DE19544816A1

DE19544816A1 - Mischvorrichtung

Info

Publication number: DE19544816A1
Application number: DE19544816A
Authority: DE
Inventors: Adnan Dr Eroglu; Wolfgang Dr Polifke; Peter Dr Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 1997-06-05
Also published as: DE59607626D1; EP0776689B1; US5803602A; EP0776689A1; JPH09173808A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zum Mischen von zwei oder mehreren Fluiden, welche den gleichen oder unglei chen Massenstrom aufweisen können, wobei die zu mischenden Fluide längs einer Trennwand strömen, an deren stromabwärti gem Ende mehrere frei umströmte Flächen aufweisende Wirbel- Generatoren angeordnet sind, von denen mehrere nebeneinander angeordnet sind, wobei die Seitenflächen des Wirbel- Generators mit einer Seite der Trennwand bündig sind und mit einander den Pfeilwinkel einschließen, die längsgerichteten Kanten der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel zur Wand verlaufen und die beiden Seitenflächen eine Verbindungskante miteinander umfassen, die vorzugsweise senkrecht zur Wand verläuft und die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante ist.

Stand der Technik

Derartige Mischvorrichtungen sind beispielsweise bekannt aus EP-A1-0 619 134. In vielen Sektoren wie beispielsweise in der Chemie, der Nahrungsmittel- oder Pharmaproduktion usw. wird verlangt, Fluide auf kürzestem Weg innig zu vermischen. Die Qualität des ganzen Prozesses hängt meistens von der erziel ten Mischqualität ab. Dabei sollte der Druckabfall anläßlich des Mischvorgangs in "vernünftigem" Rahmen bleiben, um die Prozeßkosten durch niedrige Pumparbeit klein zu halten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Mischvor richtung der eingangs genannten Art die Durchmischung zu ver bessern.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,

- daß eine Dachfläche aus zwei Teildachflächen besteht, wobei die längsgerichteten Kanten der Teildachflächen bündig sind mit den Kanten der Seitenflächen und die Teildachflächen über eine Verbindungskante miteinander verbunden sind,
- daß die stromabwärts liegenden Hinterkanten der Teildachflächen mit der Trennwand einen Winkel ein schließen, wodurch die Hinterkanten in Bezug auf die Seitenflächen im wesentlichen auf die andere Seite der Trennwand zu liegen kommen,
- und daß eine Bodenfläche aus zwei Teilbodenflächen be steht, die über eine Verbindungskante miteinander und über die Hinterkanten mit den Teildachflächen verbunden sind.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, daß durch die Einführung der gegenüber der Trennwand ver drehten Hinterkanten die stromabwärtige Kante der Trennwand verlängert wird. Dadurch wird zum einen die Kontaktfläche der zu mischenden Ströme erhöht, zum anderen werden durch die in der Strömung angestellten Hinterkanten weitere Wirbel er zeugt. Diese Wirbel unterstützen und verstärken die an den längsgerichteten Kanten erzeugten Wirbel des Wirbelgenera tors. Zudem wird die Durchmischung der zu mischenden Ströme erhöht, da die Wirbel in Richtung des jeweils gegenüberlie genden Stromes propagieren, wodurch ein verwobenes Strömungs muster entsteht.

Vom strömungstechnischen Standpunkt her weist das Wirbelgene rator-Element beim Umströmen einen sehr geringen Druckverlust auf und es erzeugt Wirbel ohne Totwassergebiet. Schließlich kann das Element durch seinen in der Regel hohlen Innenraum auf die verschiedensten Arten und mit diversen Mitteln ge kühlt werden.

