DE19717495A1

DE19717495A1 - Corona discharge mixer supplementing fluid mechanical mixing of gases and vapours

Info

Publication number: DE19717495A1
Application number: DE19717495A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Egli; Ulrich Dr Kogelschatz
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 1997-04-25
Filing date: 1997-04-25
Publication date: 1998-10-29

Abstract

In a method for mixing two fluid flows containing differing vapours and/or gases comprises directing the flows together around one or more electrodes (16, 21), and applying a high voltage (V). This produces a corona discharge. Also claimed is the corresponding equipment.

Description

TECHNICAL AREA

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mischtechnik. Sie betrifft ein Verfahren zum Vermischen we nigstens zweier Fluidströme, welche Fluidströme verschiedene Dämpfe und/oder Gase umfassen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to the field of Mixed media. It relates to a method of mixing we at least two fluid flows, which different fluid flows Vapors and / or gases include, and a device for Execution of the procedure.

STATE OF THE ART

In vielen technischen Anwendungen ist es notwendig oder wün schenswert, größere Fluidströme effizient miteinander zu vermischen. Als Beispiele dafür seien die schnelle Mischung eines heißen und eines kalten Fluids genannt, oder die Mi schung von Komponenten, die miteinander reagieren sollen, wie z. B. Brennstoffe und sauerstoffhaltige Gase bei Verbrennungs prozessen, oder Reaktionskomponenten mit Katalysatorstäuben hoher spezifischer Oberfläche zur Reaktionsbeschleunigung. In all diesen Mischprozessen sind dem Massentransport und der Vermischung verschiedener Komponenten durch die Gesetze der Strömungsmechanik Grenzen gesetzt.In many technical applications it is necessary or desirable worthwhile, larger fluid flows efficiently with each other mix. Examples of this are the quick mix called a hot and a cold fluid, or the Mi development of components that should react with each other, such as e.g. B. fuels and oxygen-containing gases during combustion processes, or reaction components with catalyst dusts high specific surface to accelerate the reaction. In all of these mixing processes are mass transport and Mixing different components by the laws of Fluid mechanics set limits.

PRESENTATION OF THE INVENTION

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrich tung anzugeben, mittels derer unter Berücksichtigung elek trohydrodynamischer Prozesse verschiedene Fluide außeror dentlich effizient vermischt werden können.It is an object of the invention, a method and a device indication by means of which, taking into account elec trohydrodynamic processes different fluids except can be efficiently mixed.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Fluidströme gemeinsam wenigstens eine Elektrode umströmen, an welcher Elektrode gleichzeitig durch Anlegen einer Hochspannung eine Koronaentladung erzeugt wird. Wenn die beiden Fluidströme beispielsweise Gase umfas sen, erzeugt die Koronaentladung in einer dünnen aktiven Zone in unmittelbarer Nähe der Hochspannungselektrode ein Plasma, aus dem (bei negativer Vorspannung der Elektrode) negative Ionen austreten und sich - den elektrischen Feldlinien fol gend - in Richtung der geerdeten Wand bewegen. Da der Impuls austausch zwischen negativen Ionen und neutralen Gasmolekülen sehr effizient ist, führt der Ionenwind zu ausgeprägten Se kundärströmungen, die zu einer starken Verwirbelung führen und die aktive Durchmischung der Gasströmung erzwingen.The task is in a method of the aforementioned Art solved in that the fluid flows together at least flow around an electrode, on which electrode at the same time generates a corona discharge by applying a high voltage becomes. For example, if the two fluid streams include gases generates the corona discharge in a thin active zone a plasma in the immediate vicinity of the high-voltage electrode, from the negative (with negative bias of the electrode) Ions emerge and follow the electric field lines gend - move towards the earthed wall. Because the impulse exchange between negative ions and neutral gas molecules is very efficient, the ion wind leads to pronounced Se secondary currents that lead to strong turbulence and force active mixing of the gas flow.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß die wenigstens eine Elektrode in einem von einer Wand oder mehreren Wänden begrenzten Strömungskanal angeordnet ist, durch welchen Strö mungskanal die Fluidströme fließen, daß die wenigstens eine Elektrode gegenüber der Wand bzw. den Wänden auf einem nega tiven Hochspannungspotential gehalten wird, und daß die Wand bzw. die Wände auf Erdpotential gehalten werden. Durch die Verwendung einer negativen Gleichspannungskorona werden durch die inhomogene Stromverteilung an den Elektroden besonders gute Mischungsergebnisse erzielt. Zugleich vereinfacht die Erdung der Wände den Auf- und Einbau der Mischzelle.A first preferred embodiment of the invention The process is characterized in that the at least an electrode in one of one or more walls limited flow channel is arranged through which stream mungskanal the fluid streams flow that the at least one Electrode opposite the wall or walls on a nega tive high voltage potential is maintained, and that the wall or the walls are kept at earth potential. Through the Using a negative DC corona will be through the inhomogeneous current distribution at the electrodes in particular good mixing results achieved. At the same time simplifies the Earthing of the walls the assembly and installation of the mixing cell.

