DE102016102020A1

DE102016102020A1 - Mischereinrichtung

Info

Publication number: DE102016102020A1
Application number: DE102016102020.6A
Authority: DE
Inventors: Dennis Sailer; Stefan Sauer
Original assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Current assignee: Friedrich Boysen GmbH and Co KG
Priority date: 2015-04-23
Filing date: 2016-02-05
Publication date: 2016-10-27

Abstract

Eine Mischereinrichtung zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen eines in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom, eingebrachten Fluids umfasst eine Mehrzahl von Gasleitschaufeln. Dabei sind die Gasleitschaufeln so angeordnet und ausgebildet, dass der Gasstrom in wenigstens einem ersten Bereich durchmischt, insbesondere mit einem Drall beaufschlagt wird, und Gas aus wenigstens einem in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Gasstroms neben dem ersten Bereich angeordneten zweiten Bereich in den ersten Bereich gelenkt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischereinrichtung zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen eines in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom, eingebrachten Fluids.
Das Problem, eine Flüssigkeit in geeigneter Form zuverlässig in einem Gasstrom zu verdampfen und zu verteilen, um beispielsweise eine chemische Reaktion von Komponenten des Gasstroms mit Komponenten der zu verdampfenden Flüssigkeit zu ermöglichen, stellt sich in vielen Anwendungsbereichen. In der Abgastechnik ergibt sich dieses Problem beispielsweise im Zusammenhang mit dem Einbringen von Kraftstoff im Rahmen eines HCI-Systems oder mit dem SCR-Verfahren, bei dem eine wässrige Harnstofflösung beispielsweise mittels einer Dosierpumpe oder eines Injektors in den Abgasstrang eines Kraftstoffs eingebracht wird. Durch Thermolyse und Hydrolyse entstehen aus der Harnstofflösung Ammoniak und CO₂. Das so erzeugte Ammoniak kann in einem geeigneten Katalysator mit den im Abgas enthaltenen Stickoxiden reagieren, so dass diese effizient aus dem Abgas entfernt werden.
Bei diesem Verfahren ist es von besonderer Relevanz, dass die Harnstofflösung in einem geeigneten Verhältnis zu der im Abgas enthaltenen Stickoxidmenge zugeführt wird. Von großer Bedeutung ist zudem, dass die in den Abgasstrom eingebrachte Harnstofflösung möglichst vollständig verdampft und in dem Abgasstrom gleichmäßig verteilt wird. Zu diesem Zweck ist in Strömungsrichtung hinter dem Einbringungspunkt der Flüssigkeit oftmals eine Mischereinrichtung vorgesehen.
Bei motornahen Abgasanlagen muss das Reduktionsmittel, beispielsweise in Wasser gelöster Harnstoff, sehr homogen innerhalb der Mischstrecke verteilt werden. Hierzu wird üblicherweise ein statischer Mischer eingesetzt. Bei Drallmischern besteht eine hohe Abhängigkeit der Mischung von den Spraycharakteristika des eingebrachten Reduktionsmittels. Es entsteht dadurch der Nachteil, dass die Ungleichverteilung des Reduktionsmittels am Mischereintritt nicht vollständig kompensiert werden kann. Bei den bisher üblichen Mischereinrichtungen der eingangs genannten Art wird üblicherweise über den gesamten Querschnitt der Mischereinrichtung hinweg ein relativ hoher Drall aufgebracht, was einen entsprechend hohen Gegendruck mit sich bringt. Alternativ wurden auch Mischereinrichtungen mit einem als Bypass dienenden Ringspalt eingesetzt. Zur Erzielung einer hinreichenden Durchmischungs- und Verteilungswirkung erfordern solche Mischereinrichtungen jedoch eine relativ große Nachlauflänge im Anschluss an die Mischereinrichtung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mischereinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, bei der die zuvor erwähnten Nachteile beseitigt sind. Dabei soll insbesondere erreicht werden, dass die Mischereinrichtung einerseits bei möglichst geringer Nachlauflänge eine möglichst optimale Durchmischungsund Verteilungswirkung entfaltet, während sie andererseits einen möglichst geringen Gegendruck erzeugt.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Mischereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der vorliegenden Beschreibung sowie der Zeichnung.
Die erfindungsgemäße Mischereinrichtung zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen eines in einen Gasstrom, insbesondere in einen Abgasstrom, eingebrachten Fluids umfasst eine Mehrzahl von Gasleitschaufeln. Dabei sind die Gasleitschaufeln so angeordnet und ausgebildet, dass der Gasstrom in wenigstens einem ersten Bereich, in den bevorzugt relativ mehr zu verteilendes und zu verdampfendes Fluid eingebracht wird, durchmischt, insbesondere mit einem starken Drall beaufschlagt wird, und Gas aus einem in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung des Gasstroms neben dem ersten Bereich angeordneten zweiten Bereich, in den bevorzugt relativ weniger zu verteilendes und zu verdampfendes Fluid eingebracht wird, in den ersten Bereich gelenkt wird.
