids are meant here all so-called “Newtonian liquids”, i. including those fluids that behave in their fluidic properties comparable to the gases.
- the flow channel including its width B and its thickness D is shown in cross section.
- the ratio of the width B to the thickness D should preferably be B / D ⁇ 2.
- FIG. 2 like FIG. 1, shows that mounting surfaces 2 are arranged in series in the flow channel.
- the row is formed by a total of four installation surfaces 2.
- the mounting surfaces 2 of each row which extends substantially transversely to the main flow direction 3, are designed identically with preferably the same angle of attack ⁇ to the main flow direction 3.
- the angle of attack ⁇ to the main flow direction 3 is between 40 ° and 80 °, preferably 60 °.
- the free flow around, directed against the flow leading edges 4 of the circular disk-shaped in the embodiment of the installation surfaces 2 have both a main flow direction, as well as a transverse thereto extending component. Further, since each mounting surface 2 is arranged at an acute angle to the main flow direction 3 in the flow channel, formed at each leading edge 4 of the mounting surfaces 2 vortex fields, which propagate in the form of a circle in the shape of a circle. In this case, the individual vortices roll inward on the back of the mounting surface 2. The vortices formed at the individual leading edges 4 behave largely statically, therefore do not change their position.
- each vortex field forms a flow component transverse to the main flow direction of the gas, which results in a good mixing of the gas mixture as a result of the associated momentum exchange transverse to the flow direction.
- the mixing is further enhanced by the particularly compact arrangement of the mounting surfaces 2 of each row, in which adjacent mounting surfaces 2 partially overlap with respect to the main flow direction 3. This overlap is indicated in Figure 2 by the reference numeral 5 and hatched drawn.
- v 1 denotes the velocity profile of the gas flow on entering the mixing section. This velocity profile is nonuniform, due to, for example, a prior deflection of the gas flow. If a second row 7 of installation surfaces 2 is arranged downstream of a first row 6 of installation surfaces 2, and if the angles of incidence ⁇ 'of the installation surfaces of the second row 7 are opposite to the angles ⁇ of the installation surfaces of the first row 6, a homogenization can be achieved on exiting the mixing section achieve the velocity profile, as shown in Figure 1 with the velocity profile v 2 .
- the mounting surfaces 2 are each designed as round discs.
- disks with a delta-shaped or triangular basic shape, or elliptical or parabolic disks may also be used as the swirl mounting surfaces.
- Such discs also have symmetrical and each inclined to the center plane arranged leading edges, as they are crucial for the emergence of leading edge vortices.
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Description
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 erweitem, 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.
- 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.
- Der Anstellwinkel der Einbauflächen in Bezug auf die Hauptströmungsrichtung beträgt vorzugsweise zwischen 40° und 80°, vorzugsweise 60°.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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°.
- 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 femer 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.
- 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.
- 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.
-
- 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
Claims (5)
- 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. - 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.
- Mischer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anstellwinkel (α) der Einbauflächen (2) zwischen 40° und 80° beträgt, vorzugsweise 60°.
- Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einbauflächen (2) runde, elliptische oder dreieckförmige Scheiben sind.
- 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.
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