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Vorrichtung zum Mischen eines strömenden Arbeitsstoffes mit mindestens
einem strömenden Medium aus Gas oder einer Flüssigkeit Die Erfindung betrifft eine
Vorrichtung zum Mischen eines strömenden Arbeitsstoffes mit mindestens einem strömenden
Medium aus Gas oder einer Flüssigkeit, bestehend aus mindestens einem ringförmigen
Leitkanal für den Arbeitsstoff zwischen jeweils zwei konzentrisch zu diesem angeordneten
ringförmigen Leitkanälen mit je einer Einrichtung zur Drallerzeugung für die mit
dem Arbeitsstoff aus einer gemeinsamen Mündungsebene aus strömenden Medien.
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Die Vorrichtungen dieser Art dienen dazu, strömende Arbeitsstoffe,
wie Gase, Flüssigkeiten oder feinkörnige Feststoffe, mit einem strömenden Medium,
z. B. Luft oder einem anderen mit dem Arbeitsstoff reagierenden oder diesen physikalisch
beeinflussenden Gas oder einer Flüssigkeit, innig zu vermengen, um die chemische
Reaktion oder die physikalische Einwirkung möglichst rasch und vollkommen durchzuführen.
Diese Mischvorrichtungen können vielseitig angewendet werden, z. B. als Brenner
für gasförmige, flüssige oder staubförmige Brennstoffe, als Trockner für pulvrige
oder grießlige Feuchtstoffe mittels vorgewärmter Luft, als Reaktionsvorrichtung
zum Durchführen chemischer Vorgänge aller Art. Bisher ist jedoch nur bekannt, diese
Vorrichtungen als Brenner für gasförmige Brennstoffe zu verwenden und sie für diesen
Zweck auszubilden.
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So weist ein bekannter Kohlenstaubbrenner mehrere konzentrisch ineinander
angeordnete Rohre mit schraubenförmigen Einsatzwänden auf, die gleich oder abwechselnd
entgegengesetzt gerichtet sind.
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Durch die zwischen diesen Rohren gebildeten Leitkanäle wird kohlenstaubhaltige
Luft als Arbeitsstoff bzw. Verbrennungsluft als Medium so eingeleitet, daß zwischen
zwei Leitkanälen für die Verbrennungsluft jeweils ein Leitkanal für die kohlenstaubhaltige
Luft angeordnet ist. Mithin strömt die Verbrennungsluft in jedem Fall gleichgerichtet
durch die zugeordneten Leitkanäle. Hierdurch bilden sich nur zwischen der Verbrennungsluft
und der kohlenstaubhaltigen Luft verwirbelte Grenzschichten, nicht aber zwischen
den benachbarten Verbrennungsluftströmungen. Der Mischeffekt ist daher bei diesen
Brennern verhältnismäßig gering.
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Es sind auch schon Ölbrenner bekannt, die mit mehreren die Brennerdüse
konzentrisch umschließenden Ringleitblechen für die Verbrennungsluft versehen sind,
die im Bereich des Endes der Brennerdüse kegelstumpfförmig verjüngt sind. In den
Leitkanälen zwischen den Ringleitblechen sind abwechselnd entgegengesetzt verlaufende,
schraubengangförmig gewundene Einsatzwände angeordnet. Der aus dem inneren Luftkanal
austretende ringförmige Luftstrahl
trifft auf den Mantel des kegelförmig erweitert
aus der Brennerdüse austretenden Brenstoffes auf und verformt diesen zu einer Birne.
Lediglich die durch den Drall erzeugte Tangentialkomponente der Geschwindigkeit
dieses Luftstrahles kann daher auf der Oberfläche des birnenförmigen Brennstoffstrahles
eine Reibungsturbulenz erzeugen, wodurch jedoch nur ein oberflächliches Vermischen
des Brennstoffes mit dem inneren Luftstrahl eintritt. Die aus den übrigen Leitkanälen
ausströmende Verbrennungsluft vermag die Brennstoffbirne nur an deren Spitze zu
treffen und sich hierbei sehr zögernd in einem verhältnismäßig großen Raum mit dem
Brennstoff zu mischen.
