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In vielen verfahrenstechnischen Anlagen stellt sich die Aufgabe, Strömungs- und Zustandsfelder in Fluidströmungen zu homogenisieren. Ein Grund hierfür liegt darin, dass die Inhomogenität der Geschwindigkeitsverteilung in einem Fluid hinter einer Anlagenkomponente zu erhöhten Druckverlusten oder auch zu Schwingungsanregung in nachfolgenden Anlagenteilen führen kann. Außerdem können durch inhomogen Temperatur- und Konzentrationsfelder in Fluiden Korrosionsschäden verursacht werden. Daher existiert in manchen Fällen auch unabhängig von der Aufgabe einer Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung das Ziel, das Feld der Zustandsgrößen in einem strömenden Fluid zu homogenisieren. Nachfolgend bezeichnen wir dieses Fluid als primäres Fluid.
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Ferner kann es notwendig sein, gasförmige oder auch in einem Trägergas suspendierte partikuläre Additive, die wir als sekundäres Fluid bezeichnen, möglichst homogen in die Grundströmung eines primären Fluids einzumischen.
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In manchen Fällen soll jedoch lediglich ein heißeres Gas als sekundäres Fluid in das primäre Fluid eingemischt werden, z. B. um eine Beladung des primären Fluids mit Tropfen durch Verdunstung abzubauen.
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In vielen Fällen steht für die Bewältigung dieser Mischungs-Aufgabe nur eine verhältnismäßig kurze Laufstrecke der Strömung des primären Fluids zur Verfügung. Es ist bekannt, dass der Druckverlust, den das primäre Fluid in einem Mischer erleidet, in aller Regel umso höher ausfällt, je kürzer die verfügbare Mischungsstrecke ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Lösung der Aufgabe angeboten, die Homogenisierung von Strömungs- und Zustandsfeldern innerhalb einer relativ kurzen Laufstrecke bei möglichst geringen Totaldruckverlusten oder in vielen Fällen sogar mit Druckrückgewinn zu bewerkstelligen. Unter Druckrückgewinn verstehen wir dabei einen Anstieg des mittleren statischen Drucks in der Primärfluid-Strömung.
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Stand der Technik
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Nachfolgend orientieren wir uns an der Situation, wie sie häufig stromab großer Axialgebläse 9 gemäß dem Stand der Technik angetroffen wird, 1. Dort schließt sich an das Gebläselaufrad 10 mit den Laufschaufeln 11 in aller Regel ein Ringdiffusor 1 an. In diesem Diffusor sollen die mit einem Querschnittsmittelwert von ca. 80-100 m/s recht hohe Abströmgeschwindigkeit 35 des primären Fluids unter Druckrückgewinn abgebaut und die Geschwindigkeitsverteilung homogenisiert werden.
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Der Ringdiffusor 1 besteht hier aus einem sich schwach erweiternden kegelförmigen Gehäuse 2 und einem zylindrischen Innenkörper 3, auch Nabenkörper genannt, der eine stumpfe Endfläche 4 besitzt, sodass hier eine sprungshafte Querschnittserweiterung erzeugt wird, die einem Carnot'schen Stoßdiffusor entspricht.
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Der Nabenkörper 3 ist über mehr oder weniger sternförmig radial ausgerichtete Bleche 5 und 6 in zwei axialen Positionen 7 und 8 zentriert. Dabei können die Bleche 5 als Nachleitschaufeln des Gebläses gekrümmt ausgeführt sein, mit dem Ziel, den Drall in der Abströmung des primären Fluides aus den Laufschaufeln abzubauen und somit eine weitgehend axiale Durchströmung der nachfolgenden Komponente zu erreichen. An den Ringdiffusor 1 schließt sich bei diesem Beispiel ein kurzer zylindrischer Kanalabschnitt 12 sowie ein 90°-Krümmer 13 an. Der Krümmer ist mit einem Leitgitter 14 ausgerüstet. Da auch ein aerodynamisch optimiertes Krümmerleitgitter einen relevanten Druckverlust aufweist, wirkt es in manchen Situationen wie ein das Strömungsfeld vergleichmäßigendes Drosselgitter.
