DE102018003094A1 - Mixture of a main fluid flow and an admixing fluid - Google Patents

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Roland Matzgeller
Timo Metzler
Alexander Breuer
Alexander Rauschmeier
Birk Ecke
Stefan Reiter
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mischer zum statischen Mischen eines Hauptfluidstroms (1) und eines Zumischfluids (2), mit einem Strömungskanal (10) zum Führen des Hauptfluidstroms und einer Zuführung (30-33) mit im Strömungskanal angeordneten Austrittsöffnungen (20) zum Zuführen des Zumischfluids, wobei wenigstens zwei der Austrittsöffnungen in einer ersten Verteilungsrichtung (x) quer zur Strömungskanalachse (A) und wenigstens 10 der Austrittsöffnungen in einer zweiten Verteilungsrichtung quer zur Strömungskanalachse (A) voneinander beabstandet sind.The present invention relates to a mixer for static mixing of a main fluid flow (1) and an admixing fluid (2), comprising a flow channel (10) for guiding the main fluid flow and a supply (30-33) with outlet openings (20) arranged in the flow channel for delivering the flow passage Zumischfluids, wherein at least two of the outlet openings in a first distribution direction (x) transversely to the flow channel axis (A) and at least 10 of the outlet openings in a second distribution direction transversely to the flow channel axis (A) are spaced from each other.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mischer und ein Verfahren zum statischen Mischen eines Hauptfluidstroms und eines Zumischfluids.The present invention relates to a mixer and a method for static mixing of a main fluid stream and an admixing fluid.

Eine Aufgabe einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es, ein Mischen eines Hauptfluidstroms und eines Zumischfluids zu verbessern.An object of one embodiment of the present invention is to improve mixing of a main fluid stream and an admixing fluid.

Diese Aufgabe wird durch einen Mischer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is achieved by a mixer with the features of claim 1 and a method having the features of claim 6. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird zum statischen Mischen eines Hauptfluidstroms und eines Zumischfluids mithilfe eines Mischers, welcher

  • - einen Strömungskanal, der den Hauptfluidstrom führt bzw. hierzu eingerichtet ist bzw. verwendet wird, und
  • - eine ein- oder mehrteilige Zuführung mit im Strömungskanal angeordneten Austrittsöffnungen, durch die das Zumischfluid zugeführt wird bzw. die hierzu eingerichtet sind bzw. verwendet werden,
aufweist, das Zumischfluid dem Hauptfluidstrom über die Austrittsöffnungen zugeführt, wobei wenigstens drei, dieser Austrittsöffnungen in einer ersten Verteilungsrichtung quer zur Strömungskanalachse und wenigstens 10, insbesondere wenigstens 15, in einer Ausführung wenigstens 16, der Austrittsöffnungen in einer zweiten Verteilungsrichtung um eine Strömungskanalachse voneinander beabstandet (angeordnet) sind, bzw. ist bzw. wird dieser Mischer hierzu bzw. entsprechend eingerichtet bzw. verwendet.According to one embodiment of the present invention, for static mixing of a main fluid stream and a mixing fluid by means of a mixer, which
  • a flow channel which guides or is used for the main fluid flow, and
  • a one-part or multi-part feed with outlet openings arranged in the flow channel, through which the admixing fluid is supplied or which are or are set up for this purpose,
has, the admixing fluid supplied to the main fluid flow through the outlet openings, wherein at least three, these outlet openings in a first distribution direction transverse to the flow channel axis and at least 10 , in particular at least 15 , in one execution at least 16 , The outlet openings in a second distribution direction about a flow channel axis spaced from each other (are arranged), or is this or this set up or used respectively.

Durch diese signifikante Anzahl von in wenigstens zwei (Verteilungs)Richtungen verteilt im Strömungskanal angeordneten Austrittsöffnungen kann in einer Ausführung im Vergleich zu wenigen Austrittsöffnungen vorteilhaft eine quasikontinuierliche Zuströmungsverteilung und dadurch eine homogen(er)e Durchmischung realisiert werden.By means of this significant number of outlet openings arranged distributed in at least two (distribution) directions in the flow channel, a quasi-continuous inflow distribution and thereby a homogeneous mixing can advantageously be realized in one embodiment in comparison to a few outlet openings.

Unter einem statischen Mischen wird vorliegend insbesondere ein antriebs- bzw. aktuatorloses Mischen bzw. ein Mischen ohne Antrieb beweglicher Mischerkomponenten zum Mischen verstanden. Entsprechend sind in einer Ausführung die Austrittsöffnungen ortsfest bzw. stationär zu dem Strömungskanal, insbesondere dessen Innenwandung. Hierdurch kann in einer Ausführung der apparative und/oder steuerungstechnische Aufwand reduziert werden.In the present case, static mixing is understood in particular to mean a drive-free or actuatorless mixing or mixing without drive of movable mixer components for mixing. Accordingly, in one embodiment, the outlet openings are stationary or stationary to the flow channel, in particular its inner wall. As a result, in one embodiment, the apparatus and / or control technology effort can be reduced.

Hauptfluidstrom und Zumischfluid können in einer Ausführung das gleiche Fluid, insbesondere Luft, mit unterschiedlichen thermodynamischen Zustandsgrößen, insbesondere (maximalen, minimalen und/oder gemittelten) Temperaturen und/oder Drücken, aufweisen, insbesondere hieraus bestehen. Hierdurch kann in einer Ausführung der Hauptfluidstrom in einfacher, verlustarmer und/oder zuverlässiger Weise temperiert werden.In one embodiment, the main fluid flow and the admixing fluid can have, in particular consist of the same fluid, in particular air, with different thermodynamic state variables, in particular (maximum, minimum and / or average) temperatures and / or pressures. As a result, in one embodiment, the main fluid flow can be tempered in a simple, low-loss and / or reliable manner.