Aufgrund dieser Ausbildung wird einerseits erreicht, dass die Mischereinrichtung bei möglichst geringer Nachlauflänge eine möglichst optimale Durchmischungsund Verteilungswirkung entfaltet, während andererseits der durch die Mischereinrichtung erzeugte Gegendruck auf ein Minimum reduziert wird. Die gewünschte Gasströmung kann insbesondere durch eine entsprechende Anordnung und Ausbildung, einen spezifischen Beschnitt, einen spezifischen Anstellwinkel und/oder dergleichen der Gasleitschaufeln erreicht werden.
Bevorzugt sind die Gas aus dem zweiten Bereich in den ersten Bereich lenkenden Gasleitschaufeln so angeordnet und ausgebildet, dass das Gas aus dem zweiten Bereich zumindest teilweise im Auslassbereich der Mischereinrichtung und/oder in Hauptströmungsrichtung des Gasstroms hinter der Mischeinrichtung in den ersten Bereich gelenkt wird.
Der Erfindung liegt somit insbesondere der Gedanke zugrunde, Massenstrom, insbesondere Abgas aus wenigstens einem Bereich ohne oder mit wenig eingesprühtem Fluid in wenigstens einen Bereich mit mehr oder viel eingesprühtem Fluid zu lenken, und zwar insbesondere zumindest teilweise im Auslassbereich der Mischereinrichtung und/oder in Hauptströmungsrichtung des Gasstroms hinter der Mischereinrichtung, um dadurch die Verteilung und das Verdampfen des eingesprühten Fluids, beispielsweise eines gelösten Harnstoffs, zu verbessern. Zudem kann damit der Dralleffekt im ersten Bereich verstärkt werden, falls dies gewünscht ist.
Der erste Bereich kann insbesondere in radialer Richtung der Mischereinrichtung innerhalb des zweiten Bereichs angeordnet sein. Dabei kann der zweite Bereich den ersten Bereich zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung umgeben.
Der Außenumfang des ersten Bereichs kann eine zumindest im Wesentlichen kreisförmige Geometrie oder auch eine nicht kreisförmige Geometrie aufweisen. Von Vorteil ist insbesondere, wenn der Außenumfang des ersten Bereichs zumindest im Wesentlichen dem Spraykegelquerschnitt des eingesprühten zu verteilenden und zu verdampfenden Fluids im Eintrittsbereich der Mischereinrichtung entspricht.
Gemäß einer zweckmäßigen praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung weist der Außenumfang des zweiten Bereichs eine nicht kreisförmige, insbesondere ovale, Geometrie auf. Grundsätzlich sind jedoch auch solche Ausführungsformen der Mischereinrichtung denkbar, bei denen der Außenumfang des zweiten Bereichs eine zumindest im Wesentlichen kreisförmige Geometrie besitzt.
Der erste Bereich kann insbesondere konzentrisch zur Mittenachse der Mischereinrichtung bzw. des zweiten Bereichs angeordnet sein. In bestimmten Fällen kann es jedoch auch zweckmäßig sein, wenn der erste Bereich exzentrisch zur Mittenachse der Mischereinrichtung bzw. des zweiten Bereichs angeordnet ist. Dabei kann insbesondere der jeweiligen Art und Weise, wie das zu verteilende und zu verdampfende Fluid eingesprüht wird, wie das Gas der Mischereinrichtung durch die zugeordnete Gasleiteinrichtung zugeführt wird und/oder dergleichen Rechnung getragen werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung sind die Gasleitschaufeln so angeordnet und ausgebildet, dass im zweiten Bereich ein zum im ersten Bereich erzeugten Drall gleichsinniger Drall erzeugt wird. Alternativ ist auch eine solche Ausführung der Mischereinrichtung denkbar, bei der die Gasleitschaufeln so angeordnet und ausgebildet sind, dass im zweiten Bereich ein zum im ersten Bereich erzeugten Drall gegensinniger Drall erzeugt wird. In beiden Fällen ist der im zweiten Bereich erzeugte Drall jedoch bevorzugt geringer als der im ersten Bereich erzeugte Drall.
In bestimmten Fällen können die Gasleitschaufeln zudem so angeordnet und ausgebildet sein, dass im zweiten Bereich zumindest im Wesentlichen kein Drall erzeugt wird.
Insbesondere zur Minimierung des Gegendrucks können die Gasleitschaufeln im zweiten Bereich zumindest teilweise auch perforiert, geschlitzt und/oder mit Aussparungen versehen sein.
Von Vorteil ist zudem, wenn die Gasleitschaufeln im zweiten Bereich und im ersten Bereich in Hauptströmungsrichtung des Gasstroms zumindest teilweise eine unterschiedliche Länge besitzen.
