DE102010062351A1

DE102010062351A1 - Mischungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102010062351A1
Application number: DE102010062351A
Authority: DE
Inventors: Axel Widenhorn; Tobias Panne; Jan Zanger
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-06

Abstract

Um eine Mischungsvorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei Fluiden zu schaffen, welche eine kontrollierbare Vermischung von mindestens zwei Fluiden ermöglicht, wird vorgeschlagen, dass die Mischungsoberfläche – einen Führungsabschnitt, in welchem die mindestens zwei zu vermischenden Fluide gemeinsam führbar sind, wobei der Führungsabschnitt eine Führungsoberfläche aufweist, welche im Betrieb der Mischungsvorrichtung mit mindestens einem der mindestens zwei zu vermischenden Fluide in Kontakt kommt, und – einen in einer Strömungsrichtung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide stromabwärts des Führungsabschnitts angeordneten Mischungsabschnitt, in welchem die mindestens zwei zu vermischenden Fluide mischbar sind, wobei der Mischungsabschnitt eine Mischungsoberfläche aufweist, welche im Betrieb der Mischungsvorrichtung mit mindestens einem der mindestens zwei zu vermischenden Fluide in Kontakt kommt, umfasst und dass die Mischungsoberfläche des Mischungsabschnitts eine höhere gemittelte Rautiefe aufweist als die Führungsoberfläche des Führungsabschnitts.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischungsvorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei Fluiden.
Zwei miteinander zu vermischende Fluide können beispielsweise mittels zweier Zuführkanäle einem Mischungsabschnitt zugeführt werden, so dass insbesondere durch eine Turbulenzerzeugung aufgrund der Zuführung der zu vermischenden Fluide zu dem Mischungsabschnitt eine Vermischung der Fluide erfolgt. Derartige Mischungsvorrichtungen haben den Nachteil, dass die Turbulenzerzeugung und somit auch der Mischungsgrad nur unzureichend kontrollierbar sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischungsvorrichtung bereitzustellen, welche eine kontrollierbare Vermischung von mindestens zwei Fluiden ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einer Mischungsvorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei Fluiden dadurch gelöst, dass die Mischungsvorrichtung

– einen Führungsabschnitt, in welchem die mindestens zwei zu vermischenden Fluide gemeinsam führbar sind, wobei der Führungsabschnitt eine Führungsoberfläche aufweist, welche im Betrieb der Mischungsvorrichtung mit mindestens einem der mindestens zwei zu vermischenden Fluide in Kontakt kommt, und
– einen in einer Strömungsrichtung der mindestens zwei Fluide stromabwärts des Führungsabschnitts angeordneten Mischungsabschnitt, in welchem die mindestens zwei zu vermischenden Fluide mischbar sind, wobei der Mischungsabschnitt eine Mischungsoberfläche aufweist, welche im Betrieb der Mischungsvorrichtung mit mindestens einem der mindestens zwei zu vermischenden Fluide in Kontakt kommt,

Dadurch, dass bei der erfindungsgemäßen Mischungsvorrichtung ein Führungsabschnitt vorgesehen ist, in welchem die mindestens zwei zu vermischenden Fluide gemeinsam geführt werden, bevor Sie in den Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung gelangen, ist eine besonders kontrollierte Zuführung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide zu dem Mischungsabschnitt möglich. Insbesondere kann eine unerwünschte unkontrollierte Turbulenzbildung in einem Bereich, in welchem die miteinander zu vermischenden Fluide zusammen geführt werden, durch die Verwendung eines Führungsabschnitts verringert, insbesondere vermieden, werden.
Alternativ hierzu kann im Bereich der Zusammenführung der zu vermischenden Fluide bereits eine, vorzugsweise geringe, Turbulenzbildung erfolgen. Die hierbei erzeugte Turbulenz wird bei der gemeinsamen Führung der zu vermischenden Fluide im Führungsabschnitt allenfalls geringfügig, vorzugsweise nicht, verstärkt.
Durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Führungsabschnitts, welcher vorzugsweise in einer Strömungsrichtung der zu vermischenden Fluide stromabwärts eines Zusammenführungsbereichs der zu vermischenden Fluide angeordnet ist, können die zu vermischenden Fluide zuverlässig und in reproduzierbarer Weise dem Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung zugeführt werden.
