DE102010017523A1 - Method and mixing device for mixing two fluids and their use - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von zwei Fluiden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden eines Stromes eines Fluides entlang eines Strömungskanals (1), Bereitstellen eines pulsierenden/oszillierenden Injektionsstromes eines weiteren Fluides, indem das weitere Fluid durch eine Hohlraumstruktur einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung (2) geführt wird, deren Ausgang über eine Injektionseinrichtung an den Strömungskanal (1) koppelt und die konfiguriert ist, den pulsierenden/oszillierenden Injektionsstrom mit einer Pulsations-/Oszillationsfrequenz selbstinduzierend zu erzeugen, und Mischen des Fluides und des weiteren Fluides, indem der pulsierende/oszillierende Injektionsstrom des weiteren Fluides über die Injektionseinrichtung in den Strom des Fluides quer zur Strömungsrichtung des Fluides in dem Strömungskanal (1) eingebracht wird. Weiterhin ist die Verwendung des Verfahrens vorgesehen.The invention relates to a method for mixing two fluids, the method comprising the following steps: forming a flow of a fluid along a flow channel (1), providing a pulsating / oscillating injection stream of another fluid, passing the further fluid through a passive passive cavity structure microfluidic actuator device (2) whose output is coupled to the flow channel (1) via an injection device and which is configured to self-induce the pulsating / oscillating injection current at a pulsation / oscillation frequency, and mixing the fluid and the further fluid by the pulsating / oscillating injection stream of the further fluid is introduced via the injection device into the flow of the fluid transversely to the flow direction of the fluid in the flow channel (1). Furthermore, the use of the method is provided.
Description
Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet des Mischens von Fluiden, insbesondere ein Verfahren und eine Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden sowie deren Verwendung.The invention relates to technologies in the field of mixing fluids, in particular a method and a mixing device for mixing two fluids and their use.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Das Mischen von zwei oder mehreren Fluiden ist Bestandteil von Prozessen auf verschiedenen Technologiegebieten. Beispielsweise sind Fluide in Verbrennungsmaschinen vor dem eigentlichen Verbrennen zu mischen.Mixing two or more fluids is part of processes in various technology areas. For example, fluids are to be mixed in internal combustion engines before the actual burning.
Bei dem Mischprozess der Fluide besteht häufig die Situation, dass eines der zu mischenden Fluide entlang eines Strömungskanals strömt und ein weiteres der zu mischenden Fluide in diesen Strom eingebracht wird. Von einem sogenannten „cross mixing”-Prozess wird gesprochen, wenn ein Fluid entlang des Strömungskanals strömt und ein weiteres hiermit zu mischendes Fluid quer zur Strömungsrichtung des Fluids in den Strömungskanal eingebracht wird. Von einem „co-flow mixing” Process wird gesprochen, wenn beide Fluids in die gleiche Richtung eingebracht werden. Ein beliebieger Winkel zwischen Strömungskanal und Eindüsungssrichtung des zu mischenden Fluids kann aber auch erzeugt werden. Das Einbringen des weiteren Fluids erfolgt mit Hilfe einer Injektionseinrichtung, mit der das weitere Fluid in den Strömungskanal eingeführt wird. Es wurden Untersuchungen zur Optimierung der geometrischen Ausbildung von Injektionseinrichtungen durchgeführt (vgl. zum Beispiel
Zur Verbesserung des Mischprozesses wurden sogenannte aktive Steuerungen vorgeschlagen. Es wurden Untersuchungen bezüglich der aktiven Steuerung einzelner Injektionsdüsen in Verbindung mit dem Cross-mixing durchgeführt (
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, neue Technologien für das Mischen von Fluiden anzugeben, die den Mischprozess qualitativ und hinsichtlich seiner Variabilität für verschiedene Anwendungszwecke verbessern.The object of the invention is to provide new technologies for the mixing of fluids, which improve the mixing process qualitatively and in terms of its variability for different applications.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Mischen von zwei Fluiden nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden nach dem unabhängigen Anspruch 5 gelöst. Weiterhin ist die Verwendung des Verfahrens und/oder der Mischvorrichtung nach dem Anspruch 10 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by a method for mixing two fluids according to independent claim 1 and a mixing device for mixing two fluids according to independent claim 5. Furthermore, the use of the method and / or the mixing device according to claim 10 is provided. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent subclaims.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum Mischen von zwei Fluiden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Ausbilden eines Stromes eines Fluids entlang eines Strömungskanals,
- – Bereitstellen eines pulsierenden/oszillierenden Injektionsstromes eines weiteren Fluids, indem das weitere Fluid durch eine Hohlraumstruktur einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung geführt wird, deren Ausgang über eine Injektionseinrichtung an den Strömungskanal koppelt und die konfiguriert ist, den pulsierenden/oszillierenden Injektionsstrom mit einer Pulsations-/Oszillationsfrequenz selbstinduzierend zu erzeugen, und
- – Mischen des Fluids und des weiteren Fluids, indem der pulsierende/oszillierende Injektionsstrom des weiteren Fluids über die Injektionseinrichtung in den Strom des Fluids quer zur Strömungsrichtung des Fluids in dem Strömungskanal eingebracht wird.
