DE102011119128A1

DE102011119128A1 - Einrichtung zum Dosieren und zur Vermischung von Fluidströmen

Info

Publication number: DE102011119128A1
Application number: DE201110119128
Authority: DE
Inventors: Dr. Müller Axel; Michael Müller
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-05-23

Abstract

Einrichtung zum Dosieren und zur Vermischung von Fluidströmen, in der eine mehrstufige Vermischung der Fluidströme erfolgt, wobei das erste Fluid ein Gas und zweite Fluid eine Flüssigkeit ist, und der von dem Gebläse (5) und den Leitblechen (6) bewegte Fluidstrom des ersten Fluids von den Leitblechen (6) in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt wird und einer dieser Teilströme durch die Leitbleche (6) dem ersten Teil (11) des Mischapparats zugeführt wird und dort mit dem zweiten Fluids vermischt wird und später in weiteren Teilen des Mischapparats mit weiteren Teilströmen des ersten Fluids vermischt wird und der erste Teil (11) des Mischapparats aus den beiden Fluiden ein Aerosol bildet, wobei das zweite Fluid von einer elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe (2) dosiert und gefördert wird und der erste Teil (11) des Mischapparats und der Auslass (10) der Hubkolbenpumpe eine bauliche Einheit bilden und die weiteren Teile des Mischapparats, nämlich die erste Gruppe der Leitbleche (6) und die zweite Gruppe der Leitbleche (12) im Wesentlichen koaxial zur Hubkolbenpumpe angeordnet sind.

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Einrichtung zum Dosieren und zur Vermischung von Fluidströmen gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Im Stand der Technik sind Einrichtungen zum Vermischen von Fluidströmen als Zerstäuber oder Brenner bekannt.
Die Schriften DE102008051872A1 und DE102009005528A1 beschreiben Zweistoffdüsen zur Zerstäubung von Flüssigkeiten in Gasströmen. Die Schriften EP000000918193B1 und DE000019752293C1 behandeln Brenner, die mit Zweistoffdüsen und mehrstufigen Kompressoren betrieben werden. Die Schrift EP000001859857B1 zeigt eine Zumischvorrichtung zur Herstellung eines Kraftstoff-Oxidationsgemisches.
Die Schrift DE 4328621 beschreibt eine Dosierpumpe in der Bauart einer Hubkolbenpumpe zum Fördern und Dosieren von Kraftstoff. Mischeinrichtungen und Brenner werden außerdem in den folgenden Nicht-Patentschriften beschrieben:

• http://www.zentralheizung.de/hersteller/brenner.php beschreibt aerodynamisch optimierte Brenner- bzw. Luftführungsgeometrie der Fa. Weishaupt
• Einfluss der Drallströmungsform auf die Flammausbreitung (http://www.td.mw.tum.de/CIVB/TP/TP1)
• Stauscheiben-Mischsysteme sind beschrieben unter: http://www.ohs-handel.de/oelbrenner_3.html
• http://www.ict.uni-karlsruhe.de/index.pl/themen/dddflamme offenbart Maßnahmen zur Flammstabilisierung bei Turbinen
• http://brenner.danfoss.com/xxListx/0_MNU17425229_SIT116.html Produktübersicht Ölbrenner Düsen der Firma Danfoss

Die Mischeinrichtungen entsprechend dem Stand der Technik weisen die folgenden Nachteile und Einsatzeinschränkungen auf:

• Teilweise eingeschränkte Regelung einer unabhängigen Zumischung der jeweiligen Medienanteile, zum Beispiel bei Teillastbetrieb von Brennereinrichtungen
• Hohe hydraulische Leistung notwendig, um gute, gleichmäßige Verteilung zu erzeugen, zum Beispiel durch entsprechende Druckerhöhung
• Aufwendige teure Komponenten, zum Beispiel mehrstufige Kompressoren oder Pumpen, notwendig
• Flammbildung oder Flammführung mittels zusätzlicher Bauteile, zum Beispiel Leitbleche in der Brennkammer, erforderlich

Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, die oben genannten Nachteile und Einsatzeinschränkungen möglichst weitgehend zu vermeiden und dabei die Herstellkosten nicht zu erhöhen, nach Möglichkeit sogar zu vermindern.
Die Aufgabe wird durch die charakteristischen Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 4 bilden die technische Lehre fort, der Nebenanspruch 5 beschreibt eine alternative Ausführung der Dosierpumpe für dieselbe Aufgabe.
In der Einrichtung zum Dosieren und zur Vermischung von Fluidströmen erfolgt eine mehrstufige Vermischung der Fluidströme, wobei das erste Fluid ein Gas und zweite Fluid eine Flüssigkeit ist, und der von dem Gebläse und den Leitblechen bewegte Fluidstrom des ersten Fluids von den Leitblechen in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt wird und einer dieser Teilströme durch die Leitbleche dem ersten Teil des Mischapparats zugeführt und dort mit dem zweiten Fluids vermischt wird und später in weiteren Teilen des Mischapparats mit weiteren Teilströmen des ersten Fluids vermischt wird. Der erste Teil des Mischapparats bildet aus den beiden Fluiden ein Aerosol.
Das zweite Fluid wird von einer beispielsweise elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe gefördert und dosiert und der erste Teil des Mischapparats und der Auslass der Hubkolbenpumpe bilden eine bauliche Einheit. Dabei kann die Hubkolbenpumpe auch von einem anderen linear wirkenden elektromechanischen Wandler angetrieben werden. Die weiteren Teile des Mischapparats, nämlich die erste Gruppe der Leitbleche und die zweite Gruppe der Leitbleche sind im Wesentlichen koaxial zur Hubkolbenpumpe angeordnet.
Bei dieser Dosier- und Mischeinrichtung bestimmt die Arbeitsfrequenz der Hubkolbenpumpe 2 die im zeitlichen Mittel zugemessene Menge des zweiten Fluids, wobei die Arbeitsfrequenz durch eine elektrische Ansteuerung vorgegeben wird, und die zugemessene Menge bei einem Einzelhub der Hubkolbenpumpe von der Arbeitsfrequenz im üblichen Arbeitsbereich nur sehr geringfügig beeinflusst wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Leistungen des Gebläses und der Hubkolbenpumpe bei einem Einzelhub so aufeinander abgestimmt, dass das Aerosol durch eine vorbestimmte Tröpfchengröße und Tröpfchenverteilung charakterisiert ist. Dadurch wird erreicht, dass für weite Bereiche der Temperatur und des Drucks des zweiten Fluids nach der vollständigen Vermischung der beiden Fluide in allen Teilen der Mischeinrichtung ein oxidationsfähiges Gemisch dieser Fluide entsteht.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung leitet die zweite Gruppe der Leitbleche durch ihre Anordnung und Formgebung den Strom des zweiten Fluids so, dass eine stabile Flamme erzeugt wird.
Alternativ zur Verbindung des ersten Teil des Mischapparats mit dem Auslass der Dosierpumpe wird der Auslass der Dosierpumpe mit einer Düse verbunden, die das zweite Fluid in einen Zerstäubungs- bzw. Mischbereich einspritzt.
Die Erfindung bewirkt Vorteile hinsichtlich der Herstellkosten, weil keine zusätzlichen Einrichtungen wie Vorförderpumpe oder Kompressor/Gebläse oder Zumesseinrichtung einschließlich der zusätzlichen Elektronik notwendig sind. Hinsichtlich der Funktionserfüllung wirkt die Erfindung vorteilhaft, weil die hier beschriebene Zweistoffdüse den Anspruch an eine gute und feine Gemischaufbereitung besser erfüllt als Einstoffdüsen, die mit Hilfe von Druckerhöhung eine feinere Tröpfchenverteilung erzielen und erst in einem nachgelagerten Bereich eine Vermischung bewirken.
Hinsichtlich des Bauraums und des Gewichts wirkt die Erfindung vorteilhaft, weil weniger Komponenten benötigt werden und auch durch den kleineren Bauraum kürzere Mischstrecken realisierbar sind.
Die Erfindung bietet daneben auch mehr Gestaltungsfreiheit bei der Strömungsführung.
Die Erfindung findet Anwendung bei Brennern, Brennstoffzellen, Reformern, und bei Einrichtungen zur Abgasnachbehandlung von Verbrennungsmotoren.
1 zeigt die erfindungsgemäße Einrichtung in einer beispielhaften Ausführung,
2 zeigt die darin enthaltene Dosierpumpe.
3 zeigt eine alternative erfindungsgemäße Ausführung der Dosierpumpe.
In der Einrichtung 1 zum Dosieren und zur Vermischung von Fluidströmen gemäß 1 und 2 erfolgt eine mehrstufige Vermischung der Fluidströme, wobei das erste Fluid ein Gas und zweite Fluid eine Flüssigkeit ist, und der von dem Gebläse 5 und den Leitblechen 6 bewegte Fluidstrom des ersten Fluids von den Leitblechen 6 in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt wird und einer dieser Teilströme durch die Leitbleche 6 dem ersten Teil 11 des Mischapparats zugeführt wird und dort mit dem zweiten Fluids vermischt wird und später in weiteren Teilen des Mischapparats mit weiteren Teilströmen des ersten Fluids vermischt wird und der erste Teil 11 des Mischapparats aus den beiden Fluiden ein Aerosol bildet, wobei das zweite Fluid von einer elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe 2 dosiert und gefördert wird und der erste Teil 11 des Mischapparats und der Auslass 10 der Hubkolbenpumpe eine bauliche Einheit bilden und die weiteren Teile des Mischapparats, nämlich die erste Gruppe der Leitbleche 6 und die zweite Gruppe der Leitbleche 12 im Wesentlichen koaxial zur Hubkolbenpumpe angeordnet sind.
Bei der Dosier- und Mischeinrichtung bestimmt die Arbeitsfrequenz der Hubkolbenpumpe 2 die im zeitlichen Mittel zugemessene Menge des zweiten Fluids, wobei die Arbeitsfrequenz durch eine elektrische Ansteuerung vorgegeben wird und die zugemessene Menge bei einem Einzelhub der Hubkolbenpumpe von der Arbeitsfrequenz im üblichen Arbeitsbereich nur sehr geringfügig beeinflusst wird.
In der Dosier- und Mischeinrichtung sind die Leistungen des Gebläses 5 und der Hubkolbenpumpe 2 bei einem Einzelhub so aufeinander abgestimmt, dass das Aerosol durch eine vorbestimmte Tröpfchengröße und Tröpfchenverteilung charakterisiert ist, wodurch erreicht wird, dass für weite Bereiche der Temperatur und des Drucks des zweiten Fluids nach der vollständigen Vermischung der beiden Fluide in allen Teilen der Mischeinrichtung ein oxidationsfähiges Gemisch dieser Fluide entsteht.
In der Dosier- und Mischeinrichtung leitet die zweite Gruppe der Leitbleche 12 durch ihre Anordnung und Formgebung den Strom des zweiten Fluids so, dass eine stabile Flamme erzeugt wird.
In einer alternativen Ausführung der Dosierpumpe 2 gemäß 3 ist der Auslass 10 der Dosierpumpe mit der Düse 13 verbunden, durch die das zweite Fluid in einen Zerstäubungsbereich 9 eingespritzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Dosier- und Mischeinrichtung
2: Dosierpumpe
3: Zündvorrichtung
4: Flamme
5: Gebläse
6: Leitbleche
7: Gaszuführung
8: Flüssigkeitszuführung
9: Zerstäubungs- bzw. Mischbereich
10: Auslass
11: Erster Teil des Mischapparats
12: Leitbleche
13: Düse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008051872 A1 [0003]
DE 102009005528 A1 [0003]
EP 000000918193 B1 [0003]
DE 000019752293 C1 [0003]
EP 000001859857 B1 [0003]
DE 4328621 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.zentralheizung.de/hersteller/brenner.php [0004]
http://www.td.mw.tum.de/CIVB/TP/TP1 [0004]
http://www.ohs-handel.de/oelbrenner_3.html [0004]
http://www.ict.uni-karlsruhe.de/index.pl/themen/dddflamme [0004]
http://brenner.danfoss.com/xxListx/0_MNU17425229_SIT116.html [0004]