Bevorzugt reichen die Gasleitschaufeln des zweiten Bereichs bis hinter die Gasleitschaufeln des ersten Bereichs.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung weisen die Gasleitschaufeln im ersten Bereich einen in radialer Richtung variablen Anstellwinkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung des Gasstroms auf. Alternativ oder zusätzlich können die Gasleitschaufeln auch im zweiten Bereich einen in radialer Richtung variablen Anstellwinkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung des Gasstroms aufweisen. Dabei kann die Variation des Anstellwinkels jeweils linear oder nicht linear sein. Auch eine stufenweise Variation des Anstellwinkels kann in bestimmten Anwendungsfällen von Vorteil sein.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung sind die Gasleitschaufeln derart angeordnet und ausgebildet, dass sie sich im ersten Bereich in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Gasstroms überlappen, so dass in dem ersten Bereich keine geradlinige Durchströmung der Mischereinrichtung möglich ist. Der erste Bereich der Mischereinrichtung kann also "blickdicht" sein, wobei "blickdicht" bedeutet, dass ein parallel zu einer Mittenachse der Mischereinrichtung oder einer Anströmrichtung des Gasstroms ausgerichteter Lichtstrahl nicht durch den ersten Bereich dringen kann, wenn man von Reflexions- oder Beugungseffekten absieht.
Zudem können die Gasleitschaufeln insbesondere auch derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie sich im zweiten Bereich in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung des Gasstroms zumindest abschnittsweise nicht überlappen.
Durch die unterschiedliche Ausgestaltung, Anordnung und/oder Anzahl von Gasleitschaufeln in den beiden Bereichen ergeben sich auch Unterschiede hinsichtlich der Durchmischungs- und Verdampfungseigenschaften sowie hinsichtlich des durch sie jeweils erzeugten Gegendrucks. So erzeugt der erste Bereich insbesondere einen vergleichsweise starken Drall des Gasstroms. Außerdem bewirkt er eine effiziente Verdampfung von in den Gasstrom eingebrachten Flüssigkeitströpfchen. Bei einer Überlappung der Gasleitschaufeln können diese nicht geradlinig durch die Mischereinrichtung treten, sondern werden unabhängig vom Ort des Eintritts in die Mischereinrichtung abgelenkt. Dadurch steigt die Wahrscheinlichkeit, dass die Tröpfchen mit der Oberfläche einer der Gasleitschaufeln kollidieren, wo sie verdampfen. Indem sich die Gasleitschaufeln im zweiten Bereich zumindest abschnittsweise nicht überlappen, wird dort der Gasstrom mit einem vergleichsweise weniger starken Drall beaufschlagt, was eine relativ geringere Verdampfungsleistung mit sich bringt. Dagegen ist der in diesem zweiten Bereich erzeugte Gegendruck geringer als der im ersten Bereich erzeugte Gegendruck.
Die Geometrie des Außenumfangs des zweiten Bereichs kann insbesondere an die Geometrie der zugeordneten Abgasleiteinrichtung angepasst und beispielsweise oval oder kreisförmig sein. Eine möglicherweise ungleiche Verteilung des zu verdampfenden Fluids im Eintrittsbereich der Mischereinrichtung kann kompensiert werden, indem Gasstrom aus wenigstens einem zweiten Bereich in die Kernströmung des ersten Bereichs gelenkt wird. Durch die Überführung von Gas aus wenigstens einem zweiten Bereich in den insbesondere zentralen ersten Bereich durch entsprechend abgewinkelte und/oder gekrümmte Gasleitschaufeln ergibt sich eine stark ausgeprägte Kernströmung, die durch einen hohen Drall zu einer sehr guten Vermischung des betreffenden Fluids mit dem Hauptstrom führt.
