-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen statischen Mischer, insbesondere zur Verwendung für chemische Hochtemperaturprozesse und als Verbrennungszone eines Porenbrenners, mit einer in einem Porenkörper ausgebildeten offenen Porenstruktur mit untereinander verbundenen Poren, wobei die Porenstruktur durch einander kreuzende Materialstäbe einer aus den Materialstäben gebildeten dreidimensionalen Gitterstruktur des Porenkörpers gebildet ist, und die Poren durch zwischen den Materialstäben ausgebildete Zwischenräume gebildet sind. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Porenkörpers für einen statischen Mischer mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
-
Statische Mischer werden zur Homogenisierung von den statischen Mischer in Richtung einer Durchströmungsachse durchströmenden Medien eingesetzt. Ein besonderer Einsatzbereich von statischen Mischern liegt in ihrer Verwendung als Verbrennungszone eines Porenbrenners, wobei die untereinander verbundenen Poren des Porenkörpers einen Verbrennungsraum ausbilden. Durch die offenporige Ausgestaltung des Porenkörpers soll eine flammenlose, volumetrische Verbrennung ermöglicht werden, sodass die Verbrennungszone eines im Betrieb befindlichen Porenbrenners als „glühender Schaum” bezeichnet wird.
-
Ein weiterer Einsatzbereich für statische Mischer liegt beispielsweise im Bereich des sogenannten „Steam Reforming”, wobei beispielsweise bei der Wasserstoffgewinnung oder der Erzeugung von Synthesegasen die Mischer als Reaktoren eingesetzt werden. Dabei kann die benötigte Reaktionsenergie über eine Beheizung des statischen Mischers eingebracht werden.
-
Unabhängig von dem Einsatzgebiet von statischen Mischern wird die Ausbildung eines Porenkörpers angestrebt, der zum einen eine möglichst gleichmäßige Porenverteilung und zum anderen eine möglichst gleichmäßige Porengröße aufweist, und der in seinen, insbesondere durch die Porenverteilung und die Porengröße definierten, spezifischen Eigenschaften reproduzierbar und möglichst einfach herstellbar ist.
-
Aus der
EP 1 693 618 B1 ist ein als Verbrennungszone eines Porenbrenners verwendeter Porenkörper bekannt, der durch wellenförmige Streifen einer mit einer Kohlenstofffaserverstärkung versehenen Siliziumcarbid-Struktur, die abwechselnd mit eben ausgebildeten Decklagen aus einer kohlenstofffaserverstärkten Siliziumcarbid-Struktur angeordnet werden, gebildet ist. Die derart gebildeten Poren weisen, vergleichbar einer Strömungsleiteinrichtung, eine definierte Ausrichtung und somit eine bevorzugte Durchströmungsrichtung auf. Hierdurch ergibt sich bei dem bekannten Porenkörper eine von der Orientierung der Strömungsleiteinrichtungen abhängige, extrem differierende Porendichte. Darüber hinaus erweist sich der bekannte Porenkörper als aufwändig in der Herstellung, da die wellenförmige Ausbildung der Materialstreifen eine entsprechende Umformung des verwendeten Materials voraussetzt, und der Porenkörper aus unterschiedlich ausgebildeten Elementen, nämlich zum einen den wellenförmigen Streifen und zum anderen den Decklagen zusammengesetzt ist.
-
Abweichend von dem aus der
EP 1 693 618 B1 bekannten Porenkörper ist es auch bekannt, Porenkörper für die Verbrennungszone eines Porenbrenners auf Basis eines porösen Schaumkörpers auszubilden, zu dessen Ausbildung eine keramische Suspension aufgeschäumt und durch ein Sinterverfahren verfestigt wird, wie beispielsweise in
„Keramische Werkstoffe", J. Kriegesmann, 1997, VII, 33, 34, 35, 36 beschrieben. Mittels des bekannten Verfahrens können zwar Schaumkörper mit einer hohen Gesamtporosität hergestellt werden. Jedoch sind die Poren in ihrer Größe sehr unterschiedlich ausgebildet, sodass im Ergebnis keine ideale gleichmäßige Verteilung der Poren und Porengröße erreichbar ist.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer zu ermöglichen, dessen Porenkörper Poren in einer möglichst gleichmäßigen Verteilung und mit möglichst gleichmäßiger Größe aufweist.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe weist der erfindungsgemäße Mischer die Merkmale des Anspruchs 1 auf.