- Forming a flow of a fluid along a flow channel,
- - Providing a pulsating / oscillating injection stream of another fluid by the further fluid is passed through a cavity structure of a passive microfluidic actuator means whose output is coupled via an injection device to the flow channel and which is configured, the pulsating / oscillating injection current with a Pulsations- / Oszillationsfrequenz to produce self-inducing, and
- Mixing the fluid and the further fluid by introducing the pulsating / oscillating injection current of the further fluid via the injection device into the flow of the fluid transversely to the flow direction of the fluid in the flow channel.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden geschaffen, mit:
- – einem Strömungskanal, welcher konfiguriert ist für einen Strom eines Fluids,
- – einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung, die mit einer Hohlraumstruktur gebildet ist, wobei die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung konfiguriert ist, mittels Strömen eines weiteren Fluids durch die Hohlraumstruktur einen pulsierenden/oszillierenden Injektionsstrom des weiteren Fluids mit einer Pulsations-/Oszillationsfrequenz selbstinduzierend zu erzeugen, und
- – einer Injektionseinrichtung, die an den Ausgang der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung und den Strömungskanal koppelt und konfiguriert ist, zum Mischen des Fluids und des weiteren Fluids den pulsierenden/oszillierenden Injektionsstrom des weiteren Fluids in den Strom des Fluids quer zur Strömungsrichtung des Fluids in dem Strömungskanal einzubringen.
- A flow channel configured for a flow of a fluid,
- A passive microfluidic actuator device formed with a cavity structure, wherein the passive microfluidic actuator device is configured to self-induce by pulsing another fluid through the cavity structure to induce a pulsatile / oscillating injection current of the further fluid at a pulsation / oscillation frequency;
- - An injection device which is coupled to the output of the passive microfluidic actuator means and the flow channel and configured for mixing the fluid and the further fluid to introduce the pulsating / oscillating injection current of the further fluid in the flow of fluid transverse to the flow direction of the fluid in the flow channel ,
Das Verfahren und/oder die Mischvorrichtung können in verschiedenen Vorrichtungen genutzt werden, insbesondere einer Gasverbrennungsmaschine, einem Brenner einer Gasverbrennungsmaschine, einem T-mixer der chemischen Industrie oder einem chemischen Rohrreaktor. Das Verfahren kann in Verbindung mit Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden. Auch eine Verwendung in Verbindung mit so genannten NACH-Profilen kann vorgesehen sein. NACH-Profile sind zweidimensionale Querschnitte von Tragflächenprofilen für Flugzeugtragflächen, die vom National Advisory Committee for Aeronautics für den Entwurf von Tragflächen entwickelt wurden.The method and / or the mixing device can be used in various devices, in particular one Gas combustion engine, a burner of a gas combustion engine, a T-mixer of the chemical industry or a chemical tube reactor. The process can be used in conjunction with liquids or gases. A use in connection with so-called NACH profiles can be provided. AFTER profiles are two-dimensional sections of airfoil wing profiles developed by the National Advisory Committee for Aeronautics for wing design.