Die zweite Verteilungsrichtung bildet in einer Ausführung mit der ersten Verteilungsrichtung einen Winkel von wenigstens 30° und/oder höchstens 150°, insbesondere wenigstens 45° und/oder höchstens 135°, in einer Ausführung wenigstens 75° und/oder höchstens 115°, in einer Ausführung ist die zweite Verteilungsrichtung senkrecht zur ersten Verteilungsrichtung.In an embodiment with the first distribution direction, the second distribution direction forms an angle of at least 30 ° and / or at most 150 °, in particular at least 45 ° and / or at most 135 °, in one embodiment at least 75 ° and / or at most 115 °, in one embodiment Embodiment is the second distribution direction perpendicular to the first distribution direction.

Zusätzlich oder alternativ liegen in einer Ausführung wenigstens zwei der in der ersten und/oder zweiten Verteilungsrichtung voneinander beabstandeten Austrittsöffnungen, wenigstens im Wesentlichen, auf derselben (axialen) Höhe der Strömungskanalachse.Additionally or alternatively, in one embodiment at least two of the spaced apart in the first and / or second distribution direction outlet openings, at least substantially, at the same (axial) height of the flow channel axis.

Zusätzlich oder alternativ sind in einer Ausführung wenigstens zwei benachbarte der in der ersten und/oder zweiten Verteilungsrichtung voneinander beabstandeten Austrittsöffnungen axial bzw. in Richtung der Strömungskanalachse voneinander beabstandet.Additionally or alternatively, in one embodiment, at least two adjacent ones of the outlet openings spaced from each other in the first and / or second distribution direction are axially spaced apart from one another or in the direction of the flow channel axis.

In einer Ausführung sind wenigstens zwei benachbarte der Austrittsöffnungen axial bzw. in Richtung der Strömungskanalachse und/oder in der ersten und/oder zweiten Verteilungsrichtung voneinander um wenigstens oder höchstens das Doppelte, insbesondere Vierfache, in einer Ausführung Zehnfache, ihres Querschnitts voneinander beabstandet.In one embodiment, at least two adjacent ones of the outlet openings are axially spaced apart from one another in the direction of the flow channel axis and / or in the first and / or second distribution direction by at least or at most twice, in particular four times, in an embodiment ten times their cross section.

In einer Ausführung weist die Zuführung an wenigstens 10, insbesondere an wenigstens 15, in einer Ausführung an wenigstens 16, voneinander beabstandeten Positionen in der zweiten Verteilungsrichtung jeweils wenigstens zwei, insbesondere wenigstens drei, in der ersten Verteilungsrichtung voneinander beabstandete Austrittsöffnungen auf. In one embodiment, the supply to at least 10 , in particular at least 15 , in one embodiment, at least 16 at least two, in particular at least three, spaced apart in the first distribution direction outlet openings on, spaced-apart positions in the second distribution direction.

Hierdurch kann in einer Ausführung jeweils einzeln, insbesondere aber in Kombination von zwei oder mehr dieser Merkmale, eine besonders vorteilhafte Mischung von Hauptfluidstrom und Zumischfluid realisiert werden.As a result, in one embodiment in each case individually, but in particular in combination of two or more of these features, a particularly advantageous mixture of main fluid flow and admixing fluid can be realized.

Ein A(xiala)bschnitt des Strömungskanals, der nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit auch als Zone bezeichnet wird, erstreckt sich in einer Ausführung von der Zuführung bzw. deren stromab- oder -aufwärtigsten Austrittsöffnung an axial bzw. in Richtung der Strömungskanalachse stromab- oder -aufwärts um wenigstens des Dreifache, insbesondere um das Fünffache, eines geometrischen Durchmessers des Strömungskanals, gemessen vor, insbesondere unmittelbar vor bzw. stromaufwärts an, der Zuführung. Weist der Strömungskanal beispielsweise unmittelbar vor bzw. stromaufwärts an der Zuführung einen quadratischen Querschnitt der Kantenlänge a auf, beträgt dessen geometrischer Durchmesser D = 2a/√π ((D/2)2π = (a/√π)2π = a2). Gleichermaßen kann der geometrische Durchmesser im Sinne der vorliegenden Erfindung in einer Ausführung der maximalen, minimalen oder mittleren Weite des Strömungskanals entsprechen.An A (xiala) section of the flow channel, which is also referred to below as a zone without loss of generality, extends in one embodiment from the supply or its downstream or upstream outlet opening at the axial or in the direction of the flow channel axis downstream or upwards at least three times, in particular five times, a geometric diameter of the flow channel, measured before, in particular immediately before or upstream of, the supply. The flow channel includes, for example, immediately before or upstream of the feed has a square cross-section of the edge length a, is the geometric diameter D = 2a / √π ((D / 2) 2 π = (a / √π) 2 π = a 2 ). Likewise, in one embodiment, the geometric diameter in the sense of the present invention may correspond to the maximum, minimum or average width of the flow channel.

Mit anderen Worten gilt für die (axiale) Länge L der Zone L/D ≥ 3, insbesondere L/D = 5 mit dem geometrischen Durchmesser D.In other words, the (axial) length applies L the zone L / D ≥ 3, in particular L / D = 5 with the geometric diameter D ,

In einer Ausführung werden Hauptfluidstrom und Zumischfluid frei bzw. nicht erzwungen gemischt bzw. ist bzw. wird der Mischer hierzu bzw. entsprechend eingerichtet bzw. verwendet. Dabei ist - im Gegensatz zur sogenannten erzwungenen Mischung - wenigstens ein, insbesondere zur Strömungskanalachse konzentrischer, Innenabschnitt des Strömungskanals in einer, insbesondere der vorstehend definierten, an die Zuführung stromab- oder -aufwärts anschließenden Zone, deren Länge wenigstens des Dreifache, insbesondere das Fünffache, eines geometrischen Durchmessers des Strömungskanals vor der Zuführung beträgt, drallerzeugungseinbautenfrei.In one embodiment, the main fluid flow and the admixing fluid are mixed freely or not forcedly or the mixer is or is respectively set up or used for this purpose. In contrast to the so-called forced mixing, at least one, in particular concentric to the flow channel axis, inner portion of the flow channel in one, in particular the above-defined, downstream of the supply or upstream zone whose length is at least three times, in particular five times, a geometric diameter of the flow channel before the supply is, swirl-generating installation free.