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Mithin wird bei den beiden bekannten Brennern keine innige Berührung
des Arbeitsstoffes mit dem Medium auf engem Raum und damit auch keine intensive
Mischung bzw. Verbrennung erzielt, zumal in beiden Fällen der Brenner unmittelbar
in einen großräumigen Brennraum mündet.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Mischvorrichtung
der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, daß eine starke Durchwirbelung
des Mediums erzielt und der Arbeitsstoff auf kleinstem Raum in eine innige Berührung
mit dem Medium gebracht wird.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß der Erfindung darin, daß
an der gemeinsamen Mündungsebene der Leitkanäle eine Mischkammer mit einer gleichbleibenden,
vom Außenmantel des äußeren Leitkanals bestimmten Querschnittsform angeschlossen
ist und jeweils eine Eimichtung für die Drallerzeugung eine solche Ausbildung aufweist,
daß ihr Drallverlauf
dem Drallverlauf der zugeordneten anderen
Einrichtung entgegengesetzt gerichtet ist.
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In vorteilhafter Weise wird gemäß der Erfindung eine Regelung des
Mischvorganges dadurch ermöglicht, daß zum Verändern der Drallgeschwindigkeit in
den Leitkanälen die schraubengarigförmigen Einsatzwände bzw. die jedem Leitkanal
vorgeschalteten Spiralgehäuse auswechselbar sind oder der Antrieb der zur Drallerzeugung
vorgesehenen ventilatorartigen Flügel regelbar ist.
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Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß die aus den einander am
nächsten liegenden Leitkanälen für das Medium mit entgegengesetztem Drall ausströmenden
Ringströmungen an den Trennflächen eine stark durchwirbelte Grenzschicht bilden
und die Wirbel beider Strömungen sich bandförmig aufeinanderwickeln. Diese zweischichtigen
Wirbel haben dabei die Tendenz, sich über die gesamte Strömung auszubreiten. Der
zwischen benachbarten Leitkanälen für das Medium angeordnete einsatzlose Leitkanal
läßt den Arbeitsstoff ohne Drall zwischen die beiden Schichtbänder der Wirbel eintreten,
wobei der Arbeitsstoff zwischen den Schichtbändern eingewickelt wird. Hierdurch
wird erreicht, daß die Arbeitsstoffteilchen sehr nahe an die Teilchen des Mediums
herangebracht werden, wodurch eine intensive Reaktion zwischen den beiden Stoffen
in kürzester Zeit und auf kleinstem Raum stattfindet. Bei der Verwendung der Vorrichtung
als Brenner wird eine vollständige Verbrennung des Brennstoffes herbeigeführt oder
beim Einsatz dieser Vorrichtung zum Trocknen von feinkörnigem Feuchtgut eine schnelle
und durchgreifende Trocknung desselben erreicht. Durch Regelung der Antriebs- und
Drallgeschwindigkeit kann bei Brennern die Flammenlänge verändert oder der äußere
Luftstrom verstärkt werden, wodurch die Gehäusewand der Mischkammer gekühlt und
die Wärme ab strahlung zum Vermeiden von Wärmeverlusten vermindert werden kann.
Bei der Anwendung der Vorrichtung zum Durchführen chemischer Reaktionen des Arbeitsstoffes
mit einem oder mehreren Medien läßt sich durch die Regelung des Vorschubes und Dralles
der Medien der chemische Vorgang weitgehend beeinflussen. Schließlich lassen sich
Flüssigkeiten in einem beliebigen Verhältnis miteinander mischen. In baulicher Hinsicht
ist die kurze Baulänge und damit das hohe Durchsatzvermögen der Vorrichtung ein
wesentlicher Vorteil.
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In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
schematisch dargestellt. Es zeigt Abb. 1 einen Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung
mit in den Leitkanälen starr eingebauten schraubengangförmigen Einsatzwänden, Abb.
2 eine Stirnansicht zu Abb. 1, Abb. 3 einen Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung
mit Spiralgehäusen als Dralleinrichtung, Abb. 4 eine Stirnansicht zu Abb. 3 und
Abb. 5 einen Längsschnitt durch eine Mischvorrichtung mit ventilatorartigen Flügelrädern
als Dralleinrichtung.
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Die in Abb. 1 dargestellte und zum Mischen von gasförmigen, flüssigen
oder feinkörnigen Arbeitsstoffen mit einem oder zwei gasförmigen oder flüssigen
Medien vorgesehene Vorrichtung besteht aus einem zylindrischen Gehäuse 1, in dem
zwei gleichmittig angeordnete rohrförmige Trennwände2, 3 angeordnet sind, deren
Durchmesser nur um ein geringes
verschieden sind. Hierdurch ist einmal zwischen dem
Außenmantel der inneren Trennwand 2 und dem Innenmantel der äußeren Trennwand 3
ein Leitkanal 4 gebildet, der als Leitkanal für den Arbeitsstoff dient.