Eine zweite bevorzugte und als effektiv bewährte Ausführungs form des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekenn zeichnet, daß eine Hochspannung zwischen 1 kV und 100 kV verwendet wird, daß die Stromdichten zwischen 0,1 und 1 mA pro m² der geerdeten Wandfläche betragen, und daß die Fluidströme mit einer Strömungsgeschwindigkeit kleiner als 10 m/s die wenigstens eine Elektrode umströmen.A second preferred and effective form of execution of the method according to the invention is characterized in that a high voltage between 1 kV and 100 kV is used, that the current densities are between 0.1 and 1 mA per m ^{2 of} the grounded wall surface, and that Fluid flows with a flow velocity less than 10 m / s flow around the at least one electrode.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Ver fahrens ist gekennzeichnet durch wenigstens eine in einem Strömungskanal angeordnete Elektrode, welche mittels eines Elektrodenanschlusses auf ein Hochspannungspotential gelegt werden kann.The inventive device for performing the Ver driving is characterized by at least one in one Flow channel arranged electrode, which by means of a Electrode connection to a high voltage potential can be.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungs kanal seitlich durch eine geerdete Wand oder mehrere geerdete Wände begrenzt ist.A first preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that the flow channel laterally through an earthed wall or several earthed Walls is limited.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemä ßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die wenig stens eine Elektrode sich im wesentlichen in einer Richtung quer zur Strömungsrichtung der Fluidströme im Strömungskanal erstreckt, und daß der Strömungskanal einen rechteckigen Querschnitt aufweist. Diese Ausführungsform eignet sich be sonders gut für die Mischung zweier Gasströme. Another preferred embodiment of the invention ßen device is characterized in that the little least one electrode is essentially in one direction transverse to the direction of flow of the fluid flows in the flow channel extends, and that the flow channel is rectangular Has cross section. This embodiment is suitable especially good for mixing two gas flows.

Eine dazu alternative bevorzugte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine Elektrode sich im wesentlichen in einer Richtung parallel zur Strömungsrichtung der Fluidströme im Strömungskanal erstreckt, und daß der Strömungskanal einen kreisrunden Querschnitt aufweist. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet, wenn sich im Gasraum befindliche Partikel oder Tröpfchen unter dem Einfluß der Koronaentladung aufladen und an den Wänden abgeschieden wer den sollen, um z. B. einen effizienten Tröpfchenabscheider zu realisieren.This is an alternative preferred embodiment characterized in that the at least one electrode in the essentially in a direction parallel to the direction of flow the fluid flows in the flow channel, and that the Flow channel has a circular cross section. This Embodiment is particularly suitable when in the gas space located particles or droplets under the influence of Charge corona discharge and deposit on the walls the should to z. B. an efficient droplet separator realize.