Dadurch, dass bei der Mischungsvorrichtung erfindungsgemäß ein in der Strömungsrichtung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide stromabwärts des Führungsabschnitts angeordneter Mischungsabschnitt vorgesehen ist, in welchem die mindestens zwei zu vermischenden Fluide gemischt werden, wobei der Mischungsabschnitt eine Mischungsoberfläche aufweist, welche im Betrieb der Mischungsvorrichtung mit mindestens einem der mindestens zwei zu vermischenden Fluide in Kontakt kommt, ist eine besonders zuverlässige und reproduzierbare Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide möglich. Insbesondere durch die Kombination eines Führungsabschnitts mit einem Mischungsabschnitt kann gewährleistet werden, dass die mindestens zwei zu vermischenden Fluide in reproduzierbarer Weise dem Mischungsabschnitt zugeführt werden, so dass in dem Mischungsabschnitt eine kontrollierte und reproduzierbare Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide erfolgen kann.
Erfindungsgemäß weist die Mischungsoberfläche des Mischungsabschnitts eine höhere gemittelte Rautiefe auf als die Führungsoberfläche des Führungsabschnitts. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass in dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung keine unerwünschten Turbulenzen in den Strom der mindestens zwei zu vermischenden Fluide eingebracht werden, so dass eine stets reproduzierbare und vorzugsweise gleichmäßige Zuführung des Stroms der mindestens zwei zu vermischenden Fluide zu dem Mischungsabschnitt möglich ist und die eigentliche Vermischung in kontrollierter Weise insbesondere erst in dem Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung erfolgt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die gemittelte Rautiefe des Mischungsabschnitts der Mischungsvorrichtung mindestens ungefähr 10^–5 m, vorzugsweise mindestens ungefähr 10^–4 m, insbesondere mindestens ungefähr 10^–3 m, beträgt. Eine solche Wandrauheit führt erfindungsgemäß zu Verwirbelungen in einer Randschicht des an der Mischungsoberfläche des Mischungsabschnitts entlang strömenden Fluidstroms, so dass eine laminare Strömung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide gestört wird und eine Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide erfolgt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mischungsoberfläche des Mischungsabschnitts zumindest teilweise strukturiert ausgebildet ist. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass regelmäßige Vertiefungen, Rillen und/oder Vorsprünge in der Mischungsoberfläche vorgesehen sind. Insbesondere dann, wenn eine besonders rasche Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide gewünscht ist, kann durch die geeignete Dimensionierung derartiger Strukturierungen in der Mischungsoberfläche der Mischungsvorrichtung zuverlässig der erwünschte Erfolg herbeigeführt werden.
Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Mischungsoberfläche der Mischungsvorrichtung zumindest teilweise unstrukturiert ausgebildet ist. Insbesondere bei der Verwendung von relativ geringen Rautiefen von ungefähr 10^–5 m bis ungefähr 10^–3 m ist eine günstige Herstellung des Mischungsabschnitts durch die Ausbildung einer unstrukturierten Mischungsoberfläche an dem Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung möglich. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine unstrukturierte Oberfläche zu einer besseren Vermischung beitragen kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Mischungsoberfläche des Mischungsabschnitts lediglich teilweise strukturiert und/oder lediglich teilweise unstrukturiert ausgebildet ist. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass ein strukturierter Abschnitt der Mischungsoberfläche des Mischungsabschnitts in der Strömungsrichtung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide an einen unstrukturierten Abschnitt der Mischungsoberfläche des Mischungsabschnitts angrenzt. Durch die Wahl der geeigneten gemittelten Rautiefe und der Struktur der Oberfläche des Mischungsabschnitts kann die Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide gezielt beeinflusst werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischungsoberfläche eine in der Strömungsrichtung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide gradierte gemittelte Rautiefe aufweist, das heißt, dass die gemittelte Rautiefe der Mischungsoberfläche in einem dem Führungsabschnitt zugewandten Teil der Mischungsoberfläche kleiner oder größer als die gemittelte Rautiefe des Mischungsabschnitts in einem dem Führungsabschnitt abgewandten Teil der Mischungsoberfläche ist. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass die gemittelte Rautiefe der Mischungsoberfläche des Mischungsabschnitts entlang der Strömungsrichtung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide stetig, beispielsweise linear, zunimmt oder abnimmt.
Günstig ist es, wenn die Führungsoberfläche des Führungsabschnitts der Mischungsvorrichtung im Wesentlichen glatt ausgebildet ist. Auf diese Weise können die mindestens zwei zu vermischenden Fluide ohne unerwünschte Turbulenzen dem Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung zugeführt werden.