Es ist besonders zweckmäßig, wenn die beiden den Pfeilwinkel α einschließenden Seitenflächen sowie die Teildachflächen des Wirbel-Generators symmetrisch zu einer Symmetrieebene, gebildet durch eine Symmetrieachse und die Verbindungskante der Seitenflächen angeordnet sind. Damit werden drallgleiche Wirbel erzeugt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Wirbelgene rators, Sicht von oben;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Wirbelgenera tors, Sicht von unten;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung mehrerer Wirbelge neratoren;

Fig. 4 Draufsicht auf die Wirbelgeneratoren von Fig. 3;

Fig. 5 Teilquerschnitt durch einen Kanal mit darin ange ordneten Wirbelgeneratoren.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentli chen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach Fig. 1 besteht ein Wirbel-Generator 9 im wesentlichen aus mehreren frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies zwei Teil-Dachflächen 1, 2, zwei Seitenflächen 11, 13 und zwei in der Fig. 1 nicht sichtbare Teil-Bodenflächen. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese Flächen unter bestimm ten Winkeln in Strömungsrichtung.

Die beiden Seitenflächen 11 und 13 stehen jeweils senkrecht auf der zugehörigen Oberseite 21 einer Trennwand 22, wobei angemerkt wird, daß dies nicht zwingend ist. Die Seitenflä chen 11, 13, welche aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind hier mit ihrer längeren Kathete auf der Trennwand 22 fi xiert. Sie sind so orientiert, daß sie mit ihrer kürzeren Kathete einen Stoß bilden unter Einschluß eines Pfeilwin kels α. Der Stoß ist als scharfe Verbindungskante 16 ausge führt und steht ebenfalls senkrecht zur Trennwand 22. In ei nem Kanal eingebaut, wird wegen der scharfen Verbindungskante der Durchströmquerschnitt kaum durch Sperrung beeinträchtigt. Durch die längeren Katheten der Seitenflächen 11, 13 und durch die Verbindungskante 16 wird ein Schnittpunkt 8 gebil det, der in der Trennwand liegt. Die beiden den Pfeilwinkel α einschließenden Seitenflächen 11, 13 sind symmetrisch in Form, Größe und Orientierung und sind beidseitig einer Sym metrieebene angeordnet, welche durch eine Symmetrieachse 17 und die Verbindungskante 16 gebildet wird. Die Symmetrieachse 17 ist üblicherweise gleichgerichtet wie die Kanalachse und damit wie die Kanalströmung.

Eine im wesentlichen längsgerichtete Kante 12 der Teil- Dachfläche 1 ist bündig mit der in den Strömungskanal hinein ragenden Hypothenuse der Seitenfläche 11. Diese Längskante 12 verläuft unter einem Anstellwinkel θ zur Wand 22. Eine strom abwärts liegende Hinterkante 5 der Teildachfläche 1 liegt in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 17 und ist um einen Winkel γ gegenüber der Trennwand 22 verdreht, so daß die Hinterkante 5 unterhalb der Trennwand zu liegen kommt. Zur Montage des Wirbelgenerators 9 müssen deshalb Schlitze in der Trennwand 22 angebracht werden, oder die Trennwand muß ent sprechend angepaßt werden.

Die Teildachfläche 2 ist symmetrisch zur Teildachfläche be züglich der Symmetrieebene, gebildet durch die Symmetrieachse 17 und die Verbindungskante 16. Somit ist eine längsgerichte te Kanten 14 der Teil-Dachfläche 2 bündig mit der in den Strömungskanal hineinragenden Hypothenuse der Seitenfläche 13. Die Längskante 14 verläuft unter dem Anstellwinkel θ zur Wand 22. Eine Hinterkante 6 der Teildachfläche 2 liegt eben falls in der Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 17 und ist um den negativen Winkel γ gegenüber der Trennwand verdreht, so daß die Hinterkante 6 unterhalb der Trennwand 22 zu liegen kommt.

Die zweite längsgerichtete Kante der Teil-Dachfläche 1 bildet mit der zweiten längsgerichteten Kante der Teil-Dachfläche 2 eine Verbindungskante 10, die in der durch die Symmetrieachse 17 und die Verbindungskante 16 gebildeten Symmetrieebene liegt. Die Verbindungskante 10 bildet mit der Hinterkante 5 sowie mit der Hinterkante 6 eine am stromabwärtigen Ende des Wirbelgenerators 9 liegende Spitze 7. Die Längskanten 12, 14 bilden zusammen mit der Verbindungskante 16 sowie der Verbin dungskante 10 eine am stromaufwärtigen Ende des Wirbelgenera tors 9 liegende Spitze 18.