-
Erfindungsgemäß ist der statische Mischer mit einer in einem Porenkörper ausgebildeten offenen Porenstruktur mit untereinander verbundenen Poren versehen, wobei die Porenstruktur durch einander kreuzende Materialstäbe einer aus den Materialstäben gebildeten dreidimensionalen Gitterstruktur des Porenkörpers gebildet ist, und die Poren durch zwischen den Materialstäben ausgebildete Zwischenräume gebildet sind.
-
Der Porenkörper des erfindungsgemäßen statischen Mischers ermöglicht somit die Ausbildung einer Porenstruktur auf Basis geometrisch simpelster Elemente, die aufgrund ihrer stabförmigen Ausbildung auf besonders einfache Weise aus ebenen Materiallagen eines verwendeten Halbzeugs, wie beispielsweise eines CFC-Plattenmaterials, herausgeschnitten werden können, ohne dass hierzu besondere Umformvorgänge notwendig wären. Darüber hinaus ist bei der Gitterstruktur die Ausbildung der Poren allein durch die räumliche Relativanordnung der Materialstäbe bestimmt, sodass Poren reproduzierbar und in beliebiger Größe durch eine entsprechende Relativanordnung der Materialstäbe herstellbar sind. Auch ist es möglich, die den Porenkörper ausprägende Gitterstruktur basierend auf Materialstäben mit einem einheitlichen Materialquerschnitt herzustellen, sodass auch keine unterschiedlichen Elemente der Gitterstruktur bzw. zur Definition des Porenkörpers bereitgehalten werden müssen.
-
Da die Poren allein durch die Zwischenräume zwischen den die Gitterstruktur ausbildenden Materialstäben definiert sind, weisen die Poren auch keine bevorzugte Erstreckungsrichtung auf, sodass die Porendichte im Porenkörper bzw. die Größe der Gesamtporosität im Wesentlichen durch das Verhältnis der Abstände der Materialstäbe zueinander und deren Querschnitt bestimmt ist.
-
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Gitterstruktur eine Mehrzahl von Gitterebenen auf, die jeweils eine Stabreihe mit einer Mehrzahl parallel zueinander angeordneter Materialstäbe aufweisen. Eine derart ausgebildete Gitterstruktur ist auf Basis von einheitlich ausgebildeten Stabreihen, die zur Ausbildung von Gitterebenen übereinander angeordnet sind, beliebig ausbaubar, sodass basierend auf dem Prinzip der Gitterstruktur beliebig dimensionierte statische Mischer herstellbar sind.
-
Vorzugsweise kreuzen sich die Materialstäbe benachbarter Gitterebenen unter einem Gitterwinkel α, sodass jeweils nur zwei übereinander angeordnete Stabreihen notwendig sind, um in der einfachsten Ausführungsform einen Porenkörper zu definieren. Darüber hinaus ermöglicht die einander unter einem Gitterwinkel α kreuzende Anordnung von Materialstäben benachbarter Gitterebenen eine größtmögliche Porendichte in dem Porenkörper des statischen Mischers.
-
Wenn die Materialstäbe benachbarter Gitterebenen unter einem Gitterwinkel α = 90° angeordnet sind, ergibt sich ein rechteckförmiger Offnungsquerschnitt der Poren mit einer leicht reproduzierbaren Gesamtporosität.
-
Insbesondere zur Einstellung des gewünschten Strömungswiderstands des Porenkörpers bei einer Durchströmung mit einem Brennstoff-Luft-Gemisch ist vorteilhaft, wenn die Gitterebenen unter einem definierten Gitterebenenwinkel β zu einer Durchströmungsachse des Porenkörpers angeordnet sind, der vorzugsweise bei einer zur Durchströmungsachse parallelen Anordnung der Gitterebenen β = 0° beträgt
-
In einer Ausführungsform des statischen Mischers sind die Materialstäbe aus einem CFC-Material gebildet, das beispielsweise als plattenförmiges Halbzeug vorliegen kann, aus dem zur Ausbildung der Materialstäbe Streifen geschnitten werden können.
-
In einer weiteren Ausführungsform sind die Materialstäbe aus einem CFC-Material auf Basis einer Faserfilzverstärkung gebildet, die zumindest im Bereich ihrer Oberfläche Siliziumcarbid aufweisen, um für den Einsatz in einem Porenbrenner oder als beheizter statischer Mischer, etwa für die Ausführung einer endothermischen chemischen Gasphasenreaktion, in geeigneter Weise temperaturbeständig ausgebildet zu werden. Vorzugsweise ist das Siliziumcarbid durch Reaktionssilizierung als SiSiC-Werkstoff ausgebildet, wobei die Silizierung als Kapillarsilizierung durchführbar ist.
