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Die
Erfindung betrifft einen von einem ein- oder mehrphasigen Fluid
(Gas und/oder Flüssigkeit) durchströmbaren Mischer
aus insbesondere temperaturbeständigem
Material zum Durchmischen (und/oder Filtern) von Fluiden. Unter ”Durchmischen” wird dabei
eine Vergleichmäßigung der
Strömungsgeschwindigkeit über eine
durchströmbare
Fläche und/oder
eine Homogenisierung der Vermischung einer Mehrphasenströmung über die
durchströmbare Fläche verstanden.
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Bekannte
Mischer für
ein- oder mehrphasige Fluide bestehen aus gewellten Stahlblechen
oder keramischen Monolithen. Die Kanäle für den Transport des Fluids
werden meistens durch Wickeln oder Zusammenfassen mehrerer Einheiten
von Blechen oder keramischen Monolithen gebildet. Die Kanäle verlaufen
von einer Eintrittsfläche
des Mischers zu einer Austrittsfläche und können sich kreuzen, um die Vermischung
zu verbessern.
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Ein
derartiger Mischer ist aus
EP
1 012 127 B1 bekannt, bei dem der Körper des Mischers aus einem
porösen
Material besteht, in dem Kanäle
ausgebildet sind. Es sind erste und zweite Kanäle vorgesehen, die sich zumindest
teilweise durchdringen. Eine Vermischung des Fluids findet aufgrund
der Porosität des
Körpers,
welche die Kanäle
miteinander verbindet, statt.
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Die
bekannten Mischer lassen sich nicht in beliebiger Länge herstellen,
so dass mehrere Mischereinheiten hintereinandergeschaltet werden müssen, was
die Herstellung aufwendiger und teurer macht.
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Darüber hinaus
ist der Verlauf der Strömung in
den bekannten Mischern im Hinblick auf den Kontakt zu der Kanalwand
nicht optimal. In den meisten Mischern bildet sich im Kanal nach
einer kurzen Eindringtiefe, die von dem hydraulischen Durchmesser des
Kanals abhängig
ist, eine laminare Strömung aus.
Im Eintrittsbereich herrscht aufgrund der Einlaufströmung ein
turbulenzartiger Zustand, der für
einen guten Stofftransport zur Kanalwand sorgt, während tiefer
im Mischer Gasmoleküle
nur aufgrund von Diffusionsvorgängen
an die Oberfläche
des Mischers gelangen.
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Aus
DE 3926466 A1 ist
ein Mikroreaktor bekannt, der aus einer Vielzahl von in Teilbereichen
genuteten Platten besteht, die übereinander
angeordnet sind. Die Nutungen verlaufen in benachbarten Platten
quer zueinander. Allerdings kreuzen sich die Nuten benachbarter
Platten nicht unter fluidischer Verbindung. Vielmehr verlaufen die
Nuten, die schließlich
die Kanäle
bilden, von einander getrennt und übereinander.
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Bei
dem bekannten Mikroreaktor werden dem Mischvorgang durch hermetisch
voneinander getrennte Kanäle
Reaktanten zugeführt,
die dann kleinräumig
intensiv miteinander vermischt werden. Eine Absicht, Stoffbestandteile
aus weit voneinander entfernten Bereichen des Reaktors miteinander
zu vermischen, besteht nicht.