Unter einer ”glatten Oberfläche” ist in dieser Beschreibung und in den beigefügten Patentansprüchen eine Oberfläche zu verstehen, welche ein im Wesentlichen turbulenzfreies Vorbeiströmen von Fluiden ermöglicht. Insbesondere kann hierunter eine Oberfläche verstanden werden, welche eine gemittelte Rautiefe von höchstens ungefähr 10^–6 m, vorzugsweise höchstens ungefähr 10^–7 m, aufweist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Führungsoberfläche poliert und/oder mit einer Beschichtung, beispielsweise einer Versiegelung, versehen ist, welche möglicherweise bei der Herstellung des Führungsabschnitts entstandene Unebenheiten reduziert, vorzugsweise beseitigt.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mischungsvorrichtung mindestens einen Zuführkanal für ein erstes Fluid der mindestens zwei zu vermischenden Fluide umfasst. Auf diese Weise ist das erste Fluid der mindestens zwei zu vermischenden Fluide besonders einfach dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung zuführbar.
Günstig ist es, wenn der mindestens eine Zuführkanal eine im Wesentlichen glatt ausgebildete Zuführkanaloberfläche aufweist. Auf diese Weise ist eine vorzugsweise laminare Zuführung mindestens eines Fluids zu dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung möglich. Insbesondere dann, wenn eine koaxiale Einströmung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide in den Führungsabschnitt vorgesehen ist, kann hierbei vorgesehen sein, dass zumindest der Zuführkanal für das axial außenliegende Fluid eine im Wesentlichen glatt ausgebildete Zuführkanaloberfläche aufweist. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Turbulenzentstehung im Übergang zwischen dem Zuführkanal und dem Führungsabschnitt durch die Verwendung von durchgehend glatten Oberflächen verringert oder ganz verhindert werden.
Alternativ hierzu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass eine an die, beispielsweise glatte, Führungsoberfläche angrenzende Zuführkanaloberfläche mindestens eines Zuführkanals eine höhere gemittelte Rautiefe aufweist als die Führungsoberfläche.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Zuführkanal für mindestens ein Fluid der mindestens zwei zu vermischenden Fluide eine Zuführkanaloberfläche umfasst, welche eine gemittelte Rautiefe von mindestens ungefähr 10^–5 m, vorzugsweise mindestens ungefähr 10^–4 m, insbesondere mindestens ungefähr 10^–3 m, aufweist.
Insbesondere dann, wenn eine koaxiale Einströmung von mindestens zwei zu vermischenden Fluiden vorgesehen ist, kann vorgesehen sein, dass ein axial innenliegender Zuführkanal für mindestens ein Fluid der mindestens zwei zu vermischenden Fluide eine gemittelte Rautiefe von mindestens ungefähr 10^–5 m, vorzugsweise mindestens ungefähr 10^–4 m, insbesondere mindestens ungefähr 10^–3 m, aufweist. Auf diese Weise kann vorgesehen sein, dass der axial innenliegende Fluidstrom des mindestens einen Fluids der mindestens zwei zu vermischenden Fluide turbulent ist und beispielsweise in den axial außenliegenden, vorzugsweise laminaren, Fluidstrom des mindestens einen weiteren Fluids der mindestens zwei zu vermischenden Fluide einströmt. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch eine zuverlässige Zuführung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide zu dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung und eine zuverlässige, reproduzierbare Zuführung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide zu dem Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung möglich sind.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Führungsabschnitt einen Führungskanal umfasst, welcher einen Übergangsabschnitt zum Führen der mindestens zwei zu vermischenden Fluide umfasst, dessen Durchmesser sich in der Strömungsrichtung verjüngt. Auf diese Weise kann insbesondere eine Beschleunigung des in dem Führungsabschnitt geführten Fluidstroms erzeugt werden, was zu einer verbesserten Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide in dem Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung beitragen kann.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eines der mindestens zwei zu vermischenden Fluide ein Gas umfasst, insbesondere ein Gas ist.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens eines der mindestens zwei zu vermischenden Fluide eine Flüssigkeit umfasst, insbesondere eine Flüssigkeit ist.
Die Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide kann insbesondere durch die Wahl der Länge des Mischungsabschnitts in Bezug auf einen Durchmesser eines Mischungskanals des Mischungsabschnitts reguliert werden.
So ist bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Länge des Mischungsabschnitts mindestens ungefähr dem fünffachen Durchmesser, vorzugsweise mindestens ungefähr dem zehnfachen Durchmesser, insbesondere mindestens ungefähr dem zwanzigfachen Durchmesser, eines die mindestens zwei zu vermischenden Fluide führenden Mischungskanals des Mischungsabschnitts entspricht.