Nach der Erfindung wird eine passive mikrofluidische Aktoreinrichtung genutzt, um selbst induzierend einen pulsierenden oder oszillierenden Injektionsstrom eines Fluids bereitzustellen, welches anschließend als pulsierender/oszillierender Fluidstrom in ein anderes Fluid eingebracht wird, was quer zur Strömungsrichtung des anderen Fluids in einem Strömungskanal erfolgt. Die mikrofluidische Aktoreinrichtung ist insbesondere in dem Sinne passiv, dass eine Bewegung von Elementen der Aktoreinrichtung zum Erzeugen des pulsierenden/oszillierenden Injektionsstromes nicht vorgesehen ist. Vielmehr erfolgt die Ausbildung des pulsierenden/oszillierenden Injektionsstroms selbstinduzierend in einer Hohlraumstruktur der Aktoreinrichtung, die von dem beizumischenden Fluid durchströmt wird. Die Pulsation/Oszillation des Injektionsstromes erfolgt dann mit einer charakteristischen Frequenz. Auf diese Weise wird ein effizientes Einmischen des Fluids aus dem Injektionsstrom in das in dem Strömungskanal fließende andere Fluid erreicht. Eine individuelle Anpassung des Mischprozesses für verschiedene Anwendungssituationen ist insbesondere dadurch möglich, dass die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung mit einer für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Hohlraumstruktur bereitgestellt wird, wodurch die Erzeugung und die Bereitstellung des pulsierenden/oszillierenden Injektionsstromes an die gewünschten Anwendungsparameter angepasst ist.According to the invention, a passive microfluidic actuator device is used to self-inducing to provide a pulsating or oscillating injection flow of a fluid, which is then introduced as a pulsating / oscillating fluid flow in another fluid, which is transverse to the flow direction of the other fluid in a flow channel. The microfluidic actuator device is passive in particular in the sense that a movement of elements of the actuator device for generating the pulsating / oscillating injection current is not provided. Rather, the formation of the pulsating / oscillating injection current is self-inducing in a cavity structure of the actuator device, which is flowed through by the admixed fluid. The pulsation / oscillation of the injection current then takes place with a characteristic frequency. In this way, efficient mixing of the fluid from the injection stream into the other fluid flowing in the flow channel is achieved. An individual adaptation of the mixing process for different application situations is possible in particular in that the passive microfluidic actuator device is provided with a cavity structure suitable for the respective application, whereby the generation and provision of the pulsating / oscillating injection current is adapted to the desired application parameters.
Die Pulsations-/Oszillationsfrequenz des pulsierenden/oszillierenden Injektionsstrom des weiteren Fluids entspricht einer charakteristischen Frequenz der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung. Hierzu gehören insbesondere so genannte akustische Resonanzfrequenzen, die üblicherweise unabhängig vom Massenstrom durch die Aktoreinrichtung sind. Weiterhin gehören hierzu Frequenzen, die aufgrund eines fluidmechanischen Feedbacks entstehen, die auch als fluidmechanische Frequenzen bezeichnet werden können. Die Frequenz am Austritt der Aktoreinrichtung ist dann häufig abhängig vom Massenstrom durch die Aktoreinrichtung. Es besteht dann keine Konstanz.The pulsation / oscillation frequency of the pulsating / oscillating injection stream of the further fluid corresponds to a characteristic frequency of the passive microfluidic actuator device. These include in particular so-called acoustic resonance frequencies, which are usually independent of the mass flow through the actuator device. Furthermore, this includes frequencies that arise due to a fluid mechanical feedback, which can also be referred to as fluid mechanical frequencies. The frequency at the outlet of the actuator device is then often dependent on the mass flow through the actuator device. There is then no constancy.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Fluid in dem Strömungskanal ein Strömungskanalelement umströmt, an welchem die Injektionseinrichtung gebildet ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass Ausgangsöffnungen der Injektionseinrichtung sich auf der Oberfläche des Strömungskanalelementes um dieses herum verteilen, sodass das weitere Fluid in den das Strömungskanalelement umströmenden Strom des Fluids noch effizienter eingebracht werden kann. In einer Ausgestaltung ist das Strömungskanalelement mit einer strömungstechnisch optimierten Oberflächenkontur versehen.A preferred embodiment of the invention provides that the fluid in the flow channel flows around a flow channel element, on which the injection device is formed. In this case, it may be provided that outlet openings of the injection device are distributed around the surface of the flow channel element around it, so that the further fluid can be introduced into the flow of the fluid flowing around the flow channel element more efficiently. In one embodiment, the flow channel element is provided with a fluidically optimized surface contour.