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Aus
DE 2739627 A1 ist
ein Kontrollkörper
für Flüssigkeiten
und Gas bekannt, der aus einer Vielzahl von wellenförmigen Lagen
besteht, wobei die Wellen derart orientiert sind, dass die Vertiefungen und
Erhöhungen
benachbarter Lagen winklig zueinander verlaufen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von einem Fluid durchströmbaren Körper aus insbesondere
temperaturbeständigem
Material zum Mischen von Fluiden zu schaffen, bei dem die statische
Mischung von ein- oder mehrphasigen Fluidströmungen verbessert und die Herstellung
vereinfach ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Mischer aus insbesondere
temperaturbeständigem
Material zum Durchmischen einer insbesondere Mehrphasen-Gasströmung vorgeschlagen, der
versehen ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Nach
der Erfindung weist der Körper
des Mischers aus insbesondere temperaturbeständigem Material wie z. B. keramischem
Material zwei unterschiedliche Kanal- oder Porensysteme auf, nämlich Haupt-
und Nebenkanäle,
die unterschiedliche hydraulische Durchmesser aufweisen. Dabei können die
Kanäle
der beiden Systeme geordnet z. B. parallel oder ungeordnet zueinander
sein. Die Kanäle
verlaufen z. B. winklig zueinander und können sich von der Eingangs- bis zur Ausgangsseite
und/oder diese verbindenden Außenseiten
bis zur Eingangs- und/oder Ausgangsseite erstrecken. Die Kanäle können geradlinig
oder beliebig gekrümmt
mit oder ohne geradlinigen Abschnitten verlaufen.
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Unter ”Kanal” im Sinne
der Erfindung ist nicht notwendigerweise ein allseitig von Wänden begrenzter
Durchgang durch den Körper
gemeint. Ein Kanal nach der Erfindung kann also auch eine Aufeinanderfolge
von Löchern
oder Öffnungen
in den Wänden sein.
So ist es beispielsweise möglich,
dass der Körper
ein erstes Kanalsystem (z. B. der Nebenkanäle) aufweist, das Wandungen
aufweist, welche mit miteinander fluchtenden Öffnungen versehen sind, wobei
einzelne Gruppen von Öffnungen
in den Wandungen benachbarter Kanäle des ersten Kanalsystems miteinander
fluchten und die Kanäle
des zweiten Kanalsystems bilden.
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Die
Haupt- und/oder Nebenkanäle
können grundsätzlich jede
beliebige Form und Erstreckung (Verlauf) aufweisen, also z. B. gradlinig,
schräg,
gebogen etc. sein.
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Unter ”Kanal” im Sinne
der Erfindung ist also ein den Mischerkörper durchziehender Bereich
gemeint, der für
das durchströmende
Fluid einen geringen Strömungswiderstand
darstellt als die angrenzenden Bereiche des Mischerkörpers.
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Der
erfindungsgemäße Mischer
weist eine verbesserte (mikroskopische und makroskopische) Durchmischung
und damit eine verbesserte Homogenisierung eines Fluids (ein- oder
mehrphasige Strömung)
auf. Besonders zweckmäßig ist
die Verwendung eines keramischen Schaums, in den sich unter fluidischer
Verbindung kreuzende Neben- und Hauptkanäle eingebracht
sind.
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Aber
auch ein Körper,
der übereinanderliegende
gewellte Folien (gegebenenfalls mit dazwischenliegenden ebenen Folien)
aufweist, die einen Stapel bilden oder zu einem Wickelkörper geformt sind,
kann als Mischerkörper
eingesetzt werden. Die in die einzelnen Lagen eingebrachten Öffnungen
sind so angeordnet, dass sie in winklig zur Wellung der Folien verlaufenden
Richtungen fluchten, wenn die Folien übereinander gelegt oder gewickelt
sind. Die Folien können
aus Metall bestehen. Alternativ kann ein stranggepresster Körper aus
z. B. keramischem Material verwendet werden, wie er von Katalysatoren für Kraftfahrzeuge
her bekannt ist, in den quer zu diesen Kanälen verlaufende weitere Kanäle eingebracht werden.
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Vorteilhafterweise
verlaufen die Nebenkanäle
im wesentlichen parallel zueinander.
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Zweckmäßig ist
es, wenn die Nebenkanäle im
wesentlichen parallel zur Erstreckung des Körpers zwischen dessen Eingangs-
und dessen Ausgangsseite verlaufen.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung ist vorgesehen, dass die Nebenkanäle ein im wesentlichen homogenes
Porensystem bilden, das feinzelliger ist und einen kleineren hydraulischen Durchmesser
bildet als das System der Hauptkanäle.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Hauptkanäle
von der Eingangs- bis zur Ausgangsseite.