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Die Axialgeschwindigkeitsverteilung 15 des primären Fluids weist am Eintritt in den Ringdiffusor 1 hinter den Laufschaufeln 11 eines Axialgebläses, insbesondere bei hoher aerodynamischer Belastung relativ hohe Übergeschwindigkeiten auf, wobei das Geschwindigkeitsmaximum 16 zu einem größeren Radius rv,max verlagert ist. In dem hier dargestellten schlanken Ringdiffusor 1 kommt es durch innere Reibung in dem hoch turbulenten Strömungsfeld des Primärfluids zu einer Vergleichmäßigung der Geschwindigkeitsverteilung und somit zu einem Abbau des Geschwindigkeitsmaximums 16. Nach einer sehr langen Laufstrecke der Strömung würde sich ein turbulentes Gleichgewichts-Geschwindigkeitsprofil herausbilden, welches durch große Geschwindigkeitsgradienten in Wandnähe gekennzeichnet ist. Man spricht hier gelegentlich von einem annähernd kastenförmigen Profil bzw. von einem Blockprofil. Das am Austritt 17 aus dem Ringdiffusor 1 dargestellte Geschwindigkeitsprofil 18 hat zwar noch nicht die Gestalt eines turbulenten Gleichgewichts-Geschwindigkeitsprofils angenommen, aber sich diesem doch bereits erheblich angenähert. Das Geschwindigkeitsmaximum 16 des Ausgangsprofils 15 ist weitgehend abgebaut und die Umwandlung des Profils 15 in das Profil 18 führt zu einem Anstieg des statischen Drucks in Strömungsrichtung des Primärfluids, nach landläufiger Ausdrucksweise zu einem Druckrückgewinn, obwohl der Prozess der Strömungsverzögerung selbstverständlich mit einem Totaldruckverlust verbunden ist.
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2 zeigt eine zweite Ringdiffusor-Konfiguration 19 nach dem Stand der Technik, die sich durch eine wesentlich stärkere Querschnittserweiterung in Strömungsrichtung des Primärfluids auszeichnet. Hier ist die Außenbegrenzung 2 wie schon bei der Konfiguration nach 1 als kegelig schwach divergentes Gehäuse ausgeführt. Zusätzlich ist der Nabenkörper 3 in zwei Abschnitten 20 und 21 in Strömungsrichtung konvergent gestaltet, wie dies auch der Fachliteratur zu entnehmen ist. Bei der hier dargestellten Geschwindigkeitsverteilung 15, die durch geringe Strömungsgeschwindigkeiten in Wandnähe, oder genauer, durch niedrige Geschwindigkeitsgradienten und somit durch eine geringe Wandschubspannung τw gekennzeichnet ist, verkraftet die Strömung längs des Nabenkörpers den Druckanstieg in Strömungsrichtung bei dem dargestellten Beispiel nicht, und es kommt zur Strömungsablösung mit Rückströmzonen 40. In diesem Fall wird allenfalls ein geringer Druckrückgewinn erzielt. Der schlankere Diffusor gemäß 1 kann dann strömungstechnisch hinsichtlich des erzielbaren Druckrückgewinns überlegen sein.
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3 zeigt eine weitere Konfiguration, die sich von jener gemäß 2 dadurch unterscheidet, dass ein Drosselgitter 22, welches aus Stäben 24 aufgebaut sein kann, im Bereich des hinteren Endes 23 des Nabenkörpers eingebaut ist. Durch die Rückwirkung des Drosselgitters auf die Strömung des Primärfluids kann die Strömungsablösung an der Nabe verhindert werden. Dieses Drosselgitter kann als sogenanntes Gradientengitter konfiguriert sein, wodurch eine Anpassung an die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung des Primärfluids am Eintritt in den Ringsdiffusor möglich ist.
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Sollte in einem Zwischenabschnitt trotz des Einbaues des Drosselgitters dennoch Strömungsablösung auftreten, legt sich die Strömung zum Drosselgitter hin wieder an die Feldberandungen an.
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Ein derartiges Drosselgitter leidet unter zwei negativen Eigenschaften:
- – Es erzeugt einen erheblichen Druckverlust.
- – Es bewirkt nur eine kleinräumige Vermischung, die näherungsweise der Maschenweite des Gitters entspricht.
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Der wesentliche Vorteil liegt in einer Homogenisierung der Geschwindigkeitsverteilung stromauf der nachgeschalteten Komponenten, sodass beispielsweise der Druckverlust in einem nachgeschalteten Krümmer oder in einem Register aus Schalldämpferkulissen erheblich reduziert werden kann.
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Aus dem vorstehend geschilderten Sachverhalt, wie er in Diffusoren nach dem Stand der Technik zu beobachten ist, folgt die Zielsetzung der vorliegenden Erfindung:
- – Auch in einem kurzen Diffusor mit relativ starker Querschnittserweiterung sollen Zonen mit Strömungsablösung weitgehend unterbunden werden.
- – Es soll eine großräumige Vermischung in der Strömung des Primärfluids bewirkt werden.
- – Es soll ein möglichst hoher Druckrückgewinn erzielt werden.
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Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei Anlagen nach dem Stand der Technik in vielen Fällen ein zusätzlicher Mischer in den Kanal hinter einem Gebläse eingebaut werden muss; dieser Mischer erzeugt natürlich einen zusätzlichen Druckverlust. Wenn dieser Mischer durch die Mischwirkung der neuartigen Diffusorkonfiguration gemäß der Erfindung entfallen kann, ist dies als Nutzeffekt der neuen Diffusorkonfiguration zu werten. Letztlich geht es ja um den Gesamtdruckverlust, der zum Erreichen eines vorgegebenen Ziels aufgewandt werden muss.