In einer Ausführung ist bzw. sind wenigstens eine, insbesondere mehrere, in einer Ausführung wenigstens die Mehrzahl, der Austrittsöffnungen der Zuführung auf einer hauptfluidstromaufwärtigen Seite der Zuführung angeordnet, insbesondere kann somit das Zumischfluid dem Hauptfluidstrom wenigstens überwiegend im Gegenstrom zugemischt werden bzw. der Mischer hierzu eingerichtet sein. Hierdurch kann in einer Ausführung auf einem kurzen Abschnitt der Strömungskanalachse eine besonders starke Durchmischung realisiert werden.In one embodiment, at least one, in particular a plurality, in one embodiment, at least the majority of the feed outlets are arranged on a main fluid upstream side of the feed, in particular thus the admixing fluid can be admixed to the main fluid flow at least predominantly in countercurrent or the mixer for this purpose be furnished. As a result, in a design on a short section of the flow channel axis a particularly strong mixing can be realized.

In einer Ausführung ist bzw. sind wenigstens eine, insbesondere mehrere, in einer Ausführung wenigstens die Mehrzahl, der Austrittsöffnungen der Zuführung auf einer hauptfluidstromabwärtigen Seite der Zuführung angeordnet, insbesondere kann somit das Zumischfluid dem Hauptfluidstrom wenigstens überwiegend im Gleichstrom zugemischt werden bzw. der Mischer hierzu eingerichtet sein. Hierdurch kann in einer Ausführung ein Druckverlust und/oder ein erforderlicher Überdruck in der Zuführung reduziert werden.In one embodiment, at least one, in particular a plurality, in one embodiment, at least the plurality of outlet openings of the feed are arranged on a main fluid downstream side of the feed, in particular thus the admixing fluid can be admixed to the main fluid flow at least predominantly in cocurrent or the mixer for this purpose be furnished. As a result, in one embodiment, a pressure loss and / or a required overpressure in the feed can be reduced.

In einer Ausführung weist die Zuführung wenigstens eine im Strömungskanal angeordnete Kalotte auf, an der wenigstens eine, insbesondere mehrere, in einer Ausführung wenigstens die Mehrzahl, der Austrittsöffnungen der Zuführung angeordnet ist bzw. sind. Hierdurch kann in einer Ausführung ein Druckverlust durch die Zuführung reduziert werden.In one embodiment, the feed has at least one dome arranged in the flow channel, on which at least one, in particular a plurality, in one embodiment, at least the majority of the outlet openings of the feed is or are arranged. As a result, in one embodiment, a pressure loss can be reduced by the feed.

In einer Ausführung weist die Zuführung zwei oder mehr im Strömungskanal angeordnete, in einer Ausführung über dessen Innenumfang, insbesondere gleichmäßig bzw. äquidistant, verteilte, Einblassonden auf, an denen wenigstens eine, insbesondere mehrere, in einer Ausführung wenigstens die Mehrzahl, der Austrittsöffnungen der Zuführung angeordnet ist bzw. sind. Hierdurch kann in einer Ausführung eine besonders starke Durchmischung realisiert werden.In one embodiment, the feed has two or more arranged in the flow channel, in a design on the inner circumference, in particular uniformly or equidistantly distributed, Einblassonden on which at least one, in particular more, in one embodiment at least the majority, the outlet openings of the feed is arranged or are. As a result, in one embodiment, a particularly strong mixing can be realized.

In einer Ausführung weist die Zuführung wenigstens einen im Strömungskanal angeordneten Ringkanal, insbesondere mehrere, vorzugsweise konzentrische, in einer Ausführung axial bzw. in Richtung der Strömungskanalachse voneinander, in einer Ausführung um wenigstens eine axiale Ringkanalbreite, beabstandete oder einander axial überlappende Ringkanäle, auf, an dem bzw. denen wenigstens eine, insbesondere mehrere, in einer Ausführung wenigstens die Mehrzahl, der Austrittsöffnungen der Zuführung angeordnet ist bzw. sind. Hierdurch kann in einer Ausführung ein Druckverlust durch die Zuführung reduziert und zugleich eine homogene(re) Durchmischung realisiert werden.In one embodiment, the feed has at least one annular channel arranged in the flow channel, in particular a plurality of, preferably concentric, in one embodiment axially or in the direction of the flow channel axis, in one embodiment around at least one axial ring channel width, spaced or axially overlapping ring channels or at least one, in particular a plurality, in one embodiment at least the plurality, the outlet openings of the feed is or are arranged. In this way, in one embodiment, a pressure loss can be reduced by the supply and at the same time a homogeneous (re) mixing can be realized.

Eine Innenwandung des Strömungskanals kann in einer Ausführung in einer, insbesondere der vorstehend definierten, an die Zuführung stromab- oder -aufwärts anschließenden Zone, deren Länge wenigstens des Dreifache, insbesondere das Fünffache, eines geometrischen Durchmessers des Strömungskanals vor der Zuführung beträgt, konvergieren, divergieren oder parallel zur Strömungskanalachse (ausgebildet) sein. Durch eine(n) divergierende(n) Strömungskanal(zone) kann in einer Ausführung ein Druckverlust reduziert, durch eine(n) konvergierende(n) Strömungskanal(zone) in einer Ausführung eine Durchmischung verbessert und durch eine(n) Strömungskanal(zone) mit konstantem Querschnitt in einer Ausführung die Einstellung eines Temperaturgradienten verbessert werden.An inner wall of the flow channel, in one embodiment, may converge, diverge, in one of the regions defined upstream, upstream of the feed zone, whose length is at least three times, in particular five times, a geometric diameter of the flow channel prior to feeding or parallel to the flow channel axis (formed). In one embodiment, a divergent flow channel (zone) may reduce pressure loss, improve mixing in one embodiment through a converging flow channel (s), and may flow through a flow channel (s). With a constant cross-section in one embodiment, the setting of a temperature gradient can be improved.