Nach Fig. 2 wird die dreieckige Teil-Bodenflächen 3 definiert durch die Hinterkante 5 und den Schnittpunkt 8, die dreiecki ge Teil-Bodenflächen 4 wird definiert durch die Hinterkante 6 und den Schnittpunkt 8. Eine Verbindungskante 30 der Teil- Bodenflächen 3, 4 erstreckt sich somit von der Spitze 7 bis zum Schnittpunkt 8.

Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator auch ohne Boden flächen hergestellt werden, wobei dann die Trennwand die Funktion der Bodenflächen übernimmt. Dazu muß die Trennwand an ihrem stromabwärtigen Ende gezackt ausgeformt werden, ent sprechend den Teil-Bodenflächen. Um die Kontaktfläche am stromabwärtigen Ende der Trennwand weiter zu erhöhen, können die Hinterkanten des Wirbelgenerators auch in verschiedenen Ebenen liegen, die nicht senkrecht zur Symmetrieachse verlau fen.

In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein Wirbelgenerator 9′ auf der Un terseite 20 der Trennwand 22 und ein Wirbelgenerator 9 auf der Oberseite 21 der Trennwand nebeneinander angeordnet. Der Wirbelgenerator 9′ ist in Form und Größe identisch mit dem Wirbelgenerator 9, die bereits oben verwendeten Bezeichnungen für den Wirbelgenerator 9 werden deshalb auch für den Wirbel generator 9′ verwendet, sind jedoch mit einem Apostroph ver sehen. Der Wirbelgenerator 9 kann durch eine Drehung von 180° um eine Drehachse 19 in den Wirbelgenerator 9′ überführt wer den. Die Drehachse 19 liegt in der Trennwand 22, ist parallel zur Symmetrieachse 17 und geht durch den Schnittpunkt von Längskante 14 und Hinterkante 6.

Die Verbindungskante 16 der beiden Seitenflächen 11, 13 bil det immer die stromaufwärtige Kante der Wirbel-Generatoren 9, 9′. Die scharfe Verbindungskante 16 ist jene Stelle, die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagt wird. Die quer zur um strömten Trennwand 22 verlaufenden Hinterkanten 5, 6, 5′, 6′ der Dachflächen sind somit die von der Kanalströmung zuletzt beaufschlagten Kanten.

Selbstverständlich können die Wirbelgeneratoren 9′ auch an ders als die Wirbelgeneratoren 9 ausgestaltet werden, wobei die Wirbelgeneratoren immer eine der gezeigten Grundkonfigu ration ähnliche Geometrie aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft zur Mischung physikalisch unterschiedlicher Strö mungen.

Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators ist folgende: Beim Umströmen der Kanten 12 und 14 wird die Strömung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt. Die Wirbelachsen liegen in der Achse der Strömung. Die Geometrie der Wirbel-Generatoren ist so gewählt, daß bei der Wirbelerzeugung keine Rückström zonen entstehen. Die Wirbel des Wirbelgenerators 9 rotieren oberhalb der Dachflächen entlang und streben der Trennwand 22 zu, auf welcher der Wirbel-Generator montiert ist. Die Wirbel des Wirbelgenerators 9′ rotieren unterhalb der Dachflächen entlang und streben ebenfalls der Trennwand 22 zu.

Die Drallzahl des Wirbels wird bestimmt durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels θ und/oder des Pfeilwinkels α. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down) - sofern dies überhaupt gewünscht ist - wandert stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel θ und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozeß selbst vorgegeben. Ange paßt werden muß dann nur noch die Höhe h der Verbindungs kante 16. Durch die Wahl des Winkels γ werden die Wirbel so beeinflußt, daß je größer γ gewählt wird, desto besser die Durchmischung der Teilströme erfolgt. Der Winkel γ kann je doch nicht beliebig groß gewählt werden, da mit größer wer dendem γ auch der Druckabfall ansteigt.