Besonders günstig ist es, wenn die Mischungsvorrichtung einen aus verschiedenen Segmenten aufgebauten Mischungsabschnitt umfasst, so dass durch die Wahl der an dem Führungsabschnitt angeordneten Anzahl an Segmenten die Länge des Mischungsabschnitts und somit ein gewünschter Grad der Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide frei gewählt werden kann.
Günstig ist es, wenn mindestens zwei zu vermischende Fluide zumindest näherungsweise in derselben Einströmrichtung in den Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung einströmbar sind. Auf diese Weise kann insbesondere eine unerwünschte Turbulenzerzeugung in dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung reduziert, insbesondere vermieden, werden.
Besonders günstig ist es, wenn mindestens ein Fluid der mindestens zwei zu vermischenden Fluide im Wesentlichen koaxial zu mindestens einem weiteren Fluid der mindestens zwei zu vermischenden Fluide dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung zuführbar ist. Auf diese Weise kann eine Ummantelung des axial innenliegenden Fluids der mindestens zwei zu vermischenden Fluide mittels des axial außenliegenden Fluids der mindestens zwei zu vermischenden Fluide erhalten werden.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass mindestens ein Fluid der mindestens zwei zu vermischenden Fluide, insbesondere parallel, versetzt gegenüber einer Einströmachse eines weiteren Fluids der mindestens zwei zu vermischenden Fluide dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung zuführbar ist.
Ferner kann vorgesehen sein, dass eine Einströmrichtung mindestens eines Fluids der mindestens zwei zu vermischenden Fluide quer, insbesondere senkrecht, zu einer Einströmrichtung mindestens eines weiteren Fluids der mindestens zwei zu vermischenden Fluide ausgerichtet ist. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise als ”Jet-in-Crossflow” bekannt.
Um einen zu hohen Druckverlust in dem Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass die Länge des Mischungsabschnitts höchstens ungefähr dem hundertfachen Durchmesser, vorzugsweise höchstens ungefähr dem fünfzigfachen Durchmesser, insbesondere höchstens ungefähr dem fünfundzwanzigfachen Durchmesser, des die mindestens zwei zu vermischende Fluide führenden Mischungskanals des Mischungsabschnitts entspricht.
Die erfindungsgemäße Mischungsvorrichtung eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Brennvorrichtung, umfassend mindestens eine Mischungsvorrichtung.
Die erfindungsgemäße Brennvorrichtung dient insbesondere der Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Brennstoffs. Hierzu wird als ein erstes Fluid der mindestens zwei zu vermischenden Fluide der Brennstoff der Mischungsvorrichtung zugeführt, welcher mittels der Mischungsvorrichtung mit einem flüssigen oder gasförmigen Oxidator (zweites Fluid), beispielsweise mit Luft, mischbar ist.
Die Brennvorrichtung kann insbesondere als eine flammenlose Brennvorrichtung, beispielsweise als ein ”Flox-Brenner”, ausgebildet sein.
Grundsätzlich eignet sich die Mischungsvorrichtung in jeglicher Art von Brennvorrichtung, insbesondere zur Vormischung von Brennstoffen und/oder Oxidatoren, um eine zuverlässige Vermischung von Brennstoffen und/oder Oxidatoren und somit eine zuverlässige und schadstoffarme Verbrennung zu ermöglichen. In Verbindung mit Brennkammersystemen können darüber hinaus Brennkammerschwingungen verringert, insbesondere vermieden, werden.
Die erfindungsgemäße Mischungsvorrichtung eignet sich ferner insbesondere für chemische Anwendungen, in welchen Fluide mit hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit miteinander gemischt werden müssen.
Die erfindungsgemäße Mischungsvorrichtung weist ferner vorzugsweise die folgenden Merkmale und/oder Vorteile auf:
Vorzugsweise kann eine starke Steigerung der Turbulenz in einer Scherschicht zwischen den beiden mittels der Zuführkanäle dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung zugeführten Fluide erzeugt werden, wenn die Zuführkanaloberfläche eines ersten Zuführkanals eine höhere gemittelte Rautiefe aufweist als die Zuführkanaloberfläche eines zweiten Zuführkanals. Insbesondere dann, wenn eine koaxiale Zuführung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide zu dem Führungsabschnitt der Mischungsvorrichtung erfolgt, kann dies zu einem ”Aufreißen” des axial innenliegenden Fluidstroms und somit zu einer deutlich verbesserten Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide führen. Durch eine geeignete Wahl der gemittelten Rautiefen der die zu vermischenden Fluide kontaktierenden Oberflächen kann eine Turbulenz genau dort aufgebaut werden, wo ein Mischprozess stattfinden soll, so dass eine besonders zuverlässige und reproduzierbare Vermischung der mindestens zwei zu vermischenden Fluide gewährleistet ist.