In einer Ausführung ist an wenigstens einer, insbesondere mehreren, in einer Ausführung wenigstens der Mehrzahl, der Austrittsöffnungen der Zuführung das Verhältnis (pi/pa) eines Innendrucks pi in der Zuführung zu einem Außendruck pa an einer Ausströmöffnung kleiner als [2/(γ+1)][γ/(γ-1)]: ( p i / p a ) < [ 2 / ( γ+1 ) ] [ γ/ ( γ−1 ) ]

Figure DE102018003094A1_0001
bzw. ist bzw. wird der Mischer hierzu bzw. entsprechend eingerichtet bzw. verwendet. Dabei bezeichnet in fachüblicher Weise y den Isentropenexponenten des Hauptfluidstroms und/oder Zumischfluids.In one embodiment, the ratio (p i / p a ) of an internal pressure is at least one, in particular more, in an embodiment of at least the majority, the outlet openings of the feed p i in the feeder to an external pressure p a at an outflow opening smaller than [2 / (γ + 1)] [γ / (γ-1)] : ( p i / p a ) < [ 2 / ( γ + 1 ) ] [ γ / ( γ-1 ) ]
Figure DE102018003094A1_0001
or is the mixer for this purpose or set up or used accordingly. This designates in the usual way y the isentropic exponent of the main fluid stream and / or admixing fluid.

Es hat sich überraschend herausgestellt, dass hierdurch eine besonders vorteilhafte Durchmischung realisiert werden kann.It has surprisingly been found that in this way a particularly advantageous mixing can be realized.

Zusätzlich oder alternativ ist in einer Ausführung das Verhältnis des Hauptfluidstroms zum zugeführten Massenstrom des Zumischfluids größer als 1. Zusätzlich oder alternativ beträgt in einer Ausführung das Verhältnis der Geschwindigkeit des Zumischfluids zu der Geschwindigkeit des Hauptfluidstroms an wenigstens einer, insbesondere mehreren, in einer Ausführung wenigstens der Mehrzahl, der Austrittsöffnungen der Zuführung und/oder in der vorstehend definierten Zone wenigstens 5, und/oder höchstens 40, insbesondere höchstens 30. Zusätzlich oder alternativ beträgt in einer Ausführung die Geschwindigkeit des Zumischfluids an wenigstens einer, insbesondere mehreren, in einer Ausführung wenigstens der Mehrzahl, der Austrittsöffnungen der Zuführung wenigstens 100 m/s und/oder höchstens 600 m/s. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass hierdurch jeweils, insbesondere in Kombination, eine besonders vorteilhafte Durchmischung realisiert werden kann.Additionally or alternatively, in one embodiment, the ratio of the main fluid flow to the delivered mass flow of the admixing fluid is greater than 1. Additionally or alternatively, in one embodiment, the ratio of the velocity of the admixing fluid to the velocity of the main fluid flow to at least one, more preferably at least one A plurality, the outlet openings of the feed and / or in the zone defined above at least 5, and / or at most 40 , in particular at most 30 , Additionally or alternatively, in one embodiment, the speed of the admixing fluid to at least one, in particular more, in one embodiment at least the majority, the outlet openings of the feed at least 100 m / s and / or at most 600 m / s. It has surprisingly been found that in this way in each case, in particular in combination, a particularly advantageous mixing can be realized.

In einer Ausführung beträgt in einem (axialen) Abstand stromabwärts hinter oder stromaufwärts vor der Zuführung, der wenigstens des Dreifache und/oder höchstens das Siebenfache eines geometrischen Durchmessers des Strömungskanals vor der Zuführung, insbesondere unmittelbar vor bzw. stromaufwärts an, der Zuführung beträgt, insbesondere das Fünffache des geometrischen Durchmessers beträgt, das Verhältnis bzw. der Quotient (Δp/pm) einer Druckabweichung Δp von einem gemittelten, insbesondere statischen, Druck pm zu dem bzw. dividiert durch den gemittelten Druck höchstens 0,2 Prozent, insbesondere höchstens 0,1 Prozent, und/oder das Verhältnis bzw. der Quotient (ΔT/Tm) einer Temperaturabweichung ΔT von einer gemittelten Temperatur Tm zu der bzw. dividiert durch die gemittelte(n) Temperatur höchstens 1 Prozent, insbesondere höchstens 0,5 Prozent, und/oder das Verhältnis bzw. der Quotient (vU/va) einer Geschwindigkeit in Umfangsrichtung um die Strömungskanalachse („Umfangsgeschwindigkeit“) vU zu einer bzw. dividiert durch eine Axialgeschwindigkeit in Richtung der Strömungskanalachse va höchstens 2 Prozent, insbesondere höchstens 1 Prozent: ( Δ p / p m ) ( L/D = 5 ) < 0,002,  insbesondere  ( Δ p / p m ) ( L/D=5 ) < 0,001 ;  und/oder