Die Gasleitschaufeln können beispielsweise jeweils aus einer Platine als einstückige Gasleitschaufeln mit jeweils sowohl einem sich im ersten Bereich erstreckenden Schaufelabschnitt und einem sich im zweiten Bereich erstrecken Schaufelabschnitt gefertigt sein. Grundsätzlich können die den beiden Bereichen zugeordneten Schaufelabschnitte jedoch auch als getrennte Schaufeln hergestellt sein, die anschließend miteinander verbunden wurden. Im ersten Bereich kann die Mischereinrichtung beispielsweise als Doppeldrallturbine, Drallturbine, Origamimischer, Spiralmischer oder dergleichen ausgeführt sein. Die Gasleitschaufeln im zweiten Bereich können auch als Teilverdampfer ausgeführt sein. Der erste Bereich relativ stärkeren Dralls kann insbesondere radial innerhalb des zweiten Bereichs relativ schwächeren Dralls angeordnet sein. Es sind jedoch auch solche Ausführungen denkbar, bei denen Gasleitschaufeln in einem äußeren Bereich als Verdampfer dienen. Eine solche Anordnung ist insbesondere in Verbindung mit einem hohlkegelförmig eingesprühten Fluid denkbar.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Abgasanlage mit einer beschriebenen Mischereinrichtung, wobei diese bevorzugt zwischen einem ersten und einem zweiten Katalysator angeordnet sein kann.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert; in dieser zeigen:
1 eine schematische Frontansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung,
2 eine schematische Seitenansicht der Mischereinrichtung gemäß 1,
3 unterschiedliche Anstellwinkel aufweisende Gasleitschaufeln der Mischereinrichtung gemäß 1,
4 eine schematische Seitenansicht einer beispielhaften Ausführungsform einer in eine Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung mit einem einen ovalen Außenumfang aufweisenden Außenbereich und einem konzentrisch zur Mittenachse der Mischereinrichtung angeordneten Kernbereich, wobei das zu verteilende und zu verdampfende Fluid schräg zur Mittenachse der Mischereinrichtung eingebracht wird und eine homogene Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich erfolgt,
5 eine schematische Querschnittsdarstellung der Mischereinrichtung gemäß 4,
6 eine schematische Seitenansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer in eine Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung mit einem einen ovalen Außenumfang aufweisenden Außenbereich und einem exzentrisch zur Mittenachse der Mischereinrichtung angeordneten Kernbereich, wobei das zu verteilende und zu verdampfende Fluid schräg zur Mittenachse der Mischereinrichtung eingebracht wird und eine inhomogene Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich erfolgt,
7 eine schematische Querschnittsdarstellung der Mischereinrichtung gemäß 6,
8 eine schematische Seitenansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer in eine Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung mit einem einen ovalen Außenumfang aufweisenden Außenbereich und einem konzentrisch zur Mittenachse der Mischereinrichtung angeordneten Kernbereich, wobei das zu verteilende und zu verdampfende Fluid in einem Winkel zur Mittenachse der Mischereinrichtung angebracht wird, der kleiner als 10° ist, und der Außenbereich mit einer zur verdrallten Nachlaufströmung einseitig exzentrischen Gasführung versehen ist,
9 eine schematische Querschnittsdarstellung der Mischereinrichtung gemäß 8,
10 eine schematische Seitenansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer in eine Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung mit einem einen ovalen Außenumfang aufweisenden Außenbereich und einem exzentrisch zur Mittenachse der Mischereinrichtung angeordneten Kernbereich, wobei das zu verteilende und zu verdampfende Fluid schräg zur Mittenachse der Mischereinrichtung eingebracht wird, eine inhomogene Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich erfolgt und der Außenbereich mit einer zur verdrallten Nachlaufströmung einseitig exzentrischen Gasführung versehen ist,
11 eine schematische Querschnittsdarstellung der Mischereinrichtung gemäß 10,
12 eine schematische Seitenansicht einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer in eine Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung mit einem einen kreisförmigen Außenumfang aufweisenden Außenbereich und einem konzentrisch zur Mittenachse der Mischereinrichtung angeordneten Kernbereich, wobei das zu verteilende und zu verdampfende Fluid konzentrisch zur Mittenachse der Mischereinrichtung eingebracht wird, eine homogene Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich erfolgt und der Außenbereich mit einer zur verdrallten Nachlaufströmung doppelseitig exzentrischen Gasführung versehen ist,
13 eine schematische Querschnittsdarstellung der Mischereinrichtung gemäß 12 und
14 unterschiedliche Anstellwinkel aufweisende Schaufeln des Kernbereichs einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung.
Die 1 bis 14 zeigen unterschiedliche beispielhafte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 10 zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen eines in einen Gasstrom 12, insbesondere in einen Abgasstrom, eingebrachten Fluids 14.
Dabei umfasst eine jeweilige Mischereinrichtung 10 eine Mehrzahl von Gasleitschaufeln 16, 18, die so angeordnet und ausgebildet sind, dass der Gasstrom in einem ersten Bereich 20, in den relativ mehr zu verteilendes und zu verdampfendes Fluid 14 eingebracht wird, mit einem stärkeren Drall beaufschlagt wird als in einem in Richtung senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms 12 neben dem ersten Bereich 20 angeordneten zweiten Bereich, in den relativ weniger zu verteilendes und zu verdampfendes Fluid eingebracht wird, und Gas aus dem zweiten Bereich 22 in den ersten Bereich 20 gelenkt wird. Dabei können die Gas aus dem zweiten Bereich 22 in den ersten Bereich 20 lenkenden Gasleitschaufeln 18 insbesondere so angeordnet und ausgebildet sein, dass das Gas aus dem zweiten Bereich 22 zumindest teilweise im Auslassbereich 24 der Mischereinrichtung 10 und/oder in Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms 12 hinter der Mischereinrichtung 10 in den ersten Bereich 20 gelenkt wird.