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Zweckmäßig ist
es, wenn sich die Hauptkanäle
in unterschiedlichen Richtungen durch den Körper erstrecken.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist vorgesehen, dass sich zumindest einer der Hauptkanäle von der
Eingangsseite zur die Eingangsseite mit der Ausgangsseite verbindenden
Seitenwand des Körpers und/oder
von dieser bis zur Ausgangsseite des Körpers erstreckt.
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Zweckmäßig ist
es ferner, wenn die Nebenkanäle
Kanalwände
aufweisen, durch die benachbarte Nebenkanäle voneinander getrennt sind, und
dass die Hauptkanäle
durch jeweils miteinander fluchtende Löcher in den Kanalwänden der
Nebenkanäle
definiert sind.
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Vorteilhafterweise
kreuzen sich die Hauptkanäle
unter fluidischer Verbindung untereinander.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung weist der Körper
eine Vielzahl von übereinander
angeordneten Lagen aus gewellten Folien mit wechselweise nebeneinander
liegenden Erhebungen und Vertiefungen auf, die sich winklig zum Verlauf
zweier gegenüberliegender
Ränder
der Folien erstrecken, wobei diese Ränder der übereinander angeordneten Folien
die Eingangs- und die Ausgangseite des Körpers bilden, und dass in die
Folien miteinander fluchtende Löcher
eingebracht sind, wobei diese fluchtenden Löcher jeweils einen Hauptkanal
definieren.
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Vorteilhafterweise
ist zwischen benachbarten gewellten Folien jeweils eine ebene Folie
angeordnet ist.
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Zweckmäßig ist
es darüber
hinaus, wenn die übereinanderliegenden
Lagen von gewellten Folien durch Wickeln einer gewellten Folie erzeugt
sind.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Körper aus übereinanderliegenden gewellten
Folienlagen durch gegensinniges Umbiegen um zwei zueinander beabstandete
und parallele Biegeachsen hergestellt ist.
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Vorteilhafterweise
weist der Körper
ein porösen
Material auf, in dem die Haupt- und die Nebenkanäle ausgebildet sind.
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Zweckmäßig ist
es, wenn der Körper
Nebenkanäle
aufweist, die im Bereich einer die Eingangsseite mit der Ausgangsseite
verbindenden Außenseite
des Körpers
münden.
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Der
zuvor beschriebene erfindungsgemäße Mischer
weist also einen zwei- oder dreidimensionalen Körper auf, der z. B. einem nachfolgenden
Katalysator vorgeschaltet und/oder selbst Träger einer katalytischen Beschichtung
sein kann. Die Durchströmbarkeit
des Körpers
beruht auf zumindest zwei verschiedenen Strömungssystemen mit unterschiedlichen
mittleren hydraulischen Durchmessern, nämlich einem ersten System mit
einem kleineren mittleren hydraulischen Durchmesser, z. B. einem
Porensystem, das für
die kleinräumige
Vermischung der Fluidkomponenten und -phasen verantwortlich ist und/oder
als wesentlicher Oberflächenträger für eine etwaige
katalytische Beschichtung dient, sowie einem zweiten System mit
einem größeren mittleren hydraulischem
Durchmesser, z. B. einem zweckmäßig gestalteten
Kanalsystem, das hauptsächlich
für die
großräumige Vermischung
verantwortlich ist. Dabei kann das Kanalsystem selbst aus einem
(im allgemeinen gröberen)
Porenwerkstoff aufgebaut sein. Es können weitere Kanalsysteme aus
unterschiedlich groben Porenwerkstoffen vorliegen. Weiterhin kann
das Kanalsystem durch feinporige Zonen unterbrochen sein. Alle diese
Eigenschaften können
in diskreten Zuständen
oder in ganz oder teilweise kontinuierlich variablen Zuständen vorliegen.
Die hydraulischen Durchmesser der beiden Kanalsysteme sind frei
einstellbar, so dass über
entsprechend eingestellte, aufeinander abgestimmte Strömungswiderstände die
Strömung
durch diese Kanalsysteme vorbestimmt werden kann. Die Haupt- und/oder
Nebenkanäle
können
ihrerseits mit Porenmaterial gefüllt
sein, wobei dieses Porenmaterial einen geringeren Druckverlust verursacht
als der Porenwerkstoff, aus dem der Mischerkörper besteht.