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Des weiteren ist durch den Innenraum der inneren Trennwand 2 ein Leitkanal
5 und durch den zwischen dem Außenmantel der äußeren Trennwand und der Innenwand
des Gehäusesl ein weiterer Leitkanal 6 für das gleiche Medium oder auch für verschiedene
Medien gebildet, die je eine schraubengangförmige Einsatzwand7a, 7b aufweisen, deren
Steigung entgegengesetzt verläuft, während der Leitkanal 4 für den Arbeitsstoff
einsatzfrei ist. Im inneren Leitkanal 5 ist koaxial ein Rohr 8 angeordnet, dessen
Stirnseiten verschlossen sind oder von denen nur die äußere beispielsweise durch
eine Klappe, ein Schauglas zum Entzünden des Gemisches oder Beobachten desselben
verschließbar ist. Durch dieses Rohr soll auch eine ringförmige Strömung des durch
den inneren Leitkanal 5 strömenden Mediums hervorgerufen werden, um den Drall zu
unterstützen. An diese Leitkanäle schließt sich eine durch das Gehäuse 1 umschlossene
Mischkammer 9 an, in der sich das Mischen des Arbeitsstoffes mit dem Medium vollzieht.
Sowohl der Arbeitsstoff als auch das Medium werden mit Überdruck in die Leitkanäle
4, 5, 6 an dem die Enden derselben enthaltenden Stirnseite des Gehäuses 1 eingeführt.
Beim Durchströmen der Leitkanäle 5, 6 erhält das Medium durch die eine entgegengesetzte
Steigung aufweisenden Einsatzwände7a, 7b einen entgegengesetzten Drall. In die Grenzschicht
der beiden entgegengesetzt rotierenden Strömungen des Mediums in der Mischkammer
9 tritt der Arbeitsstoff ein. Hier treffen die Strömungen zusammen, wobei sie intensiv
verwirbelt werden. Der Arbeitsstoff wird hierbei in Umlauf versetzt, auf einen größeren
oder kleineren Durchmesser gebracht und hierdurch mit dem Medium innig vemischt.
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Wenn die Vorrichtung als Brenner verwendet wird, besteht das Medium
beider Strömungen aus Luft, während der Arbeitsstoff ein Gas, Kohlenstaub od. dgl.
ist. Soll die Vorrichtung als Trockner für feinkörnige feuchte Feststoffe eingesetzt
werden, wird als Medium Heißluft oder ein anderes heißes Gas verwendet. Beim Einsatz
der Vorrichtung zum Durchführen chemischer Reaktionen werden als Medium beispielsweise
zwei verschiedene, miteinander reagierende Flüssigkeiten oder Gase und als Arbeitsstoff
beispielsweise ein Katalysator oder ein dritter mit den Medien reagierender Stoff
vorgesehen.
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Selbstverständlich können auch noch mehr als zwei Trennwände zur
Bildung von weiteren Leitkanälen im Gehäuse 1 angeordnet werden, durch die weitere
Medien in den Mischvorgang einleitbar sind.
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Wie in Abb. 3 dargestellt, kann an Stelle der fest in den Leitkanälen
5, 6 eingebauten Einsatzwände 7a, 7b auch je ein SpiralgehäuselO, 11 verwendet werden.
Hierbei dient die an ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Zuführungsrohr angeflanschte
Gehäusemündung 12 zum Einleiten des Mediums in das Spiralgehäuse 10, 11, das beim
Durchströmen desselben nach der zentralen Ausströmöffnung 13 hin einen Drall erhält
und durch den an dieses Gehäuse angeordneten Leitkanal 5, 6 in die Mischkammer 9
gelangt. Zum Zuführen des Arbeitsstoffes zum Spiralgehäuse 10, 11 ist ein Rohr 14
vorgesehen, dessen vorrichtungsseitiges Ende als ein ringförmiges Zuführungsgehäuse
15 ausgebildet und an dem der Leitkanal
4 für den Arbeitsstoff
angeschlossen ist. Das Zuführungsgehäuse 15 ist zwischen den Spiralgehäusen 10,
11 für die Medien angeordnet. Es kann aber auch an einer deren außenliegenden Stirnseiten
vorgesehen werden. Diese Ausbildung der Dralleinrichtung hat den Vorteil, daß die
Baulänge der Vorrichtung infolge Wegfallens der Einsatzwände 7 a, 7b verkürzt werden
kann.