Der erste Bereich 22 kann in radialer Richtung der Mischereinrichtung 10 insbesondere innerhalb des zweiten Bereichs 22 angeordnet sein. Dabei kann der zweite Bereich 22 den ersten Bereich 20 zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung umgeben.
Der Außenumfang des ersten Bereichs 20 weist bei den in den Figuren dargestellten verschiedenen Ausführungsbeispielen jeweils eine zumindest im Wesentlichen kreisförmige Geometrie auf. Es sind jedoch auch solche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Mischereinrichtung denkbar, bei denen der Außenumfang des ersten Bereichs 20 eine nicht kreisförmige Geometrie aufweist. In beiden Fällen kann der Außenumfang des ersten Bereichs 20 zumindest im Wesentlichen dem Spraykegelquerschnitt 46 des eingesprühten zu verteilenden und zu verdampfenden Fluids 14 im Eintrittsbereich 26 der Mischereinrichtung 10 entsprechen.
Der Außenumfang des zweiten Bereichs 22 kann eine nicht kreisförmige, insbesondere ovale, Geometrie (vgl. die 1 bis 11) oder eine zumindest im Wesentlichen kreisförmige Geometrie (vgl. die 12 und 13) aufweisen.
Der erste Bereich 20 kann konzentrisch zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 bzw. des zweiten Bereichs 22 (vgl. die 1 bis 5, 8, 9, 12 und 13) oder auch exzentrisch zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 bzw. des zweiten Bereichs 22 (vgl. die 6, 7, 10 und 11) angeordnet sein.
Die Gasleitschaufeln 16, 18 können so angeordnet und ausgebildet sein, dass im zweiten Bereich 22 ein zum im ersten Bereich 20 erzeugten Drall gleichsinniger Drall erzeugt wird. Es sind jedoch auch solche Ausführungsformen der Mischereinrichtung 10 denkbar, bei denen die Gasleitschaufeln 16, 18 so angeordnet und ausgebildet sind, dass im zweiten Bereich 22 ein zum im ersten Bereich 20 erzeugten Drall gegensinniger Drall erzeugt wird. Schließlich sind auch solche Ausführungen denkbar, bei denen die Gasleitschaufeln 16, 18 so angeordnet und ausgebildet sind, dass im zweiten Bereich 22 zumindest im Wesentlichen kein Drall erzeugt wird.
Die Gasleitschaufeln 18 im zweiten Bereich 22 können zumindest teilweise perforiert, geschlitzt und/oder mit Aussparungen versehen sein, wodurch der Gegendruck weiter reduziert werden kann.
Die Gasleitschaufeln 18, 16 im zweiten Bereich 22 und im ersten Bereich 20 können in Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms 12 zumindest teilweise eine unterschiedliche Länge besitzen.
Die Gasleitschaufeln 16 im ersten Bereich 20 können einen in radialer Richtung variablen Anstellwinkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms 12 aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können auch die Gasleitschaufeln 18 im zweiten Bereich 22 einen in radialer Richtung variablen Anstellwinkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms 12 aufweisen.
Die Gasleitschaufeln 16 können derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie sich im ersten Bereich 20 in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms 12 überlappen, so dass in dem ersten Bereich 20 keine geradlinige Durchströmung der Mischereinrichtung 10 möglich ist. Demgegenüber können die Gasleitschaufeln 18 derart angeordnet und ausgebildet sein, dass sie sich im zweiten Bereich in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms 12 zumindest abschnittsweise nicht überlappen.
Es kann beispielsweise jeweils eine innere Gasleitschaufel 16 einstückig mit einer äußeren Gasleitschaufel 18 aus einer Platine und durch anschließendes Zuschneiden gefertigt werden. Die inneren und äußeren Gasleitschaufeln 16, 18 können jedoch auch als getrennte Schaufeln hergestellt sein, die anschließend miteinander verbunden werden. Der einen Kernbereich bildende erste Bereich 20 kann beispielsweise nach Art einer Doppeldrallturbine, einer Drallturbine, eines Origamimischers, eines Spiralmischers oder dergleichen ausgeführt sein. Die dem insbesondere als Außenbereich vorgesehenen zweiten Bereich 22 zugeordneten äußeren Gasleitschaufeln 18 können als Teilverdampfer dienen. Diese äußeren Gasleitschaufeln 18 können insbesondere in Verbindung mit einem hohlkegelartigen Eindüsen des zu verteilenden und zu verdampfenden Fluids 14 auch als Verdampfer eingesetzt werden.