Claims

Einrichtung zum Dosieren und zur Vermischung von Fluidströmen, in der eine mehrstufige Vermischung der Fluidströme erfolgt, wobei das erste Fluid ein Gas und zweite Fluid eine Flüssigkeit ist, und der von dem Gebläse (5) und den Leitblechen (6) bewegte Fluidstrom des ersten Fluids von den Leitblechen (6) in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass einer dieser Teilströme durch die Leitbleche (6) dem ersten Teil (11) des Mischapparats zugeführt wird und dort mit dem zweiten Fluids vermischt wird und später in weiteren Teilen des Mischapparats mit weiteren Teilströmen des ersten Fluids vermischt wird und der erste Teil (11) des Mischapparats aus den beiden Fluiden ein Aerosol bildet, wobei das zweite Fluid von einer durch einen linear wirkenden elektromechanischen Wandler angetriebenen Hubkolbenpumpe (2) dosiert und gefördert wird und der erste Teil (11) des Mischapparats und der Auslass (10) der Hubkolbenpumpe eine bauliche Einheit bilden und die weiteren Teile des Mischapparats, nämlich die erste Gruppe der Leitbleche (6) und die zweite Gruppe der Leitbleche (12), im Wesentlichen koaxial zur Hubkolbenpumpe angeordnet sind.
Dosier- und Mischeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfrequenz der Hubkolbenpumpe 2 die im zeitlichen Mittel zugemessene Menge des zweiten Fluids bestimmt, wobei die Arbeitsfrequenz durch eine elektrische Ansteuerung vorgegeben wird und die zugemessene Menge bei einem Einzelhub der Hubkolbenpumpe von der Arbeitsfrequenz im üblichen Arbeitsbereich nur sehr geringfügig beeinflusst wird.
Dosier- und Mischeinrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Förderleistungen des Gebläses (5) und der Hubkolbenpumpe (2) bei einem Einzelhub so aufeinander abgestimmt sind, dass das Aerosol durch eine vorbestimmte Tröpfchengröße und Tröpfchenverteilung charakterisiert ist, wodurch erreicht wird, dass für weite Bereiche der Temperatur und des Drucks des zweiten Fluids nach der vollständigen Vermischung der beiden Fluide in allen Teilen der Mischeinrichtung ein oxidationsfähiges Gemisch dieser Fluide entsteht.
Dosier- und Mischeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gruppe der Leitbleche (12) durch ihre Anordnung und Formgebung den Strom des zweiten Fluids so leitet, dass eine stabile Flamme erzeugt wird.
Dosier- und Mischeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (10) der Hubkolbenpumpe (2) mit der Düse (13) verbunden ist, die das zweite Fluid in einen Zerstäubungsbereich (9) einspritzt.