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Neben
der Verwendung von Schaumwerkstoffen (z. B. keramischen Schäumen) mit
zusätzlichen
Löchern
bzw. Bohrungen lässt
sich ein erfindungsgemäßer Mischer
auch mit einem aus keramischen oder metallischen Platten (Folien)
hergestellten Porenkörper
verwirklichen. Die z. B. gewellten Platten (mit z. B. winklig zueinander
verlaufenden Wellungen benachbarter Platten) können dabei geschichtet und übereinander
gestapelt aufgebaut oder gewickelt sein.
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Wird
der Mischer bzw. Katalysator nicht als Körper erzeugt, sondern aus flächigen Grundelementen
gefügt
(z. B. aus Platten oder Scheiben zusammengesetzt oder aus Folien
gewickelt), so kann das Kanalsystem für die großräumige Vermischung durch Öffnungen
(z. B. Ausstanzungen) in den Grundelementen erzeugt werden, die
derartig angeordnet sind, dass Gruppen von Öffnungen im gefügten Zustand
der Platten oder Scheiben jeweils miteinander fluchten und damit
zusammenhängende
Kanalsysteme der gewünschten
Geometrie ergeben. Dabei unterscheidet sich der erfindungsgemäße Körper von bekannten
Geometrien durch geordnete durchgehende Kanäle in einer anderen Richtung
als der durch die Platten als solche vorgegebenen Hauptströmungsrichtung.
Diese durchgehenden Kanäle können z.
B. durch Stanzen von Löchern
in den für den
Porenkörper
verwendeten Halbzeuge (Bleche) gebildet werden.
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Alternativ
können
als Basis für
die Herstellung eines erfindungsgemäßen Mischers handelsübliche Parallelkanalmonolithe
verwendet werden, wie sie von Kfz-Katalysatoren her bekannt sind.
In ihren heute bekannten Ausführungsformen
verfügen
diese aus keramischen Materialien im Extrusionsverfahren hergestellten
Parallelkanalmonolithe weder über Maßnahmen
zur kleinräumigen
Mischung (Verbindungen benachbarter Kanäle) noch über Maßnahmen zur großräumigen Vermischung
von Fluidströmen.
Auch in diesem Fall ist es möglich,
einfache Kanalstrukturen zur Förderung
der großräumigen Mischung
zu erzeugen.
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Zu
diesem Zweck kann mit geeigneten Werkzeugen der bereits extrudierte
(Grund-)Körper
(im Grundzustand oder auch im gesinterten Zustand) mit (geradlinigen)
Durchbohrungen versehen werden, die in einem beliebigen räum lichen
Winkel zur Erstreckung der bei der Extrusion erzeugten Kanäle des Grundkörpers angeordnet
sein können.
Soweit solche Bohrungen die nicht durchströmte Außenkontur des Körpers durchbrechen,
können
sie mit Keramikmaterial verstopft werden (entsprechend z. B. den keramischen
Partikelfiltern) oder auch bei späteren ”Canning”, d. h. Umgeben mit einem
Gehäuse,
des Grundkörpers
automatisch verschlossen werden.
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Geeignete
Werkzeuge zum Bohren von keramischen Werkzeugen sind bekannt. Diesen
Werkzeugen ist gemeinsam, dass sie den Werkstoff nicht schneiden
sondern kleinräumig
brechen. Eine solche Bearbeitung führt nicht zu Schäden im benachbarten Material.
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Die
so erzeugten Bohrungen sind geeignet, die großräumige Vermischung mit gleicher
Güte wie bei
den anderen vorgeschlagenen Verfahren zu gewährleisten. Selbst die kleinräumige Vermischung wird
in gewissem Maße
gefördert,
da Verbindungen zwischen benachbarten Kanäle existieren.