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Lösungsansätze gemäß der Erfindung:
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4 und 5 zeigen einen Lösungsansatz gemäß der Erfindung. 4 stellt einen Längsschnitt durch den Austrittsbereich eines Axialgebläses 9 mit einem nachgeschalteten Ringdiffusor 1 dar, 5 einen Querschnitt AB durch den vorderen Abschnitt des Ringdiffusors mit Projektion in axialer Richtung. Im mittleren Abschnitt des Diffusors, evtl. auch in der Nähe des Diffusoraustritts sind tragflügelähnliche Strömungsleitflächen 24 eingebaut. Diese erstrecken sich jedoch nicht als Ringleitflächen über den gesamten Umfang, sondern überdecken jeweils nur kürzere Abschnitte des Umfanges, wie aus 5 zu entnehmen ist. Die Strömungsleitflächen 24 sind mit sogenannten tip wings 25 ausgestattet, welche die Bildung von Wirbelzöpfen im Nachlauf der Flügelenden dämpfen, wie von den Tragflügeln großer Flugzeuge bekannt ist. Die Tragflügelabschnitte 24 sind über die tip wings an mehr oder weniger radial verlaufenden Schwertern 26 derart befestigt, dass ihre Winkellage α im Stillstand justiert werden kann. Die Schwerter 26 sind hier am Nabenkörper befestigt. Sie könnten jedoch auch an das Außengehäuse 2 montiert werden. Zur Aussteifung sind Distanzhalter 27, die ebenfalls tragflügelförmig ausgeführt sein können, näher zur Nabe hin zwischen den Schwertern befestigt.
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Durch die Strömungsleitflächen 24 wird Primärfluid aus einer Zone im Bereich des Geschwindigkeitsmaximums 16 abgeschöpft und zu der in zwei Abschnitten 20 und 21 konvergent verlaufenden Nabe hin gelenkt. Dadurch wird ein ansonsten durch Strömungsablösung entstehendes Nabentotwasser aufgefüllt, eine Strömungsablösung wird unterbunden. Bei richtiger Dimensionierung der Leitflächen unter Berücksichtigung der Geschwindigkeitsverteilung 15 am Eintritt in den Ringdiffusor wird langsam strömendes Primärfluid aus dem nabennahen Bereich in den Abschnitten 20 und 21 nach außen verdrängt, Stromlinie 29 in 4 strichpunktiert dargestellt, und vermischt sich dort mit den längs des kegeligen Gehäuses strömenden Teilmengen 30 des Primärfluides.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird ein sekundäres gasförmiges Fluid 32, welches in das primäre gasförmige Fluid 35 eingemischt werden soll, über eine Rohrleitung 31 dem Innenraum des Nabenkörpers 20 bzw. 21 zugeführt. Von hier aus wird es über Düsen 33 und 34 mit einer angepassten Geschwindigkeit in das Primärfluid eingeblasen, sodass es in den Vermischungsprozess optimal einbezogen wird, welcher durch die Strömungsleitflächen generiert wird.
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Eine weitere Möglichkeit zur Vermischung von Primär- und Sekundärfluid besteht darin, die Schwerter 26 als Hohlprofile auszuführen, die an den Hinterkanten mit Bohrungen versehen sind, über welche das sekundäre Fluid in das primäre Fluid eingeblasen wird. Auch die tragflügelförmigen Strömungsleitflächen können als Hohlprofile ausgeführt sein, die über die Schwerter 26 mit Sekundärfluid versorgt werden, welches dann über Bohrungen an der Hinterkante der Leitflächen 24 in das Primärfluid eingeblasen bzw. eingemischt wird.
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Häufig weist die Abströmung aus dem Laufrad eines Gebläses oder Verdichters noch eine erhebliche Drallkomponente bzw. Umfangskomponente auf. Bei einer hohen nabennahen Umfangskomponente neigt die Strömung verstärkt zur Strömungsablösung von der Nabe. Durch Gleichrichtung kann ein Teil der im Drall steckenden Strömungsenergie zurückgewonnen werden. Die Schwerter 26 können als Gleichrichterflächen dienen. Bei stärker verdrallten Strömungen ist es sinnvoll, die Vorderkanten der Schwerter derart zu krümmen, dass eine weitgehend stoßfreie und somit aerodynamisch optimierte Anströmung des Primärfluides erreicht wird. In aller Regel ist es jedoch vorzuziehen, die Radialstützen 5 in 1 oder 4 als Strömungsleitbleche auszuführen.
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Selbstverständlich könnte man das einzumischende sekundäre Fluid statt über die hohle Nabe auch von außen über Bohrungen am Gehäuse einleiten, was hier nicht bildlich dargestellt ist.
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Und wenn auf den Gebläsediffusor, der ja grundsätzlich mit einem kleinen Öffnungswinkel ausgeführt wird, eine starke Querschnittserweiterung mit großem Öffnungswinkel folgt, z. B. vor einem Wärmetauscher oder vor einem Register aus Schalldämpferkulissen, so kann es sinnvoll sein, zusätzliche tragflügelförmige Leitelemente einzubauen, durch deren Wirkung das Strömungsfeld die starke Querschnittserweiterung ohne Strömungsablösung annimmt.