Figure DE102018003094A1_0002
( Δ T / T m ) ( L/D = 5 ) < 0,002,  insbesondere  ( Δ T / T m ) ( L/D=5 ) < 0,005 ;  
Figure DE102018003094A1_0003
und/oder ( v U / v a ) ( L/D = 5 ) < 0,02,  insbesondere  ( v U / v a ) ( L/D = 5 ) < 0,01.
Figure DE102018003094A1_0004
In one embodiment, at an upstream or downstream upstream of the feed, which is at least three times and / or at most seven times a geometric diameter of the flow channel prior to feeding, in particular immediately upstream or upstream, the feed is, in particular is the fivefold of the geometric diameter, the ratio or the quotient (Δp / p m ) of a pressure deviation Δp from an averaged, in particular static, pressure p m or divided by the averaged pressure of at most 0.2 percent, in particular at most 0 , 1 percent, and / or the ratio or quotient (ΔT / T m ) of a temperature deviation .DELTA.T from an average temperature T m to or divided by the average temperature not more than 1 percent, in particular at most 0.5 percent , and / or the ratio or quotient (v U / v a ) of a velocity in the circumferential direction about the flow channel Axis ("peripheral speed") v U to one or divided by an axial velocity in the direction of the flow channel axis v a at most 2 percent, in particular at most 1 percent: ( Δ p / p m ) ( L / D = 5 ) < 0,002, especially ( Δ p / p m ) ( L / D = 5 ) < 0.001 ; and or
Figure DE102018003094A1_0002
( Δ T / T m ) ( L / D = 5 ) < 0,002, especially ( Δ T / T m ) ( L / D = 5 ) < 0.005 ;
Figure DE102018003094A1_0003
and or ( v U / v a ) ( L / D = 5 ) < 0.02, especially ( v U / v a ) ( L / D = 5 ) < 0.01.
Figure DE102018003094A1_0004

Es hat sich überraschend herausgestellt, dass hierdurch jeweils, insbesondere in Kombination von zwei oder mehr dieser Merkmale, eine besonders vorteilhafte Durchmischung realisiert werden kann. It has surprisingly been found that in each case, in particular in combination of two or more of these features, a particularly advantageous mixing can be realized.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren bzw. ein erfindungsgemäßer Mischer wird mit besonderem Vorteil beim Betrieb und/oder Test von Gasturbinen-, insbesondere Flugtriebwerkkomponenten, eingesetzt. Dabei können in einer Ausführung durch eine Temperierung von Ansaugluft mithilfe der Zumischung entsprechend temperierter Luft zu dem Hauptfluidstrom Aero- bzw. Performance-Messungen bei unterschiedlichen Spalten in der Komponente einfach und/oder rasch, insbesondere ohne lange Einlaufprozeduren, durchgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ können in einer Ausführung trotz variabler bzw. auch bei variablen Umgebungstemperaturen Kennfeldmessungen bei konstanter Eintrittstemperatur durchgeführt werden. Außerdem kann eine harmonisierte Temperaturverteilung bzw. bessere Durchmischung von Hauptfluidstrom und Zumischfluid beim Betrieb bzw. Test von Gasturbinen-, insbesondere Flugtriebwerkkomponenten, in einer Ausführung eine Leitgittereinstellung verbessern.A method according to the invention or a mixer according to the invention is used with particular advantage in the operation and / or testing of gas turbine components, in particular aircraft engine components. In one embodiment, by a temperature control of intake air by means of admixing appropriately tempered air to the main fluid flow, aero- or performance measurements at different gaps in the component can be carried out simply and / or rapidly, in particular without long intake procedures. Additionally or alternatively, in one embodiment, despite variable or even at variable ambient temperatures map measurements can be performed at a constant inlet temperature. In addition, a harmonized temperature distribution or better mixing of the main fluid flow and admixing fluid in the operation or test of gas turbine engine components, in particular aircraft engine components, in one embodiment can improve a guide screen adjustment.

Entsprechend wird in einer Ausführung mit dem Hauptfluidstrom und dem diesem zugemischten Zumischfluid eine Komponente einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, beaufschlagt bzw. ist bzw. wird dieser Mischer hierzu bzw. entsprechend eingerichtet bzw. verwendet.Accordingly, in one embodiment, a component of a gas turbine, in particular of an aircraft engine, is acted upon by the main fluid flow and the admixing fluid admixed therewith or, respectively, this mixer is or is set up or used accordingly.

In einer Ausführung wird ein das Ausströmen des Zumischfluids durch die Ausströmöffnungen in den Strömungskanal bzw. Hauptfluidstrom treibender Innendruck in der Zuführung durch eine mit Druck beaufschlagte Speisung des zuzumischenden Zumischfluidstroms, insbesondere über eine ein- oder mehrkanalige Zuleitung zu der Zuführung, in einer Ausführung mithilfe einer Druckbeaufschlagung des zuzumischenden Zumischfluids und/oder eines Druckreservoirs mit zuzumischenden Zumischfluid, bewirkt bzw. ist bzw. wird der Mischer hierzu bzw. entsprechend eingerichtet bzw. verwendet.In one embodiment, the internal pressure in the feed, which drives the outflow of the admixing fluid through the outflow openings into the flow channel or main fluid flow, is supplied by a pressurized feed of the admixing fluid flow to be admixed, in particular via a single- or multi-channel feed line to the feed line Pressurization of the admixing fluid to be admixed and / or of a pressure reservoir to be admixed with admixing fluid causes or is or is the mixer established or used for this purpose or respectively.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungen. Hierzu zeigt, teilweise schematisiert:

  • 1 einen Mischer nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 2 einen Mischer nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
  • 3,5 einen Mischer nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung; und
  • 4 einen Mischer nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Further advantageous developments of the present invention will become apparent from the dependent claims and the following description of preferred embodiments. This shows, partially schematized:
  • 1 a mixer according to an embodiment of the present invention;
  • 2 a mixer according to another embodiment of the present invention;
  • 3 . 5 a mixer according to another embodiment of the present invention; and
  • 4 a mixer according to another embodiment of the present invention.