Unter ”gemittelter Rautiefe” ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen die gemittelte Rautiefe R_z nach der DIN-Norm 4768 zu verstehen.
Zur Herstellung der gewünschten Oberflächen eignen sich insbesondere die folgenden Verfahren:

– Fräsen, Drehen, Hobeln, Räumen, Feilen, Schleifen (gemittelte Rautiefe ungefähr 10^–5 m);
– Sandformgießen, Lasersintern, Rädeln (gemittelte Rautiefe ungefähr 10^–4 m); und
– Gewindeschneiden, Rädeln (gemittelte Rautiefe ungefähr 10^–3 m).

Die erfindungsgemäße Mischungsvorrichtung eignet sich ganz allgemein zur Verwendung in Kraftwerken und in der Prozessindustrie.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung zweier Ausführungsbeispiele.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform einer Mischungsvorrichtung längs einer Längsmittelebene der Mischungsvorrichtung, mit koaxialer Einströmung zweier zu vermischender Fluide;
2a eine schematische perspektivische Darstellung der ersten Ausführungsform der Mischungsvorrichtung aus 1;
2b ein Diagramm zur Darstellung unterschiedlicher Mischungsprofile, welche in einem Mischungsabschnitt der Mischungsvorrichtung aus der 2a erhalten werden können; und
3 einen schematischen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Mischungsvorrichtung längs einer Längsmittelebene der Mischungsvorrichtung, mit einer senkrechten Einströmung eines ersten Fluids in ein zweites Fluid.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1 und 2a dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Mischungsvorrichtung umfasst einen Zuführabschnitt 102, einen Führungsabschnitt 104 und einen Mischungsabschnitt 106, welche in einer Strömungsrichtung 107 von mindestens zwei Fluiden 108 durchströmbar sind.
Der Zuführabschnitt 102 der Mischungsvorrichtung 100 dient der Zuführung von mindestens zwei Fluiden 108, insbesondere eines ersten Fluids 108a und eines zweiten Fluids 108b, zu dem Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100.
Der Zuführabschnitt 102 der Mischungsvorrichtung 100 umfasst hierzu einen Zuführkanal 110a für das erste Fluid 108a und einen Zuführkanal 110b für das zweite Fluid 108b.
Die Zuführkanäle 110a und 110b sind bei der in den 1 und 2a dargestellten Ausführungsform der Mischungsvorrichtung 100 koaxial zueinander bezüglich einer Symmetrieachse 112 der Mischungsvorrichtung 100 angeordnet.
Die Symmetrieachse 112 der Mischungsvorrichtung 100 ist zugleich eine Einströmachse 114 der Mischungsvorrichtung 100, welche parallel zu der Einströmrichtung 116a des ersten Fluids 108a und parallel zur Einströmrichtung 116b des zweiten Fluids 108b verläuft.
Der Zuführabschnitt 102 der Mischungsvorrichtung 100 ist vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 112 der Mischungsvorrichtung 100 ausgebildet, wobei der Zuführkanal 110a für das erste Fluid 108a ein Injektionselement 118 des Zuführabschnitts 102 der Mischungsvorrichtung 100 umgibt.
Das Injektionselement 118 des Zuführabschnitts 102 der Mischungsvorrichtung 100 dient der Zuführung des zweiten Fluids 108b zu dem Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 und umfasst somit den Zuführkanal 110b für das zweite Fluid 108b.
Eine Zuführkanaloberfläche 120a des Zuführkanals 110a für das erste Fluid 108a ist vorzugsweise im Wesentlichen glatt ausgebildet, das heißt, dass die Zuführkanaloberfläche 120a des Zuführkanals 110a für das erste Fluid 108a vorzugsweise eine gemittelte Rautiefe von weniger als ungefähr 10^–6 m aufweist.
Mittels des Zuführkanals 110a für das erste Fluid 108a kann das erste Fluid 108a vorzugsweise im Wesentlichen laminar dem Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 zugeführt werden.
Das Injektionselement 118 ist an einem dem Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 zugewandten Ende 122 spitz zulaufend ausgebildet, so dass eine möglichst verwirbelungsfreie Zuführung des zweiten Fluids 108b in den Strom des ersten Fluids 108a möglich ist.