Besonders gute Mischungsverhältnisse ergeben sich dabei, wenn gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Vorrichtung die wenigstens eine Elektrode wen delförmig ausgebildet ist.Particularly good mixing ratios result when according to a further preferred embodiment of the inventions device according to the invention the at least one electrode is delta-shaped.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen An sprüchen.Further embodiments result from the dependent An sayings.

BRIEF EXPLANATION OF THE FIGURES

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie len im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigenIn the following, the invention is intended to be based on exemplary embodiments len are explained in connection with the drawing. Show it

Fig. 1 in perspektivischer schematisierter Seitenansicht ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Mischzelle nach der Erfindung mit senkrecht zur Strömungsrichtung stehender Elektrode; und Figure 1 is a perspective schematic side view of a first preferred embodiment of a mixing cell according to the invention with an electrode perpendicular to the flow direction. and

Fig. 2 in perspektivischer schematisierter Seitenansicht ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Mischzelle nach der Erfindung mit parallel zur Strömungsrichtung stehender Elektrode. Fig. 2 is a perspective schematic side view of a second preferred embodiment of a mixing cell according to the invention with an electrode parallel to the flow direction.

WAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION

In Fig. 1 ist in perspektivischer schematisierter Seitenan sicht ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine Mischzelle nach der Erfindung dargestellt. Die Mischzelle 10 umfaßt einen Strömungskanal 15, der einen rechteckigen Quer schnitt aufweist und seitlich durch vier gerade Wände 11, 12, 13 und 14 begrenzt ist. Innerhalb des Strömungskanals 15 ist in einer Mittelebene senkrecht stehend eine wendelförmige Elektrode 16 angeordnet, die beidseitig von den durch den Strömungskanal 15 geleiteten Fluidströmen (Pfeile in Fig. 1) umströmt wird. Die Fluidströme können dabei Dämpfe und/oder Gase umfassen. Sie können aber auch feste Partikel oder Flüs sigkeitströpfchen enthalten. Die (elektrisch leitenden) Wände 11-14 der Mischzelle 10 sind gemeinsam auf Erdpotential gelegt (geerdet) . Die Elektrode 16 ist gegenüber den Wänden 11-14 isoliert aufgebaut und über einen Elektrodenanschluß 17 mit einer Hochspannungs-Gleichstromquelle verbindbar.In Fig. 1, a first preferred embodiment of a mixing cell according to the invention is shown in a perspective schematic view of Seitenan. The mixing cell 10 comprises a flow channel 15 which has a rectangular cross section and is laterally delimited by four straight walls 11 , 12 , 13 and 14 . Within the flow channel 15 is a coil-shaped electrode 16 is disposed in a central plane standing vertically, the both sides of the current conducted through the flow channel 15 of fluid flow (arrows in Fig. 1) flows around. The fluid flows can include vapors and / or gases. However, they can also contain solid particles or liquid droplets. The (electrically conductive) walls 11-14 of the mixing cell 10 are placed together at ground potential (grounded). The electrode 16 is opposite the walls 11 - 14 built isolated and connected via an electrode terminal 17 having a high-voltage DC power source.

Im Betrieb liegt an der Elektrode 16 eine negative Hochspan nung -V, die je nach Anwendung zwischen 10 kV und 100 kV be tragen kann. Die wendelförmige Elektrode 16 besteht vorzugs weise aus einem Draht mit einem Durchmesser von einigen Mil limetern. Die Ganghöhe ebenso wie der Durchmesser der Elek trodenwendel beträgt einige Zentimeter. Der (minimale) Ab stand der Elektrodenwendel von den geerdeten Wänden 11-14 be trägt typischerweise 10-15 cm. Je nach der zu durchmischenden Fluidmenge kann die Höhe des Strömungskanals 15 einige Meter betragen. Typische Durchströmgeschwindigkeiten im Strömungs kanal betragen etwa 1 bis 10 m/s. In operation, there is a negative high voltage -V at the electrode 16 , which can be between 10 kV and 100 kV depending on the application. The helical electrode 16 is preferably made of a wire with a diameter of a few millimeters. The pitch as well as the diameter of the electrode coil is a few centimeters. The (minimum) As was the electrode coil of the grounded walls 11 to 14 be typically contributes 10-15 cm. Depending on the amount of fluid to be mixed, the height of the flow channel 15 can be a few meters. Typical flow velocities in the flow channel are approximately 1 to 10 m / s.