1 zeigt in einem Meridianschnitt längs einer Strömungskanalachse A einen Mischer nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung beim statischen Mischen eines Hauptfluidstroms 1 mit einem Außendruck pa und eines Zumischfluids 2, das durch eine Druckbeaufschlagung mit einem Innendruck pi in eine(r) Zuführung gespeist wird, die hierzu mit einer Zuleitung 4 kommuniziert. 1 shows in a meridian section along a flow channel axis A a mixer according to an embodiment of the present invention in the static mixing of a main fluid stream 1 with an external pressure p a and a mixing fluid 2 by pressurizing with an internal pressure p i is fed into a (r) feed, the purpose of this with a supply line 4 communicated.

Der Mischer weist einen Strömungskanal 10 zum Führen des Hauptfluidstroms 1 auf, die Zuführung eine im Strömungskanal 10 angeordneten Kalotte 30 mit Austrittsöffnungen 20 zum Zuführen des Zumischfluids 2 zu dem Hauptfluidstrom 1.The mixer has a flow channel 10 for guiding the main fluid flow 1 on, the feeder one in the flow channel 10 arranged dome 30 with outlet openings 20 for supplying the admixing fluid 2 to the main fluid stream 1 ,

Die Austrittsöffnungen 20 sind, wie in 1 schematisiert angedeutet, auf wenigstens drei konzentrischen Kreisen auf der Kalotte 30 angeordnet, wobei die Austrittsöffnungen 20 auf dem jeweiligen Kreis über dessen Umfang äquidistant so verteilt sind, dass wenigstens drei der Austrittsöffnungen 20 in einer in den Figuren vertikalen ersten Verteilungsrichtung x (vgl. 3) quer zur in den Figuren horizontalen Strömungskanalachse A und wenigstens 16 der Austrittsöffnungen 20 in einer zur Zeichenebene der Figuren senkrechten zweiten Verteilungsrichtung quer zur Strömungskanalachse voneinander beabstandet sind.The outlet openings 20 are, as in 1 schematized indicated on at least three concentric circles on the calotte 30 arranged, with the outlet openings 20 are equidistantly distributed on the respective circle over its circumference so that at least three of the outlet openings 20 in a vertical distribution direction in the figures x (see. 3 ) transverse to the horizontal flow channel axis in the figures A and at least 16 the outlet openings 20 are spaced apart in a direction perpendicular to the plane of the figures, the second distribution direction transverse to the flow channel axis.

Der Strömungskanal 10 ist in einer an die Zuführung stromabwärts anschließenden Zone M, deren axiale Länge L das Fünffache eines geometrischen Durchmessers D des Strömungskanals 10 vor der Zuführung beträgt, drallerzeugungseinbautenfrei.The flow channel 10 is in a zone adjoining the supply downstream M whose axial length L five times a geometric diameter D of the flow channel 10 before feeding amounts, swirl production installation free.

Die Austrittsöffnungen 20 sind auf einer hauptfluidstromaufwärtigen Seite der Kalotte 30 angeordnet.The outlet openings 20 are on a main fluid upstream side of the dome 30 arranged.

Mit dem gemischten Hauptfluidstrom 1 und dem diesem zugemischten bzw. -führten Zumischfluid 2 wird zu Testzwecken eine Komponente 100 einer Flugtriebwerk-Gasturbine beaufschlagt.With the mixed main fluid stream 1 and the admixed or admixed admixed fluid 2 becomes a component for testing purposes 100 an aircraft engine gas turbine applied.

2 zeigt in 1 entsprechender Weise einen Mischer nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung beim statischen Mischen zum bzw. beim Beaufschlagen einer Komponente 100 einer Flugtriebwerk-Gasturbine mit einem Hauptfluidstrom 1 und einem diesem zugemischten bzw. -führten Zumischfluid 2. Einander entsprechende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf Unterschiede eingegangen wird. 2 shows in 1 Accordingly, a mixer according to a further embodiment of the present invention in the static mixing or during the application of a component 100 an aircraft engine gas turbine with a main fluid flow 1 and an admixed or admixed admixed fluid 2 , Corresponding features are designated by identical reference numerals, so that reference is made to the above description and will be discussed below only differences.

In der Ausführung der 2 weist die Zuführung anstelle der Kalotte 30 mehrere axial beabstandete Ringkanäle 31 auf, auf deren hauptfluidstromaufwärtiger Seite (links in den Figuren) die Austrittsöffnungen 20 so angeordnet sind, dass wenigstens drei der Austrittsöffnungen 20 in der in den Figuren vertikalen ersten Verteilungsrichtung x (vgl. 3) quer zur in den Figuren horizontalen Strömungskanalachse und wenigstens 16 der Austrittsöffnungen 20 in einer zur Zeichenebene der Figuren senkrechten zweiten Verteilungsrichtung quer zur Strömungskanalachse voneinander beabstandet sind.In the execution of 2 indicates the feeder instead of the dome 30 a plurality of axially spaced annular channels 31 on, on the main fluid upstream side (left in the figures), the outlet openings 20 are arranged so that at least three of the outlet openings 20 in the vertical distribution direction x in the figures (cf. 3 ) transversely to the flow channel axis horizontal in the figures and at least 16 the outlet openings 20 are spaced apart in a direction perpendicular to the plane of the figures, the second distribution direction transverse to the flow channel axis.

3, 5 zeigen in 1 entsprechender Weise einen Mischer nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung beim statischen Mischen zum bzw. beim Beaufschlagen einer Komponente 100 einer Flugtriebwerk-Gasturbine mit einem Hauptfluidstrom 1 und einem diesem zugemischten bzw. -führten Zumischfluid 2. Einander entsprechende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf Unterschiede eingegangen wird. 3 . 5 show in 1 Accordingly, a mixer according to a further embodiment of the present invention in the static mixing or during the application of a component 100 an aircraft engine gas turbine with a main fluid flow 1 and an admixed or admixed admixed fluid 2 , Corresponding features are designated by identical reference numerals, so that reference is made to the above description and will be discussed below only differences.