Eine Zuführkanaloberfläche 120b des Zuführkanals 110b für das zweite Fluid 108b ist vorzugsweise rau ausgebildet, dass heißt, dass die Zuführkanaloberfläche 120b des Zuführkanals 110b für das zweite Fluid 108b vorzugsweise eine gemittelte Rautiefe von mindestens ungefähr 10^–5 m, vorzugsweise mindestens ungefähr 10^–4 m, insbesondere mindestens ungefähr 10^–3 m, aufweist. Auf diese Weise kann das zweite Fluid 108b in einem turbulenten Zustand in das vorzugsweise laminar geführte erste Fluid 108a eingebracht werden.
Der Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 dient der gemeinsamen Führung des ersten Fluids 108a mit dem zweiten Fluid 108b, wobei in dem Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 entsprechend der Einbringung der Fluide 108 in den Führungsabschnitt 104 mittels des Zuführabschnitts 102 der Mischungsvorrichtung 100 eine koaxiale Führung der beiden Fluide 108 bezüglich der Symmetrieachse 112 der Mischungsvorrichtung 100 erfolgt.
Das erste Fluid 108a bildet somit im Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 einen Mantel um das zweite Fluid 108b.
Der Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 umfasst einen Führungskanal 124, welcher im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 112 der Mischungsvorrichtung 100 ausgebildet ist und einen hohlzylindrischen Abschnitt 126 und einen Übergangsabschnitt 128 umfasst. Der Übergangsabschnitt 128 des Führungskanals 124 ist stromabwärts des zylindrischen Abschnitts 126 des Führungskanals 124 angeordnet, das heißt der Übergangsabschnitt 128 des Führungskanals 124 der Mischungsvorrichtung 100 wird von den Fluiden 108 erst nach Durchströmen des zylindrischen Abschnitts 126 des Führungskanals 124 durchströmt.
Der Führungskanal 124 des Führungsabschnitts 104 der Mischungsvorrichtung 100 weist eine Führungsoberfläche 130 auf, welche im Wesentlichen glatt ausgebildet ist, das heißt welche eine gemittelte Rautiefe von höchstens ungefähr 10^–6 m aufweist.
Der zylindrische Abschnitt 126 des Führungskanals 124 des Führungsabschnitts 104 weist einen Durchmesser D₁ auf, welcher größer ist als ein Durchmesser D₂ des Führungskanals 124 an einem dem Mischungsabschnitt 106 der Mischungsvorrichtung 100 zugewandten Ende des Führungsabschnitts 104.
Der Übergangsabschnitt 128 dient der Reduzierung des Durchmessers des Führungskanals 124 des Führungsabschnitts 104 von dem Durchmesser D₁ auf den Durchmesser D₂.
Der Mischungsabschnitt 106 der Mischungsvorrichtung 100 umfasst einen Mischungskanal 132, welcher eine im Betrieb der Mischungsvorrichtung 100 den zu vermischenden Fluiden zugewandte Mischungsoberfläche 134 aufweist. Die. Mischungsoberfläche 134 des Mischungskanals 132 des Mischungsabschnitts 106 ist vorzugsweise rau ausgebildet, das heißt die Mischungsoberfläche 134 weist eine gemittelte Rautiefe von beispielsweise mindestens ungefähr 10^–5 m, vorzugsweise mindestens ungefähr 10^–4 m, insbesondere mindestens ungefähr 10^–3 m, auf.
Die raue Mischungsoberfläche 134 des Mischungskanals 132 des Mischungsabschnitts 106 dient der Vermischung des ersten Fluids 108a mit dem zweiten Fluid 108b durch die Erzeugung von Turbulenzen in den der Mischungsoberfläche 134 zugewandten Randschichten des ersten Fluids 108a. Diese Turbulenzen breiten sich nach und nach bis zum Zentrum des Mischungskanals 132 aus und bewirken so die Vermischung des ersten Fluids 108a mit dem zweiten Fluid 108b.
Der Mischungskanal 132 des Mischungsabschnitts 106 weist denselben Durchmesser D₂ auf wie das dem Mischungsabschnitt 106 zugewandte Ende des Führungskanals 124 des Führungsabschnitts 104. Der Mischungsabschnitt 106 ist rotationssymmetrisch um die Symmetrieachse 112 der Mischungsvorrichtung 100 und im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet.