Durchströmen beispielsweise zwei zu vermischende Gase gemein sam die Mischzelle 10, werden sie im Strömungskanal 15 durch die negativ vorgespannte Elektrode 16 einer Koronaentladung ausgesetzt. Die Koronaentladung erzeugt in einer dünnen akti ven Zone in unmittelbarer Nähe der Elektrode 16 ein Plasma, aus dem negative Ionen austreten. Die Ionen bewegen sich - den elektrischen Feldlinien folgend - in Richtung der geerde ten Wände 11-14. Da der Impulsaustausch zwischen den negati ven Ionen und den neutralen Gasmolekülen der Fluidströme sehr effizient ist, führt der Ionenwind zu ausgeprägten Sekundär strömungen, die zu einer starken Verwirbelung führen und da mit die aktive Durchmischung der Gasströmung erzwingen. Der Vorteil der vorgeschlagenen Anordnung besteht darin, daß man durch die Formgebung der Mischzelle 10 und den Abstand der Hochspannungselektrode 16 von den Wänden 11-14 die Struktur der erzeugten Wirbel, und durch die Höhe der angelegten Span nung die Intensität des Mischungsprozesses sehr wirksam und schnell steuern kann ohne mechanische Maßnahmen wie das Öffnen von Ventilen oder die Bewegung von Klappen.If, for example, two gases to be mixed flow together through the mixing cell 10 , they are exposed to a corona discharge in the flow channel 15 through the negatively biased electrode 16 . The corona discharge generates a plasma in a thin active zone in the immediate vicinity of the electrode 16 , from which negative ions emerge. The ions move - the electric field lines following - in the direction of the earthed walls 11 th - 14th Since the momentum exchange between the negative ions and the neutral gas molecules of the fluid streams is very efficient, the ion wind leads to pronounced secondary currents, which lead to strong turbulence and thus force the active mixing of the gas flow. The advantage of the arrangement proposed is that by the shaping of the mixing cell 10 and the distance between the high voltage electrode 16 of the walls 11 - 14 results the structure of fluidized generated, and by the magnitude of the applied tension the intensity of drying the mixing process very efficiently and rapidly can control without mechanical measures such as opening valves or moving flaps.

Da sich im Gasraum befindliche Partikel oder Tröpfchen unter dem Einfluß der Koronaentladung aufladen und an der Wand ab geschieden werden, kann man auf der Basis dieses Prinzips auch einen effizienten Tröpfchenabscheider aufbauen. Ein sol cher Prozeß könnte dabei auch bei erhöhtem Druck und erhöh ter Temperatur betrieben werden. Eine dazu geeignete Misch zelle 18 ist in Fig. 2 wiedergegeben. Der (zylindrische) Strömungskanal 20 mit kreisrundem Querschnitt wird in diesem Fall durch ein rohrförmige Wand 19 begrenzt, die geerdet ist. Die auch hier wendelförmige, über einen Elektrodenanschluß 22 auf negative Hochspannung (-V) gelegte Elektrode 21 ist in der Zylinderachse angeordnet und erstreckt sich in Strömungs richtung. Die in der Anordnung geladenen Tröpfchen bewegen sich im elektrischen Feld zwischen Elektrode 21 und Wand 19 auf die Wand 19 zu und werden dort abgeschieden und neutrali siert. Die angesammelte abgeschiedene Flüssigkeit sammelt sich im unteren Teil des Rohres und kann durch bekannte Mit tel (Ablauföffnungen oder dgl.) abgeführt werden. Auch bei der Mischzelle 18 der Fig. 2 können mit Vorteil die im Zusam menhang mit Fig. 1 angegebenen geometrischen und elektrischen Daten Anwendung finden.Since particles or droplets located in the gas space are charged under the influence of the corona discharge and are deposited on the wall, an efficient droplet separator can also be constructed on the basis of this principle. Such a process could also be operated at elevated pressure and elevated temperature. A suitable mixing cell 18 is shown in Fig. 2. In this case, the (cylindrical) flow channel 20 with a circular cross section is delimited by a tubular wall 19 which is grounded. The here also helical, placed on an electrode terminal 22 to negative high voltage (-V) electrode 21 is arranged in the cylinder axis and extends in the flow direction. The droplets charged in the arrangement move in the electric field between the electrode 21 and the wall 19 towards the wall 19 and are separated and neutralized there. The accumulated separated liquid collects in the lower part of the tube and can be discharged through known means (outlet openings or the like). Also, in the mixing cell 18 of FIG. 2 may advantageously be the in connec together with Fig. 1 The following is given geometrical and electrical data application.