Die 1 und 2 zeigen in einer schematischen Frontansicht und einer schematischen Seitenansicht eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 10 mit einem einen ovalen Außenumfang aufweisenden zweiten oder Außenbereich 22 und einem konzentrisch zur Mittenachse 28 angeordneten ersten oder Kernbereich 20. Die äußeren Gasleitschaufeln 18 reichen in Hauptströmungsrichtung H bis hinter die inneren Gasleitschaufeln 16 und sind so angeordnet und ausgebildet, dass der Gasstrom im Außenbereich 22 in den Kernbereich 20 der Mischereinrichtung gelenkt wird. Die Mischereinrichtung 10 kann beispielsweise in ein Gasführungsrohr 48 der Abgasanlage eingebracht sein. Wie in 3 dargestellt, können die inneren Gasleitschaufeln 16 zumindest teilweise unterschiedliche Anstellwinkel gegenüber der Mittenachse der Mischereinrichtung 10 bzw. der Hauptströmungsrichtung des Gases aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können jedoch auch die sich im Außenbereich 22 erstreckenden äußeren Gasleitschaufeln 18 mit unterschiedlichen Anstellwinkeln versehen sein.
4 zeigt in schematischer Seitenansicht eine beispielhafte Ausführungsform einer in eine Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 10 mit einem einen ovalen Außenumfang aufweisenden Außenbereich 22 und einem konzentrisch zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 angeordneten Kernbereich 20, wobei das zu verteilende und zu verdampfende Fluid 14 schräg zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 eingebracht wird und eine homogene Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich 22 erfolgt.
Dabei ist in Hauptströmungsrichtung H des Gasstroms 12 vor einem Injektor 32 ein Katalysator 34 vorgesehen. Das zu verteilende und zu verdampfende Fluid 14 wird über den Injektor 32 in die Mischereinrichtung 10 eingebracht, an die sich eine Nachlaufstrecke 30 anschließt, der ein weiterer Katalysator 36 nachgeordnet ist. Im vorliegenden Fall ist die Mischereinrichtung 10 zumindest im Wesentlichen unterhalb des ersten Katalysators 34 angeordnet, so dass ein relativ ungünstiger Übergang vom Katalysator 34 zur Mischereinrichtung 10 gegeben ist. Dabei wird durch den als Bypass dienenden Außenbereich 22 der Mischereinrichtung 10 insbesondere auch ein Strömungsabriss vermieden. Zudem wird durch den als Bypass dienenden Außenbereich 22 der Mischereinrichtung 10 der angesichts der schrägen Eindosierung des Fluids 14 bestehenden Gefahr einer Sprayverwehung entgegengewirkt.
Der Außenbereich 22 kann beispielsweise auch als Verdampferstrecke genutzt werden. Wie anhand der 4 zu erkennen ist, ist der Außenbereich 22 der Mischereinrichtung 10 im vorliegenden Fall mit einer zur verdrallten Nachlaufströmung doppelseitig exzentrischen Gasführung 38 versehen.
5 zeigt die Mischereinrichtung 10 gemäß 4 in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
6 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer in einer Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 10, die sich von der Mischereinrichtung 10 gemäß den 4 und 5 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass sie einen exzentrisch zur Mittenachse 26 der Mischereinrichtung 10 angeordneten Kernbereich 20 aufweist. Im vorliegenden Fall erfolgt eine inhomogene Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich 22.
7 zeigt die Mischereinrichtung 10 gemäß 6 in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
8 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine weitere beispielhaften Ausführungsform einer in einer Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 10, die sich von den Mischereinrichtungen gemäß den 4 bis 7 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass das zu verteilende und zu verdampfende Fluid 14 in einem Winkel zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 eingebracht wird, der kleiner als 10° ist, und der Außenbereich 22 mit einer zur verdrallten Nachlaufströmung einseitig exzentrischen Gasführung 40 versehen ist. Der Kernbereich 20 ist im vorliegenden Fall wieder konzentrisch zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 angeordnet. Der trotz der Eindosierung mit einem Winkel < 10° zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 noch bestehenden Gefahr einer Sprayverwehung wird auch hier wieder durch den als Bypass dienenden Außenbereich 22 der Mischereinrichtung 10 entgegengewirkt. Der Außenbereich 22 ist auch im vorliegenden Fall beispielsweise wieder als zusätzliche Verdampferstrecke verwendbar.
9 zeigt die Mischereinrichtung gemäß 8 in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
10 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer in einer Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 10, die sich von den Mischereinrichtungen gemäß den 4 bis 9 im Wesentlichen dadurch unterscheidet, dass ein exzentrisch zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 angeordneter Kernbereich 20 in Kombination mit einer inhomogenen Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich 22 der Mischereinrichtung 10 und einer zur verdrallten Nachlaufströmung einseitig exzentrischen Gasführung 40 am Außenbereich 20 der Mischereinrichtung 10 vorgesehen ist. Damit wird die aufgrund einer verlängerten Nachlaufstrecke 40 bestehende höhere Wahrscheinlichkeit einer Wandbeaufschlagung bei nicht ausreichender Verdampfung an der Mischereinrichtung 10 und einer relativ hohen Trägheit des Tropfenkollektives berücksichtigt.