An einem dem Führungsabschnitt 104 abgewandten Ende des Mischungsabschnitts 106 ist ein Fluidauslass 136 vorgesehen, welcher beispielsweise der Zuführung der vermischten Fluide 108 zu einem Brennraum dient, insbesondere dann, wenn die Fluide 108a und 108b ein Brennstoff bzw. Oxidator sind.
Die vorstehend beschriebene erste Ausführungsform der Mischungsvorrichtung 100 funktioniert wie folgt:
Mittels der Zuführkanäle 110a und 110b sind die Fluide 108a und 108b dem Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 zuführbar.
Der Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 dient der kontrollierten Zuführung der beiden Fluide 108a und 108b zu dem Mischungsabschnitt 106 der Mischungsvorrichtung 100, in welchem eine Vermischung der zu vermischenden Fluide 108a und 108b erfolgt.
Der erzielte Grad der Vermischung der miteinander zu vermischenden Fluide 108a und 108b hängt insbesondere von der Länge des Mischungsabschnitts 106 der Mischungsvorrichtung 100 ab.
Ein längerer Mischungsabschnitt 106 führt dabei zu einer stärkeren Vermischung der zu vermischenden Fluide 108a und 108b.
In 2b sind sechs Mischungsprofile der Fluide 108a und 108b an verschiedenen Stellen des Mischungsabschnitts 106 dargestellt.
Die als Position 138a bezeichnete Stelle des Mischungsabschnitts 106 im Übergangsbereich zwischen dem Mischungsabschnitt 106 und dem Führungsabschnitt 104 der Mischungsvorrichtung 100 ist gemäß der Darstellung in 2b eine Stelle, an welcher bislang keine nennenswerte Vermischung stattgefunden hat, da die Konzentration des zweiten Fluids 108b im Zentrum des Mischungsabschnitts 106 noch immer nahezu eins ist.
Weiter stromabwärts nimmt die Konzentration des zweiten Fluids 108b im Zentrum des Mischungsabschnitts 106 an den Stellen 138b, 138c, 138d und 138e zunehmend ab, bis schließlich an der Position 138f, an welcher der Fluidauslass 136 des Mischungsabschnitts 106 der Mischungsvorrichtung 100 angeordnet sein kann, eine Konzentration des zweiten Fluids 108b im Zentrum des Mischungsabschnitts 106 von ungefähr 0,1 erreicht ist.
Durch die Wahl der Länge des Mischungsabschnitts 106 der Mischungsvorrichtung 100 kann folglich die gewünschte Konzentration des zweiten Fluids 108b im Zentrum, das heißt auf der Symmetrieachse 112 des Mischungsabschnitts 106, und somit auch die Vermischung des zweiten Fluids 108b mit dem ersten Fluid 108a bestimmt werden.
Eine in 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Mischungsvorrichtung 100 unterscheidet sich von der in den 1 und 2a dargestellten ersten Ausführungsform dadurch, dass die Einströmrichtung 116b des zweiten Fluids 108b nicht parallel zu der Einströmrichtung 116a des ersten Fluids 108a, sondern im Wesentlichen senkrecht zu der Einströmrichtung 116a des ersten Fluids 108a ausgerichtet ist.
Diese Ausgestaltung der Einströmung ist ein sogenannter ”Jet-in-Crossflow”.
Der Zuführabschnitt 102 der Mischungsvorrichtung 100 gemäß der zweiten Ausführungsform der Mischungsvorrichtung 100 umfasst somit kein Injektorelement 118 zur koaxialen Zuführung des zweiten Fluids 108b.
Vielmehr ist bei der zweiten Ausführungsform der Mischungsvorrichtung 100 eine seitliche Zuführung 140 in dem Zuführkanal 110a für das erste Fluid 108a vorgesehen, mittels welcher das zweite Fluid 108b dem Zuführkanal 110a zugeführt werden kann.
Die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform der Mischungsvorrichtung 100 ermöglicht insbesondere eine stärkere Vermischung der beiden Fluide 108a und 108b.
Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte zweite Ausführungsform der Mischungsvorrichtung 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 und 2a dargestellten ersten Ausführungsform der Mischungsvorrichtung 100 überein, so dass diebezüglich auf die vorstehenden Ausführungen zu der ersten Ausführungsform der Mischungsvorrichtung 100 Bezug genommen wird.
Dadurch, dass bei sämtlichen dargestellten Ausführungsformen der Mischungsvorrichtung 100 ein Führungsabschnitt 104 und ein Mischungsabschnitt 106 vorgesehen sind und eine Mischungsoberfläche 134 des Mischungsabschnitts 106 eine höhere gemittelte Rautiefe aufweist als die Führungsoberfläche 130 des Führungsabschnitts 104, ist eine kontrollierbare Vermischung von mindestens zwei Fluiden 108 möglich.