In der Ausführung der 3, 5 weist die Zuführung anstelle der Kalotte 30 bzw. Ringkanäle 31 eine andere Geometrie 32 auf, auf deren hauptfluidstromabwärtiger Seite (rechts in den Figuren) die Austrittsöffnungen 20 so angeordnet sind, dass wenigstens drei der Austrittsöffnungen 20 in der in den Figuren vertikalen ersten Verteilungsrichtung x (vgl. 3) quer zur in den Figuren horizontalen Strömungskanalachse und wenigstens 16 der Austrittsöffnungen 20 in einer zur Zeichenebene der Figuren senkrechten zweiten Verteilungsrichtung quer zur Strömungskanalachse voneinander beabstandet sind.In the execution of 3 . 5 indicates the feeder instead of the dome 30 or ring channels 31 another geometry 32 on, on the Hauptsfluidstromabwärtiger side (right in the figures), the outlet openings 20 are arranged so that at least three of the outlet openings 20 in the vertical distribution direction x in the figures (cf. 3 ) transversely to the flow channel axis horizontal in the figures and at least 16 the outlet openings 20 are spaced apart in a direction perpendicular to the plane of the figures, the second distribution direction transverse to the flow channel axis.

4 zeigt in den anderen Fig. entsprechender Weise einen Mischer nach einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung beim statischen Mischen zum bzw. beim Beaufschlagen einer Komponente 100 einer Flugtriebwerk-Gasturbine mit einem Hauptfluidstrom 1 und einem diesem zugemischten bzw. -führten Zumischfluid 2. Einander entsprechende Merkmale sind durch identische Bezugszeichen bezeichnet, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen und nachfolgend nur auf Unterschiede eingegangen wird. 4 shows in the other Fig. Correspondingly, a mixer according to a further embodiment of the present invention in the static mixing or when applying a component 100 an aircraft engine gas turbine with a main fluid flow 1 and an admixed or admixed admixed fluid 2 , Corresponding features are designated by identical reference numerals, so that reference is made to the above description and will be discussed below only differences.

In der Ausführung der 4 weist die Zuführung mehrere über den Innenumfang des Strömungskanals verteilte Einblassonden 33 auf, auf deren hauptfluidstromauf- und -abwärtiger Seite die Austrittsöffnungen 20 so angeordnet sind, dass wenigstens drei der Austrittsöffnungen 20 in der in den Figuren vertikalen ersten Verteilungsrichtung x (vgl. 3) quer zur in den Figuren horizontalen Strömungskanalachse und wenigstens 16 der Austrittsöffnungen 20 in einer zur Zeichenebene der Figuren senkrechten zweiten Verteilungsrichtung quer zur Strömungskanalachse voneinander beabstandet sind.In the execution of 4 the supply has a plurality of injection probes distributed over the inner circumference of the flow channel 33 on, on their main fluid flow upstream and downstream side, the outlet openings 20 are arranged so that at least three of the outlet openings 20 in the vertical distribution direction in the figures x (see. 3 ) transversely to the flow channel axis horizontal in the figures and at least 16 the outlet openings 20 are spaced apart in a direction perpendicular to the plane of the figures, the second distribution direction transverse to the flow channel axis.

Obwohl in der vorhergehenden Beschreibung exemplarische Ausführungen erläutert wurden, sei darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl von Abwandlungen möglich ist. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass es sich bei den exemplarischen Ausführungen lediglich um Beispiele handelt, die den Schutzbereich, die Anwendungen und den Aufbau in keiner Weise einschränken sollen. Vielmehr wird dem Fachmann durch die vorausgehende Beschreibung ein Leitfaden für die Umsetzung von mindestens einer exemplarischen Ausführung gegeben, wobei diverse Änderungen, insbesondere in Hinblick auf die Funktion und Anordnung der beschriebenen Bestandteile, vorgenommen werden können, ohne den Schutzbereich zu verlassen, wie er sich aus den Ansprüchen und diesen äquivalenten Merkmalskombinationen ergibt.Although exemplary embodiments have been explained in the foregoing description, it should be understood that a variety of modifications are possible. It should also be noted that the exemplary embodiments are merely examples that are not intended to limit the scope, applications and construction in any way. Rather, the expert is given by the preceding description, a guide for the implementation of at least one exemplary embodiment, with various changes, in particular with regard to the function and arrangement of the components described, can be made without departing from the scope, as it turns out according to the claims and these equivalent combinations of features.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
HauptfluidstromMain fluid flow
22
ZumischfluidZumischfluid
44
Zuleitungsupply
1010
Strömungskanalflow channel
2020
Austrittsöffnungoutlet opening
30-3330-33
Zuführungfeed
100100
Flugtriebwerk-Gasturbinen-KomponenteAeroengine gas turbine component
AA
StrömungskanalachseFlow channel axis
DD
geometrischer Durchmessergeometric diameter
LL
axiale Längeaxial length
MM
ZoneZone
pi p i
Innendruckinternal pressure
pa p a
Außendruckexternal pressure

Claims (10)