-
Eine weitere mögliche Ausführungsform des statischen Mischers weist Materialstäbe auf Basis eines carbonisierten Holzfaserwerkstoffs auf, die zumindest im Bereich ihrer Oberfläche Siliziumcarbid aufweisen, das vorzugsweise durch Reaktionssilizierung als SiSiC-Werkstoff ausgebildet ist.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Porenkörpers für einen statischen Mischer weist die Merkmale des Anspruchs 10 auf.
-
Erfindungsgemäß erfolgt die Herstellung des Porenkörpers auf Basis von Materialstäben aus einem Kohlenstoffmaterial oder einem organischen, in Kohlenstoff umwandelbaren Material, das zur Ausbildung einer dreidimensionalen Gitterstruktur bereitgestellt wird. Durch Ausbildung einer dreidimensionalen Gitterstruktur mit einer durch einander kreuzende Anordnung der Materialstäbe gebildeten Porenstruktur, wird erreicht, dass zwischen den Materialstäben ausgebildete Zwischenräume Poren ausbilden. Zur mechanischen Stabilisierung der Gitterstruktur erfolgt z. B. eine Einbettung in eine Füllmasse, sodass die die Poren ausbildenden Zwischenräume verfüllt werden. Nach Aushärtung der Füllmasse in einer Form, die die Herstellung eines spanend bearbeitbaren Formkörpers ermöglicht, erfolgt eine spanende Bearbeitung des Formkörpers zur Ausbildung des Porenkörpers mit definierter Porenkörperkontur. Anschließend wird die Füllmasse zur Freilegung des Porenkörpers aufgeschmolzen, ausgewaschen oder mittels Lösungsmittel herausgelöst.
-
Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung einer viskosen, organischen Füllmasse herausgestellt.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn als viskose organische Füllmasse Kolophonium verwendet wird, da es vorteilhaft bei Raumtemperatur aushärtet und bereits bei einer vergleichbar geringen Temperatur (120°C) aufschmilzt, sodass eine nahezu vollständige Entfernung der viskosen organischen Füllmasse nach spanender Bearbeitung des Formkörpers mit geringem Energieaufwand möglich ist. Nach dem Aufschmelzen der Füllmasse verbleibende Reste auf der Gitterstruktur erweisen sich als für die spätere Verwendung des statischen Mischers als unschädlich, da etwaige Kolophoniumrückstände spätestens beim Einsatz des statischen Mischers als Verbrennungszone oder beheizter Reaktor im Wesentlichen rückstandsfrei ausgebrannt werden.
-
Weiterhin erweisen sich neben Wachsen und Paraffinen auch metallische Legierungen, Salze und salzgebundene Sande als Füllmaterial verwendbar.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn zur Ausbildung der dreidimensionalen Gitterstruktur mit einer Mehrzahl von Gitterebenen die Materialstäbe in einer Mehrzahl von Stapelebenen übereinander angeordnet werden, derart, dass in jeder Gitterebene mehrere Materialstäbe parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Materialstäbe benachbarter Gitterebenen sich unter einem Gitterwinkel α kreuzen.
-
Bereits während der Anordnung der Materialstäbe zur Ausbildung der dreidimensionalen Gitterstruktur oder auch nachfolgend der Ausbildung der Gitterstruktur kann eine Fixierung der Relativanordnung der Materialstäbe mittels eines Klebers erfolgen, um zu verhindern, dass während der Einbettung der Gitterstruktur in die viskose organische Füllmasse oder der spanenden Bearbeitung des Formkörpers eine Änderung der Relativanordnung der Materialstäbe möglich ist.
-
Als Kleber hat sich die Verwendung eines Phenolharzklebers, insbesondere mit einem 10-prozentigen Graphitzusatz, bewährt, da dieser Kleber eine ausreichende Temperaturfestigkeit aufweist, um auch während einer der Ausbildung der Gitterstruktur nachfolgende Carbonisierung der Materialstäbe und/oder des Klebers die Relativanordnung der Materialstäbe aufrechtzuerhalten.
-
Insbesondere in dem Fall, wenn für die Materialstäbe ein CFC-Material verwendet wird, erfolgt nach Herstellung der dreidimensionalen Gitterstruktur durch entsprechende Relativanordnung der aus dem CFC-Material gebildeten Materialstäbe nur noch eine abschließende Carbonisierung des Klebers, da die Materialstäbe bereits in carbonisiertem Zustand vorliegen.