Bezugszeichenliste

100: Mischungsvorrichtung
102: Zuführabschnitt
104: Führungsabschnitt
106: Mischungsabschnitt
107: Strömungsrichtung
108: Fluid
108a: erstes Fluid
108b: zweites Fluid
110: Zuführkanal
110a: erster Zuführkanal
110b: zweiter Zuführkanal
112: Symmetrieachse
114: Einströmachse
116: Einströmrichtung
116a: erste Einströmrichtung
116b: zweite Einströmrichtung
118: Injektionselement
120a: erste Zuführkanaloberfläche
120b: zweite Zuführkanaloberfläche
122: Ende des Injektionselements
124: Führungskanal
126: hohlzylindrischer Abschnitt
128: Übergangsabschnitt
130: Führungsoberfläche
132: Mischungskanal
134: Mischungsoberfläche
136: Fluidauslass
138a–f: Positionen
140: seitliche Zuführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN-Norm 4768 [0040]

Claims

Mischungsvorrichtung zum Vermischen von mindestens zwei Fluiden (108), umfassend: – einen Führungsabschnitt (104), in welchem die mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) gemeinsam führbar sind, wobei der Führungsabschnitt (104) eine Führungsoberfläche (130) aufweist, welche im Betrieb der Mischungsvorrichtung (100) mit mindestens einem der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) in Kontakt kommt, und – einen in einer Strömungsrichtung (107) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) stromabwärts des Führungsabschnitts (104) angeordneten Mischungsabschnitt (106), in welchem die mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) mischbar sind, wobei der Mischungsabschnitt (106) eine Mischungsoberfläche (134) aufweist, welche im Betrieb der Mischungsvorrichtung (100) mit mindestens einem der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) in Kontakt kommt, wobei die Mischungsoberfläche (134) des Mischungsabschnitts (106) eine höhere gemittelte Rautiefe aufweist als die Führungsoberfläche (130) des Führungsabschnitts (104).
Mischungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemittelte Rautiefe der Mischungsoberfläche (134) des Mischungsabschnitts (106) mindestens ungefähr 10^–5 m beträgt.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungsoberfläche (134) des Mischungsabschnitts (106) unstrukturiert ausgebildet ist.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsoberfläche (130) des Führungsabschnitts (104) im Wesentlichen glatt ausgebildet ist.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungsvorrichtung (100) mindestens einen Zuführkanal (110a) für mindestens ein Fluid (108a) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) umfasst, welcher eine im Wesentlichen glatt ausgebildete Zuführkanaloberfläche (120a) aufweist.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischungsvorrichtung (100) mindestens einen Zuführkanal (110b) für mindestens ein Fluid (108b) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) umfasst, welcher eine Zuführkanaloberfläche (120b) mit einer gemittelten Rautiefe von mindestens ungefähr 10^–5 m aufweist.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsabschnitt (104) einen Führungskanal (124) umfasst, welcher einen Übergangsabschnitt (128) zum Führen der mindestens zwei zu vermischenden Fluide umfasst, dessen Durchmesser sich in der Strömungsrichtung (107) verjüngt.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) ein Gas umfasst.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) eine Flüssigkeit umfasst.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Mischungsabschnitts (106) mindestens ungefähr dem fünffachen Durchmesser (D₂) eines die mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) führenden Mischungskanals (132) des Mischungsabschnitts (106) entspricht.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei zu vermischende Fluide (108) zumindest näherungsweise in derselben Einströmrichtung (116a, 116b) in den Führungsabschnitt (104) der Mischungsvorrichtung (100) einströmbar sind.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Fluid (108a) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) im Wesentlichen koaxial zu mindestens einem weiteren Fluid (108b) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) dem Führungsabschnitt (104) der Mischungsvorrichtung (100) zuführbar ist.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Fluid (108) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) versetzt gegenüber einer Einströmachse (114) eines weiteren Fluids (108) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) dem Führungsabschnitt (104) der Mischungsvorrichtung (100) zuführbar ist.
Mischungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einströmrichtung (116a) mindestens eines Fluids (108a) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) quer zu einer Einströmrichtung (116b) mindestens eines weiteren Fluids (108b) der mindestens zwei zu vermischenden Fluide (108) ausgerichtet ist.
Brennvorrichtung, umfassend mindestens eine Mischungsvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.