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Als
temperaturbeständiger
poröser
Körper kann
der statische Mischer beispielsweise als chemischer Mischer von
heißen
Fluiden eingesetzt werden. Eine weitere mögliche Anwendung ist das Filtern
von Fluiden als Tiefenfilter, in dem sich die Partikel an den Porenwänden absetzen.
Das zweiklassige Porensystem bevorzugt den Mischer insbesondere für Kombinationen
beider genannten Anwendungen. Weitere Anwendungen sind der Brennraum
eines Porenbrenners sowie der Wärmespeicher
in einem regenerativen Strahlungsbrenner. Ferner kann der Mischer
in der Abgasnachbehandlung bei Dieselmotoren mittels Harnstoff eingesetzt
werden. Die Harnstoffeinspritzung erfolgt in einen Teilabschnitt
der Frontfläche
eines nach dem Prinzip des statischen Mischers aufgebauten Hydrolysekatalysators
ohne Abgrenzung von Strömungsgebieten
durch feste Wände.
Das feinzellige Porensystem des statischen Mischers wirkt auf Grund
des Kapillareffekts als Verteiler für die flüssige Phase der Fluidströmung. Weiterhin
wird aus Harnstoff und Wasser im vorderen Bereich des Mischers NH3 gebildet, das im hinteren Teil mit dem
im Abgas befindlichen NOx vermischt wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf
die Zeichnung näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigen dabei:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Mischerkörpers gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 und 3 perspektivische
Darstellungen zweier weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung
mit einer ersten Gruppe von Parallelkanälen und einer zweiten Gruppe
von zu den Parallelkanälen unterschiedlich
ausgerichteten zweiten Kanälen
mit gegenüber
den Parallelkanälen
größeren hydraulischen
Durchmessern und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
eines Mischers mit einem Wickelkörper
aus einer oder mehreren gewellten und gelochten Folien.
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In 1 ist
ein Mischer 10 gezeigt, dessen Körper 12, der aus einer
Vielzahl von alternierend angeordneten gewellten Folien 14 und
ebenen Folien 16 zusammengesetzt ist, die aufeinanderliegen
und einen Stapel bilden. Die Seiten 18 und 20 bilden
z. B. die Eingangs- und Ausgangseiten des Körpers 12, zu denen
die sich zwischen den gewellten Folien 14 und den ebenen
Folien 16 bildende (Neben-)Kanäle 22 hin offen sind.
Quer zu diesen Kanälen 22 erstrecken sich
eine Gruppe zweiter (oder Haupt-)Kanäle 24, die durch miteinander
fluchtende Öffnungen 26 in
den gewellten und ebenen Folien 14, 16 gebildet
sind. Der hydraulische Durchmesser der Hauptkanäle 24 ist dabei größer als
der der Nebenkanäle 22.
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In
den 2 und 3 weisen die Körper 12 einen
(keramischen) Parallelkanalmonolithen auf, der von den parallelen
Kanälen 22 durchzogen
ist, die sich von der Eingangs- bis zur Ausgangsseite 18, 20 erstrecken.
Winklig zu diesen Kanälen 22 verlaufen
(Haupt-)Kanäle
bzw. zweite Kanäle 24,
die einen größeren hydraulischen
Durchmesser aufweisen als der (ersten oder Neben-)Kanäle 22.
In 2 verlaufen die zweiten Kanäle 24 von der Oberseite 28 bis zur
Unter seite 32 des Körpers 12,
während
die Kanäle 24 bei
dem Mischer gemäß 3 von
links nach rechts (bezogen auf die Zeichenebene) verlaufen.
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4 zeigt
einen Mischer, der einen Wickelkörper 12 aufweist,
welcher durch Aufwickeln eines Paares aus einer gewellten Folie 14 und
einer ebenen Folie 16 erzeugt ist. In den Folien 14, 16 befinden sich
Löcher
bzw. Öffnungen 26,
die im gewickelten Zustand der Folien gruppenweise miteinander fluchten
und die zweiten Kanäle 24 bilden,
die die durch die Wellung der gewellten Folie 14 definierten
ersten Kanäle 22 durchkreuzen
und einen größeren hydraulischen
Durchmesser als die Kanäle 22 aufweisen.