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das weitere Fluid über eine Anordnung von mehreren Ausgangsöffnungen der Injektionseinrichtung in den Strom des Fluids eingebracht wird, wobei sich die Anordnung der mehreren Ausgangsöffnungen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluids in dem Strömungskanal erstreckt. Die mehren Ausgangsöffnungen können in einer Ausgestaltung über die gesamte Kanalbreite des Strömungskanals verteilt sein.In an expedient embodiment of the invention it can be provided that the additional fluid is introduced into the flow of the fluid via an arrangement of a plurality of outlet openings of the injection device, wherein the arrangement of the plurality of outlet openings extends substantially transversely to the flow direction of the fluid in the flow channel. The plurality of outlet openings can be distributed in one embodiment over the entire channel width of the flow channel.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der pulsierende/oszillierende Injektionsstrom mit einer hohen Pulsations-/Oszillationsfrequenz erzeugt und in den Strom des Fluids eingebracht wird, wobei die Pulsations-/Oszillationsfrequenz in Luft wenigstens etwa 100 Hz, bevorzugt wenigstens etwa 250 Hz beträgt. Die Frequenz ist fluidabhängig.An advantageous embodiment of the invention provides that the pulsating / oscillating injection current is generated with a high pulsation / oscillation frequency and introduced into the flow of the fluid, wherein the pulsation / oscillation frequency in air is at least about 100 Hz, preferably at least about 250 Hz , The frequency is fluid-dependent.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen der Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden näher erläutert.Hereinafter, preferred embodiments of the mixing device for mixing two fluids are explained in detail.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung in diesem Zusammenhang vor, dass in dem Strömungskanal ein Strömungskanalelement angeordnet ist, welches von dem Fluid umströmt wird und an welchem die Injektionseinrichtung gebildet ist. Der Winkel der fluidischen Eindüsung kann einen beliebigen Winkel relativ zu dem umströmenden Fluid haben.Preferably, a development of the invention in this context provides that in the flow channel, a flow channel element is arranged, which is flowed around by the fluid and on which the injection device is formed. The angle of the fluidic injection may have any angle relative to the fluid flowing around.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hohlraumstruktur der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung wenigstens teilweise in dem Strömungskanalelement gebildet ist.In an advantageous embodiment of the invention can be provided that the cavity structure of the passive microfluidic actuator device is at least partially formed in the flow channel element.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung die Pulsations-/Oszillationsfrequenz des pulsierenden/oszillierenden Injektionsstromes in Abhängigkeit von der Durchflussmenge des weiteren Fluids durch die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung passiv selbst regulierend ausgeführt ist. Die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung ist mit ihrer Hohlraumstruktur so konfiguriert, dass sich in Abhängigkeit von der Durchflussmenge des weiteren Fluids verschiedene Pulsations-/Oszillationsfrequenzen einstellen können, die einer charakteristischen Frequenz der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung entsprechen.A development of the invention can provide that the passive microfluidic actuator device is designed to passively self-regulate the pulsation / oscillation frequency of the pulsating / oscillating injection current as a function of the flow rate of the further fluid through the passive microfluidic actuator device. The passive microfluidic actuator device is configured with its cavity structure so that, depending on the flow rate of the other Fluids can set different Pulsations- / Oszillationsfrequenzen that correspond to a characteristic frequency of the passive microfluidic actuator device.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Injektionseinrichtung mit einer Anordnung von mehreren Ausgangsöffnungen gebildet ist, wobei sich die Anordnung der mehreren Ausgangsöffnungen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluids in dem Strömungskanal erstreckt.A preferred development of the invention provides that the injection device is formed with an arrangement of a plurality of outlet openings, wherein the arrangement of the plurality of outlet openings extends substantially transversely to the flow direction of the fluid in the flow channel.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der ErfindungDescription of preferred embodiments of the invention
Im Folgenden wir die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugsnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:In the following, we will explain the invention with reference to preferred embodiments with reference to figures of a drawing. Hereby show:
Mikrofluidische Hohlraumstrukturen zum selbstinduzierten Erzeugen pulsierender/oszillierender Ströme eines Fluids sind als solche in verschiedenen Ausführungen bekannt, sei es in Anlehnung an die in den
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.The features of the invention disclosed in the foregoing description, the claims and the figures may be of importance both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: B01F0005040000 Ipc: B01F0005020000 |
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R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |
Effective date: 20120917 |