-
Im Fall der Bereitstellung von Materialstäben aus einem organischen, in Kohlenstoff umwandelbaren Material kann wahlweise vor der Relativanordnung der Materialstäbe zur Ausbildung der Gitterstruktur oder auch nach Ausbildung der dreidimensionalen Gitterstruktur eine Carbonisierung erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Carbonisierung der Materialstäbe aus einem organischen, in Kohlenstoff umwandelbaren Material vorausgehend der Ausbildung der dreidimensionalen Gitterstruktur, da regelmäßig infolge der Carbonisierung der Materialstäbe eine Schwindung des Materials zu beobachten ist.
-
Je nach Einsatztemperatur des statischen Mischers kann nachfolgend der Carbonisierung der Materialstäbe und vorausgehend oder nachfolgend der Ausbildung der dreidimensionalen Gitterstruktur eine Silizierung der Materialstäbe erfolgen, um gegebenenfalls an der Oberfläche der Gitterstruktur vorhandenen freien Kohlenstoff in einem Reaktionsbrand in Siliziumcarbid umzuwandeln.
-
Alternativ ist es auch möglich, nachfolgend der Carbonisierung der Materialstäbe und vorausgehend oder nachfolgend der Ausbildung der Gitterstruktur eine Beschichtung der Materialstäbe mit Siliziumcarbid auszuführen, welche beispielsweise durch Abscheidung von Siliziumcarbid aus der Gasphase, etwa im CVD- oder CVI-Verfahren, erfolgen kann.
-
Insbesondere zur Herstellung eines statischen Mischers, der als Reaktor Verwendung findet, ist es vorteilhaft, wenn der Porenkörper an seinen längs der Durchströmungsachse axialen Enden mit Kontakteinrichtungen versehen ist, die vorzugsweise aus Graphit gebildet sind.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
-
Es zeigen:
-
1: eine aus einander kreuzenden Materialstäben ausgebildete Gitterstruktur eines Porenkörpers;
-
2: die Anordnung der in 1 dargestellten Gitterstruktur in einem Formkasten;
-
3: die in einer ausgehärteten organischen Füllmasse angeordnete Gitterstruktur;
-
4: die mit der Füllmasse verfüllte Gitterstruktur nach spanender Bearbeitung zur Definition einer Porenkörperkontur;
-
5: den Porenkörper nach Ausschmelzen der organischen Füllmasse;
-
6: ein Graphitanschlussring zur Ausbildung eines elektrischen Anschlusskontakts für den Porenkörper;
-
7: den an beiden Längsenden mit durch Graphitringe ausgebildete Anschlusskontakten versehenen Porenkörper zur Ausbildung eines beheizbaren statischen Mischers.
-
1 zeigt eine dreidimensional ausgebildete Gitterstruktur 10, die aus einander kreuzenden Materialstäben 11 zusammengesetzt ist. Die Materialstäbe 11 sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch aus einer Holzfaserplatte, die insbesondere als mitteldichte Faserplatte (MDF-Platte) oder hochdichte Faserplatte (HDF-Platte) ausgebildet sein kann, herausgeschnittene Materialstreifen gebildet, die auf zwei einander gegenüberliegenden Verbindungsseiten 12, 13 mit Stecknuten 14 versehen sind, die, wie in 1 dargestellt, eine Steckverbindung der einzelnen Materialstäbe 11 miteinander ermöglichen.
-
Die Materialstäbe 11 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vor Herstellung der Gitterstruktur 10 in einem Pyrolyseverfahren carbonisiert worden. Je nach der beabsichtigten Einsatztemperatur eines beispielhaft in 7 dargestellten statischen Mischers 24 können die Materialstäbe 11 auch nachfolgend dem ersten Pyrolysegang einem weiteren Pyrolysegang zur Graphitierung unterzogen werden.
-
Die carbonisierten Materialstäbe 11 werden im Bereich der Stecknuten 14 vor dem Fügen zur Ausbildung der in 1 dargestellten Gitterstruktur 10 mit einem geeigneten Kleber, der im Fall der aus MDF-Material gebildeten Materialstäbe ein mit einem Rußzusatz versehener Holzleim sein kann, versehen und zur Ausbildung der Gitterstruktur 10 zusammengesetzt. Wie 1 zeigt, weist die Gitterstruktur 10 eine Mehrzahl von Gitterebenen 15 auf, die jeweils eine Stabreihe 16 mit im vorliegenden Fall fünf Mehrzahl parallel zueinander angeordneten Materialstäben 11 aufweisen. Dabei sind die Materialstäbe 11 benachbarter Gitterebenen 15 so zueinander angeordnet, dass sie sich unter einem Gitterwinkel α, der im vorliegenden Fall 90° beträgt, kreuzen.