11 zeigt die Mischereinrichtung gemäß 10 in einer schematischen Querschnittsdarstellung.
12 zeigt in einer schematischen Seitenansicht eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer in einer Abgasanlage integrierten erfindungsgemäßen Mischereinrichtung 10 mit einem einen kreisförmigen Außenumfang aufweisenden Außenbereich 22 und einem konzentrisch zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 angeordneten Kernbereich 20. Das zu verteilende und zu verdampfende Fluid 14 wird konzentrisch zur Mittenachse 28 der Mischereinrichtung 10 in die Mischereinrichtung 1 eingebracht. Es erfolgt eine homogene Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich 22. Der Außenbereich 22 ist mit einer zur verdrallten Nachlaufströmung doppelseitigen exzentrischen Gasführung 38 versehen. Um den Injektor 32 ist ein hülsenartiges Sprayschutzelement 42 angeordnet. Durch eine in Strömungsrichtung vor der Mischereinrichtung 10 angeordnete ringförmig aufgeweitete Geometrie 44 der Gasführung ergibt sich eine seitliche Einströmung in den als Bypass dienenden Außenbereich 22 der Mischereinrichtung 10. Die Verdampferstruktur im Kernbereich 20 wird dadurch zudem bereits im Eintrittsbereich 26 durch eine verdrallte Strömungsstruktur umströmt, indem der seitlich zugeführte Hauptstrom somit mit einer Drallstruktur versehen wird.
13 zeigt die Mischereinrichtung 10 gemäß 12 in einer schematischen Querschnittsansicht.
14 zeigt unterschiedliche Anstellwinkel α_i gegenüber der Mittenachse 28 aufweisende innere Gasleitschaufeln 16 einer beispielhaften Mischereinrichtung 10. Es können sowohl die inneren Gasleitschaufeln 16 im ersten oder Kernbereich 20 als auch die äußeren Gasleitschaufeln 18 im zweiten oder Außenbereich 22 jeweils untereinander verschieden ausgebildet sein. So können die Gasleitschaufeln 16 des Kernbereichs 20 in verschiedenen Mischerbereichen verschiedene Anstellwinkel gegenüber der Mittenachse 28 aufweisen, beispielsweise um einer unterschiedlichen Ansprühdichte in unterschiedlichen Mischerbereichen Rechnung zu tragen. So könnten beispielsweise in Mischerbereichen, in denen viele Tröpfchen des eingesprühten Fluids auftreffen, Schaufeln mit einem kleineren Anstellwinkel gegenüber der Mittenachse 28 vorgesehen sein, die einen geringeren Gegendruck bewirken, während in Bereichen, in denen wenig Tröpfchen auftreffen, die Schaufeln einen größeren Anstellwinkel gegenüber der Mittenachse 28 aufweisen, die einen höheren Gegendruck bewirken. Dadurch wird der Massenstrom in Bereichen mit viel Tröpfchen erhöht und in Bereichen mit wenig Tröpfchen erniedrigt. Durch die Ausgestaltung der außenliegenden Gasleitschaufeln 18 kann der Nebenstrom ebenfalls entsprechend so geführt werden, dass ein großer Teil des Nebenstroms in den Bereich mit viel Tröpfchen gelangt, während ein kleinerer Teil in Bereiche mit wenig Tröpfchen gelangt. Eine andere oder weitere Möglichkeit, diesen Effekt zu erreichen, besteht darin, die Schaufeln unterschiedlich zu beschneiden. Die Abdeckung des Querschnitts durch die Schaufeln kann dadurch variiert und damit der Gasstrom entsprechend eingestellt werden. Durch die beschriebenen Maßnahmen Beschneidung der Schaufeln, Variation der Anstellwinkel und/oder dergleichen kann auch der Gegendruck eingestellt werden. Wie bereits erwähnt, zeigt die 14 Gasleitschaufeln 16 des ersten oder Kernbereichs 20 mit unterschiedlichen Anstellwinkeln. Beispielsweise kann die Hälfte der Schaufeln des Kernbereichs 20 einen relativ größeren Anstellwinkel und die andere Hälfte einen relativ kleineren Anstellwinkel aufweisen.
Durch die Verwendung und spezielle Anordnung der außenliegenden Gasleitschaufeln 18 kann der Querschnitt der Mischereinrichtung 10 gegenüber herkömmlichen Mischern vergrößert und dadurch der Gegendruck abgesenkt werden.