Es wird darauf hingewiesen, daß die Form der umströmten Trennwand 22 für die Wirkungsweise der Erfindung nicht we sentlich ist. Statt der in den Figuren gezeigten geraden Form der Trennwand 22 könnte es sich auch um eine ringförmige oder hexagonale oder eine sonstige Querschnittsform handeln. Bei einer gekrümmten Trennwand muß die obige Aussage, daß die Seitenflächen senkrecht auf der Wand stehen, selbstverständ lich relativiert werden. Maßgebend ist, daß die auf der Symmetrielinie 17 liegende Verbindungskante 16 senkrecht auf der entsprechenden Wand steht. Im Fall von ringförmigen Wän den würde die Verbindungskante 16 somit radial ausgerichtet sein.

Die Fig. 5 zeigt teilweise einen Kanal mit eingebauter Trenn wand 22. Der durchströmte Querschnitt ist durch diese Trenn wand 22 in zwei Teilkanäle mit den Kanalhöhen H1 und H2 un terteilt. Die Oberseite 21 der Trennwand 22 bildet eine Ka nalwand des oberen Kanals 41, die Unterseite 20 der Trennwand 22 bildet eine Kanalwand des unteren Kanals 42. Die beiden Kanäle könnten von einem gleichen Medium mit unterschiedli chen Geschwindigkeit durchströmt sein; oder es könnte sich um strömende Fluide unterschiedlicher Dichte oder chemischer Zu sammensetzung handeln, die auf kürzestem Wege zu einer be stimmten gleichmäßig verteilter Konzentration vermischt wer den müssen.

An den beiden Kanalwänden 20 und 21 der Trennwand ist jeweils eine gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren 9, 9′ mit Zwi schenräumen aneinandergereiht. Die Höhe h1 der Elemente 9 so wie die Höhe h2 der Elemente 9′ beträgt beispielsweise ca. 90% der zugehörigen Kanalhöhen H1 und H2. die Strömung er folgt in Fig. 5 senkrecht aus der Zeichenebene heraus; die Elemente 9, 9′ sind so orientiert, daß die Verbindungskanten 16 gegen die Strömung gerichtet sind. Der Drehsinn der er zeugten Wirbel im Bereich der Verbindungskante ist abstei gend, d. h. er strebt der jeweiligen Kanal-Wand 20, 21 zu, auf der der Wirbel-Generator angeordnet ist. Am Ende der Trenn wand 22, d. h. an den Hinterkanten 5, 6, 5′, 6′, werden die auf deren beiden Seiten erzeugten Wirbelströme ineinanderge zwängt, wobei es zu der gewünschten Durchmischung kommt.

Die drallgleichen Wirbel in den Teilkanälen 41, 42 kombinie ren sich zu einem großen Wirbel mit einheitlichem Drehsinn. Die Drehachse dieses großen Wirbels ist im wesentlichen die Drehachse 19.

Die Wirbel-Generatoren 9, 9′ können in den Kanälen 41, 42 un terschiedliche Höhen h1, h2 gegenüber den Kanalhöhen H1, H2 aufweisen. In der Regel wird man die Höhen h1, h2 der Verbin dungskanten 16, 16′ der Wirbelgeneratoren 9, 9′ so mit den jeweiligen Kanalhöhen H1, H2 abstimmen, daß der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Größe erreicht, daß die volle Kanalhöhe H1+H2 oder die volle Höhe des dem Wirbel-Generators zugeordneten Kanalteils ausgefüllt wird, was zu einer gleichmäßigen Ver teilung in dem beaufschlagten Querschnitt führt. Ein weiteres Kriterium, welches Einfluß auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Es versteht sich, daß mit größe rem Verhältnis h/H auch der Druckverlustbeiwert ansteigt.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur auf die ge zeigten und beschriebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispie le beschränkt. Durch gezielte Auslegung und Dimensionierung der Wirbel-Generatoren hat man bei gegebenen Strömungen ein einfaches Mittel an der Hand, je nach Bedarf den Mischvorgang zu steuern.