Reference list

1010th

, ,

1818th

Mischzelle
Mixing cell

1111

--

1414

, ,

1919th

Wand (Mischzelle)
Wall (mixing cell)

1515

, ,

2020th

Strömungskanal
Flow channel

1616

, ,

2121

Elektrode
electrode

1717th

, ,

2222

Elektrodenanschluß
V Elektrodenspannung
Electrode connection
V electrode voltage

Claims

1. A method for mixing at least two fluid streams, which fluid streams comprise different vapors and / or gases, characterized in that the fluid streams together flow around at least one electrode ( 16 , 21 ), to which electrode ( 16 , 21 ) simultaneously by applying a high voltage ( V) a corona discharge is generated.

2. The method according to claim 1, characterized in that the at least one electrode ( 16 , 21 ) in one of egg ner wall ( 19 ) or more walls ( 11 ,.., 14 ) limited flow channel ( 15 , 20 ) is arranged, through which flow channel ( 15 , 20 ) the fluid streams flow, and that the at least one electrode ( 16 , 21 ) with respect to the wall ( 19 ) or walls ( 11 ,.., 14 ) is kept at a negative high-voltage potential.

3. The method according to claim 2, characterized in that the wall ( 19 ) or the walls ( 11 ,.., 14 ) are kept at earth potential.

4. The method according to claim 3, characterized in that a high voltage (V) between 1 kV and 100 kV is used, and that the current densities are between 0.1 and 1 mA per m ^{2 of} the grounded wall surface.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the fluid streams flow around the at least one elec trode ( 16 , 21 ) at a speed of less than 10 m / s.

6. Apparatus for performing the method according to claim 1, characterized by at least one in a flow channel ( 15 , 20 ) arranged electrode ( 16 , 21 ), which can be connected to a high voltage potential by means of an electrode connection ( 17 , 22 ).

7. The device according to claim 6, characterized in that the flow channel ( 15 , 20 ) is laterally limited by an earthed wall ( 19 ) or more earthed walls ( 11 ,., 14 ).

8. Device according to one of claims 6 and 7, characterized in that the at least one electrode ( 16 ) extends substantially in a direction transverse to the flow direction of the fluid streams in the flow channel ( 15 ), and that the flow channel ( 15 ) has a rectangular cross section having.

9. Device according to one of claims 6 and 7, characterized in that the at least one electrode ( 21 ) extends substantially in a direction parallel to the direction of flow direction of the fluid streams in the flow channel ( 20 ), and that the flow channel ( 20 ) has a circular shape Has cross section.

10. Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the at least one electrode ( 16 , 21 ) is helical.

11. The device according to claim 10, characterized in that the at least one electrode ( 16 , 21 ) consists of a wire with a wire diameter of a few mm, and that the pitch and the diameter of the helix gene a few cm.

12. The apparatus according to claim 7, characterized in that the distance between the at least one electrode ( 16 , 21 ) and the wall ( 19 ) or the walls ( 11 ,.., 14 ) is between 15 and 50 cm.