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In Abb. 5 ist eine Mischvorrichtung mit ventilatorartigen Flügefrädern
16 a, 16 b als Einrichtung zum Erzeugen eines Dralles der Medien dargestellt, wobei
jedem Leitkanal 5, 6 für das Medium ein solches Flügelrad zugeordnet ist. Die Flügelräderl6a,
16b können hierbei unmittelbar in den zugehörigen Leitkanälen5, 6 angeordnet sein.
Zum Erzielen eines Vorschubes wie auch eines Dralles des durch die Flügelräderl6a,
16b bewegten bzw. geförderten Mediums sind die Flügel unter einem Winkel angestellt,
der sowohl den Vorschub wie auch gleichzeitig die teilweise Mitnahme des Mediums
bei der Flügeldrehung gewährleistet. Der Anstellwinkel der Flügel kann zum Verändern
des Vorschubes und Dralles veränderlich sein. Die Antriebswelle 17 des dem einen
Flügelrad 16a vorgeschalteten Flügelrades 16b ist in der als Hohlwelle ausgebildeten
Antriebswelle 18 des ersteren gelagert.
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Bei allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind
die Trennwände2, 3 in gleicher Weise angeordnet und auch die Mischkammer 9 gleichgestaltet.
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Um die Mengen der zu vermischenden Stoffe bzw. deren Strömungsgeschwindigkeit
verändern zu können, sind die Trennwände2, 3 zur Veränderung des Durchflußquerschnittes
der Leitkanäle 4, 5, 6 auswechselbar ausgebildet. Desgleichen lassen sich auch die
Einsatzwände 7a, 7b zum Verändern des Dralles auswechseln. Zum gleichen Zweck sind
die Einzelantriebe bzw. der gemeinsame Antrieb der Flügelräder 16a, 16b regelbar
ausgeführt.
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Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
So können ohne weiteres auch mehr als zwei Trennwände bzw. Leitkanäle vorgesehen
werden, um mehrere Medien bzw. Arbeitsstoffe gleichzeitig bzw. größere Mengen derselben
miteinander zu vermischen. Ferner kann die Einrichtung zum Erzielen eines Dralles
der Medien auch durch tangentiales Einleiten der Zuführungsrohre in die Leitkanäle
5, 6 erreicht werden. Auch können das Zuführungsrohr für den Arbeitsstoff bzw. die
Zuführungsrohre für die Arbeitsstoffe, in deren Strömungsrichtung gesehen, erst
unmittelbar vor der mischkammerseitigen Mündung der Leitkanäle 5, 6 in das Gehäuser
eingeführt werden. Der Leitkanal 4 für den Arbeitsstoff kann auch in axial verlaufende,
durch Rohre gebildete Einzelkanäle unterteilt sein. Desgleichen können auch die
Leitkanäle 5, 6 für die Medien bzw. das Medium in Einzelkanäle unterteilt sein.
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Die der Mischkammer 9 zu liegenden Rohrmündungen können dabei auf
einem konzentrisch zur Längsachse des Gehäuses 1 liegenden Kreis angeordnet werden,
wobei zwischen je zwei Rohrmündungen für das Medium bzw. die Medien mit gleichgerichtetem
Drall je eine Rohrmündung für den Arbeitsstoff vorgesehen wird. Hierbei wird eine
besonders gute Durchwirbelung des Arbeitsstoffes bzw. der Arbeits-
stoffe mit dem
Medium bzw. den Medien dadurch erreicht, daß jeweils zwei benachbarte Rohre für
das Medium bzw. die Medien im Bereich ihrer mischraumseitigen Enden im spitzen Winkel
gegeneinander gerichtet sind und zwischen diesen das gerade verlaufende Rohr für
den Arbeitsstoff angeordnet ist.
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Schließlich können als Dralleinrichtung auch auf verschiedenen Kreisen
angeordnete turbinenartige Schaufelkränze vorgesehen werden, die in den Leitkanälen
4, 5, 6 unmittelbar vor der Mischkammer 9 angeordnet sind.