Bezugszeichenliste

1 Teil-Dachfläche
2 Teil-Dachfläche
3 Teil-Bodenfläche
4 Teil-Bodenfläche
5 Hinterkante von 1 und 3
6 Hinterkante von 2 und 4
7 Spitze
8 Schnittpunkt
9 Wirbelgenerator
9′ Wirbelgenerator an der Unterseite von 22
10 Verbindungskante
11 Seitenfläche
12 Längskante
13 Seitenfläche
14 Längskante
16 Verbindungskante
17 Symmetrieachse
18 Spitze
19 Drehachse
20 Oberseite von 22
21 Unterseite von 22
22 Trennwand
30 Verbindungskante
41 oberer Kanal
42 unterer Kanal
α Pfeilwinkel
γ Winkel von 4 und 5 zu 22
θ Anstellwinkel
h1 Höhe Verbindungskante 16
h2 Höhe Verbindungskante 16′
H1 Höhe Kanal 41
H2 Höhe Kanal 42

Claims

1. Mischvorrichtung zum Mischen von zwei oder mehreren Fluiden, welche den gleichen oder ungleichen Massenstrom aufweisen können, wobei die zu mischenden Fluide längs einer Trennwand (22) strömen, an deren stromabwärtigem Ende mehrere frei umströmte Flächen aufweisende Wirbel- Generatoren (9, 9′) angeordnet sind, von denen mehrere nebeneinander angeordnet sind, wobei die Seitenflächen (11, 13) des Wirbel-Generators mit einer Seite der Trennwand (22) bündig sind und miteinander den Pfeilwin kel (α) einschließen, die längsgerichteten Kanten (12, 14) der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel (θ) zur Wand (22) verlaufen und die beiden Seitenflächen (11, 13) eine Verbindungskante (16) miteinander umfassen, die vorzugsweise senkrecht zur Wand (22) verläuft und die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante (16) ist, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Dachfläche aus zwei Teildachflächen (1, 2) be steht, wobei die längsgerichteten Kanten der Teildach flächen (1, 2) bündig sind milden Kanten (12, 14) der Seitenflächen (11, 13) und die Teildachflächen über eine Verbindungskante (10) miteinander verbunden sind,
daß die stromabwärts liegenden Hinterkanten (5, 6) der Teildachflächen (1, 2) mit der Trennwand (22) einen Win kel (7) einschließen, wodurch die Hinterkanten (5, 6) in Bezug auf die Seitenflächen (11, 13) im wesentlichen auf die andere Seite der Trennwand (22) zu liegen kom men,
und daß eine Bodenfläche aus zwei Teilbodenflächen (3, 4) besteht, die über eine Verbindungskante (30) mitein ander und über die Hinterkanten (5, 6) mit den Teildach flächen verbunden sind.

2. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bodenfläche (3, 4) die Trennwand (22) ist und daß der Wirbelgenerator (9, 9′) bestehend aus zwei Sei tenflächen (11, 13) und zwei Teildachflächen (1, 2) auf der Trennwand angeordnet ist.

3. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterkanten (5, 6) der Teildachflächen (1, 2) in einer Ebene senkrecht zu einer Symmetrieachse (17) angeordnet sind.

4. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die beiden den Pfeilwinkel (α) einschließen den Seitenflächen (11, 13) sowie die Teildachflächen (1, 2) des Wirbel-Generators (9) symmetrisch zu einer Symme trieebene, gebildet durch eine Symmetrieachse (17) und die Verbindungskante (16), angeordnet sind.

5. Mischvorrichtung nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeich net, daß die Verbindungskante (16) und/oder die längs gerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche zumindest an nähernd scharf ausgebildet sind.

6. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Trennwand (22) in einem doppelkanaligen Behältnis angeordnet ist unter Bildung von zwei Teilka nälen (41, 42), und daß in jedem Teilkanal die gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren (9, 9′) angeordnet ist, und daß die Wirbel-Generatoren beidseitig an der Trenn wand (22) befestigt sind.

7. Mischvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß das Verhältnis Höhe (h1, h2) des Wirbel- Generators (9, 9′) zur Höhe (H1, H2) des Teilkanals (41, 42) so gewählt ist, daß der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators die volle Teilkanal höhe (H1, H2) oder die volle Höhe des Kanals (H1+H2) ausfüllt.