Bezugszeichenliste

10: Mischereinrichtung
12: Gasstrom
14: zu verteilendes und zu verdampfendes Fluid
16: innere Gasleitschaufel
18: äußere Gasleitschaufel
20: erster Bereich, Kernbereich
22: zweiter Bereich, Außenbereich
24: Auslassbereich
26: Eintrittsbereich
28: Mittenachse
30: Nachlaufstrecke
32: Injektor
34: Katalysator
36: weiterer Katalysator
38: doppelseitig exzentrische Gasführung
40: einseitig exzentrische Gasführung
42: Sprayschutzelement
44: Ringgeometrie
46: Spraykegelquerschnitt
48: Gasführungsrohr
H: Hauptströmungsrichtung des Gasstroms
α_i: Anstellwinkel

Claims

Mischereinrichtung (10) zum Durchmischen eines Gasstroms, insbesondere zum Verteilen und Verdampfen eines in einen Gasstrom (12), insbesondere in einen Abgasstrom, eingebrachten Fluids (14), mit Gasleitschaufeln (16), durch die der Gasstrom (12) in wenigstens einem ersten Bereich (20) durchmischt, insbesondere mit einem Drall beaufschlagt wird, und Gasleitschaufeln (18), durch die Gas aus einem in einer Richtung senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (12) neben dem ersten Bereich (20) angeordneten zweiten Bereich (22) in den ersten Bereich (20) gelenkt wird.
Mischereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas aus dem zweiten Bereich (22) in den ersten Bereich (20) lenkenden Gasleitschaufeln (18) so angeordnet und ausgebildet sind, dass das Gas aus dem zweiten Bereich (22) zumindest teilweise im Auslassbereich (24) der Mischereinrichtung (10) und/oder in Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (12) hinter der Mischereinrichtung (10) in den ersten Bereich (20) gelenkt wird.
Mischereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (22) in radialer Richtung der Mischereinrichtung (10) innerhalb des zweiten Bereichs (22) angeordnet ist.
Mischereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Bereich (22) den ersten Bereich (20) zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung umgibt.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang des ersten Bereichs (20) eine zumindest im Wesentlichen kreisförmige Geometrie aufweist.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang des ersten Bereichs (20) eine nicht kreisförmige Geometrie aufweist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang des ersten Bereichs (20) zumindest im Wesentlichen dem Spraykegelquerschnitt (46) des eingesprühten zu verteilenden und zu verdampfenden Fluids (14) im Eintrittsbereich (26) der Mischereinrichtung (10) entspricht.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang des zweiten Bereichs (22) eine nicht kreisförmige, insbesondere ovale, Geometrie aufweist.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang des zweiten Bereichs (22) eine zumindest im Wesentlichen kreisförmige Geometrie aufweist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (20) konzentrisch zur Mittenachse (28) der Mischereinrichtung (10) bzw. des zweiten Bereichs (22) angeordnet ist.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Bereich (20) exzentrisch zur Mittenachse (28) der Mischereinrichtung (10) bzw. des zweiten Bereichs (22) angeordnet ist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (16, 18) so angeordnet und ausgebildet sind, dass im zweiten Bereich (22) ein zum im ersten Bereich (20) erzeugten Drall gleichsinniger Drall erzeugt wird.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (16, 18) so angeordnet und ausgebildet sind, dass im zweiten Bereich (22) ein zum im ersten Bereich (20) erzeugten Drall gegensinniger Drall erzeugt wird.
Mischereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (18) so angeordnet und ausgebildet sind, dass im zweiten Bereich (22) zumindest im Wesentlichen kein Drall erzeugt wird.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (18) im zweiten Bereich (22) zumindest teilweise perforiert, geschlitzt und/oder mit Aussparungen versehen sind.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (18, 16) im zweiten Bereich (22) und im ersten Bereich (20) in Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (12) zumindest teilweise eine unterschiedliche Länge besitzen.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (18) im zweiten Bereich (22) in Hauptströmungsrichtung (H) gesehen bis hinter die Gasleitschaufeln (16) im ersten Bereich (20) reichen.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (16) im ersten Bereich (20) einen in radialer Richtung variablen Anstellwinkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (12) aufweisen.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (18) im zweiten Bereich (22) einen in radialer Richtung variablen Anstellwinkel gegenüber der Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (12) aufweisen.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (16) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie sich im ersten Bereich (20) in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (12) überlappen, so dass in dem ersten Bereich (20) keine geradlinige Durchströmung der Mischereinrichtung möglich ist.
Mischereinrichtung nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasleitschaufeln (18) derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie sich im zweiten Bereich (22) in einer Richtung senkrecht zur Hauptströmungsrichtung (H) des Gasstroms (12) zumindest abschnittsweise nicht überlappen.
Abgasanlage mit einer Mischereinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Abgasanlage nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischereinrichtung (10) zwischen einem ersten Katalysator (34) und einem zweiten Katalysator (36) angeordnet ist.
Abgasanlage nach Anspruch 22, oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid schräg in Bezug auf die Mittenachse (28) der Mischereinrichtung (10) eingedüst wird.
Abgasanlage nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid unter einem Winkel von weniger als 10° zur Mittenachse (28) eingedüst wird.