-
Durch zwischen den Materialstäben 11 ausgebildete Zwischenräume wird eine Porenstruktur 28 mit untereinander verbundenen Poren 29 ausgebildet.
-
Je nach Höhe der beabsichtigten Einsatztemperatur des mit der Gitterstruktur 10 versehenen statischen Mischers 24 (7) kann eine Silizierung und/oder CVD-SiC-Beschichtung der carbonisierten oder graphitierten Materialstäbe 11 erfolgen, wobei im Falle der aus MDF-Material gebildeten Materialstäbe 11 vorzugsweise eine Silizierung gewählt wird.
-
Insbesondere in dem Fall, wenn die Materialstäbe 11 aus einem Kohlenstofffaser-Filz gebildet sind, kann eine Silizierung auch durch Infiltration mit flüssigem Silizium auch mit einer nachfolgenden CVD-SiC-Beschichtung kombiniert werden, um z. B. höhere Temperaturbeständigkeiten zu gewährleisten in einem statischen Mischer, der dann kein freies Silizium mehr aufweisen muss.
-
2 zeigt die in einem Formkasten 17 eingesetzte Gitterstruktur 10, wobei die Gitterstruktur 10 so in einen Formraum 18 eingesetzt ist, dass sich die Gitterebenen 15 in paralleler Ausrichtung zu einer Hochachse 19 der Form befinden. Die Relativanordnung der Hochachse 19 zur Gitterstruktur 10 ist dabei so gewählt, dass die Hochachse 19 mit einer sich nach Installation des mit der Gitterstruktur 10 versehenen statischen Mischers 24 ergebenen Durchströmungsachse 20 des Mischers 24, die in 7 dargestellt ist, übereinstimmt. Aufgrund der in 2 dargestellten Relativanordnung der Gitterstruktur 10 im Formraum 18 des Formkastens 17 ergibt sich ein Stabwinkel γ zur Hochachse 19 bzw. zur Durchströmungsachse 20, der im vorliegenden Fall 45° beträgt.
-
Im weiteren Verfahren zur Herstellung des in 7 dargestellten statischen Mischers 24 erfolgt ein Verfüllen des Formraums 18 des Formkastens 17 mit einer viskosen organischen Füllmasse 21, die im vorliegenden Fall aus aufgeschmolzenem Kolophonium besteht.
-
Nach Aushärtung bzw. Abkühlung der Füllmasse 21 wird ein derart ausgebildeter Formkörper 22 dem Formkasten 17 entnommen und längs der Hochachse 19 in eine hier nicht näher dargestellte Vorrichtung zur spanenden Bearbeitung des Formkörpers 22 eingespannt, sodass nachfolgend der spanenden Bearbeitung des Formkörpers 22 im Formkörper 22 ein in seiner Porenkörperkontur definierter Porenkörper 23 ausgebildet ist (4), der durch Ausschmelzen der Füllmasse 21 freigelegt wird und als in 5 dargestellter Porenkörper 23 zur Verfügung steht.
-
Zur Ausbildung des in 7 dargestellten statischen Mischers 24 wird der Porenkörper 23 noch an seinen bezogen auf die Durchströmungsachse 20 axialen Enden 25, 26 jeweils mit einer in 6 dargestellten elektrischen Anschlusseinrichtung 27 versehen, die im vorliegenden Fall aus einem Graphitmaterial gebildet ist, und zur Einleitung bzw. Ableitung eines elektrischen Stroms mit den axialen Enden 25, 26 verbunden wird. Zur Fixierung der Verbindung zwischen den Anschlusseinrichtungen 27 und den axialen Enden 25, 26 des Porenkörpers 23 eignet sich in besonderem Maße ein Phenolharzkleber, der mit einem Graphitzusatz versehen ist. Zur Minimierung des grundsätzlich über die Klebeverbindung mit dem Porenkörper 23 ausgebildeten Kontaktwiderstands wird der mit den Anschlusseinrichtungen 27 versehene Porenkörper 23 einer weiteren Ofenfahrt unterzogen, um die Klebestellen zu pyrolysieren.
-
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
-
- EP 1693618 B1 [0005, 0006]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- „Keramische Werkstoffe”, J. Kriegesmann, 1997, VII, 33, 34, 35, 36 [0006]