Mischer zum statischen Mischen eines Hauptfluidstroms (1) und eines Zumischfluids (2), mit einem Strömungskanal (10) zum Führen des Hauptfluidstroms und einer Zuführung (30-33) mit im Strömungskanal angeordneten Austrittsöffnungen (20) zum Zuführen des Zumischfluids, wobei wenigstens drei der Austrittsöffnungen in einer ersten Verteilungsrichtung (x) quer zur Strömungskanalachse (A) und wenigstens 10 der Austrittsöffnungen in einer zweiten Verteilungsrichtung um eine Strömungskanalachse (A) voneinander beabstandet sind.Mixer for static mixing of a main fluid flow (1) and a mixing fluid (2), comprising a flow channel (10) for guiding the main fluid flow and a supply (30-33) with outlet openings (20) arranged in the flow channel for supplying the admixing fluid, at least three the outlet openings in a first distribution direction (x) transversely to the flow channel axis (A) and at least 10 of the outlet openings in a second distribution direction about a flow channel axis (A) are spaced from each other. Mischer nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Innenabschnitt des Strömungskanals in einer an die Zuführung stromab- oder -aufwärts anschließenden Zone (M), deren Länge (L) wenigstens des Dreifache eines geometrischen Durchmessers (D) des Strömungskanals vor der Zuführung beträgt, drallerzeugungseinbautenfrei ist.Mixer according to the preceding claim, characterized in that at least one inner portion of the flow channel in a supply downstream or upstream zone (M) whose length (L) at least three times a geometric diameter (D) of the flow channel before feeding is, swirl production installation is free. Mischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, insbesondere wenigstens die Mehrzahl, der Austrittsöffnungen auf einer hauptfluidstromauf- oder -abwärtigen Seite der Zuführung angeordnet ist.Mixer according to one of the preceding claims, characterized in that at least one, in particular at least the plurality, of the outlet openings is arranged on a main fluid flow upstream or downstream side of the feed. Mischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung wenigstens eine Kalotte (30), wenigstens 16 Einblassonden (33) und/oder wenigstens einen Ringkanal (31) mit wenigstens drei der Austrittsöffnungen (20) aufweist.Mixer according to one of the preceding claims, characterized in that the supply comprises at least one cap (30), at least 16 Einblassonden (33) and / or at least one annular channel (31) with at least three of the outlet openings (20). Mischer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwandung des Strömungskanals in einer an die Zuführung stromab- oder -aufwärts anschließenden Zone (M), deren Länge (L) wenigstens des Dreifache eines geometrischen Durchmessers (D) des Strömungskanals vor der Zuführung beträgt, konvergiert, divergiert oder parallel zur Strömungskanalachse ist.Mixer according to one of the preceding claims, characterized in that an inner wall of the flow channel in a downstream of the supply downstream or upstream zone (M) whose length (L) at least three times a geometric diameter (D) of the flow channel before the supply is, converges, diverges or is parallel to the flow channel axis. Verfahren zum statischen Mischen eines Hauptfluidstroms und eines Zumischfluids mithilfe eines Mischers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zumischfluid (2) dem Hauptfluidstrom (1) über die Austrittsöffnungen (20) zugeführt wird.Method for the static mixing of a main fluid flow and a mixing fluid by means of a mixer according to one of the preceding claims, characterized in that the admixing fluid (2) is supplied to the main fluid flow (1) via the outlet openings (20). Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass an wenigstens einer der Austrittsöffnungen (20) das Verhältnis eines Innendrucks (pi) in der Zuführung zu einem Außendruck (pa) an einer Zuführung (20) kleiner als [2/(γ+1)][γ/(γ-l)] ist.Method according to the preceding claim, characterized in that the ratio of an internal pressure (p i ) in the feed to an external pressure (p a ) at a feed (20) is smaller than [2 / (γ + 1)] [γ / (γ-1)] . Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Hauptfluidstroms (1) zum zugeführten Massenstrom des Zumischfluids (2) größer als 1 ist und/oder das Verhältnis der Geschwindigkeit des Zumischfluids zu der Geschwindigkeit des Hauptfluidstroms an wenigstens einer der Austrittsöffnungen (20) und/oder in einer an die Zuführung stromab- oder -aufwärts anschließenden Zone (M), deren Länge (L) wenigstens des Dreifache eines geometrischen Durchmessers (D) des Strömungskanals vor der Zuführung beträgt, wenigstens 5 und/oder höchstens 40 beträgt und/oder die Geschwindigkeit des Zumischfluids an wenigstens einer der Austrittsöffnungen wenigstens 100 m/s und/oder höchstens 600 m/s beträgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the ratio of the main fluid flow (1) to the supplied mass flow of the admixing fluid (2) is greater than 1 and / or the ratio of the speed of the admixing fluid to the speed of the main fluid flow at at least one of the outlet openings ( 20) and / or in a zone downstream of the feed zone (M) whose length (L) is at least three times a geometric diameter (D) of the flow channel prior to feeding is at least 5 and / or at most 40 and / or the speed of the admixing fluid at at least one of the outlet openings is at least 100 m / s and / or at most 600 m / s. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Abstand stromabwärts hinter der Zuführung, der wenigstens des Dreifache und/oder höchstens das Siebenfache eines geometrischen Durchmessers des Strömungskanals vor der Zuführung beträgt, das Verhältnis einer Druckabweichung von einem gemittelten Druck zu dem gemittelten Druck höchstens 0,2 Prozent und/oder das Verhältnis einer Temperaturabweichung von einer gemittelten Temperatur zu der gemittelten Temperatur höchstens 1 Prozent und/oder das Verhältnis einer Umfangs- zu einer Axialgeschwindigkeit höchstens 2 Prozent beträgt. Method according to one of the preceding claims, characterized in that at a distance downstream of the feed, which is at least three times and / or at most seven times a geometric diameter of the flow channel before the feed, the ratio of a pressure deviation from an average pressure to the averaged Pressure is at most 0.2 percent and / or the ratio of a temperature deviation from an averaged temperature to the averaged temperature is at most 1 percent and / or the ratio of circumferential to axial velocity is at most 2 percent. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem gemischten Hauptfluidstrom und Zumischfluid eine Komponente (100) einer Gasturbine, insbesondere eines Flugtriebwerks, beaufschlagt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the mixed main fluid flow and admixing fluid, a component (100) of a gas turbine, in particular an aircraft engine, is acted upon.
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