DE19731891A1 - Kontinuierlicher chaotischer Konvektionsmischer, -wärmeaustauscher und -reaktor - Google Patents
Kontinuierlicher chaotischer Konvektionsmischer, -wärmeaustauscher und -reaktorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, insbesondere zum Mischen, für den
Wärmeaustausch oder zum Durchführen von Reaktionen, aufweisend ein oder
mehrere durchströmbare Elemente, die in Strömungsrichtung eine Mittellinie
aufweisen.
Vorrichtungen der genannten Art sind bekannt, und zwar als kontinuierliche,
chaotische Konvektionsmischer oder -wärmetauscher oder -reaktoren für
Newton'sche und nicht-Newton'sche Fluide.
Daneben sind noch eine Vielzahl von Mischer- Wärmetauschertypen bekannt.
Statische Mischer haben feststehende Einbauten, an denen der Mischvorgang
beschleunigt wird. Bei anderen Mischertypen (Rührkessel, gerührter Rohrreaktor)
wird das Mischen durch bewegliche Einbauten vorgenommen. Chaotische Mischer
und Wärmetauscher (J. Fluid Mech., 1989, Vol. 209, pp 335-357, Experimental
Thermal and Fluid Science, 1993, Vol 7, pp 333-344, Wo 94/12270) nutzen die
durch Trägheit induzierten Sekundärströmungen in gekrümmten Rohren oder
Kanälen zum Mischen aus.
Bei statischen Mischern kann es auf Grund von Rezirkulationsgebieten zu
Ablagerungen an den Einbauten kommen. In den Rezirkulationsgebieten kann es
weiterhin lokal zur Überhitzung des Fluids (hot spots) kommen. Mischsysteme mit
bewegten Einbauten haben den Nachteil, daß sie konstruktiv aufwendiger sind als
statische Mischer. Sie benötigen in der Regel einen Antrieb und eine Steuerung. Bei
komplexen thermischen und rheologischen Fluiden können Effekte wie lokale
Überhitzung und Degradation des Fluids wegen der hohen Scherraten an den
Rührelementen auftreten. Bei den bekannten chaotische Mischern (WO 94/12270),
können auf Grund der Strömungsführung bei größeren Volumenströmen
Ablösebereiche auftreten. In diesen Rezirkulationsgebieten kann es dann zu
Ablagerungen und zur lokalen Überhitzung kommen.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art zu finden, die keine Einbauten benötigt, sowie einfach und kompakt
gebaut werden kann. Weiterhin soll eine gute Misch- und Wärmetausch
wirkung - ohne die vorstehend diskutierten Nachteile - über einen weiten Viskositäts- und
Volumenstrombereich erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das oder die
durchströmbaren Elemente zumindest abschnittsweise so geformt oder angeordnet
sind, daß die aus der oder den Mittellinien gebildete Kurve ungefähr folgender
Parameterdarstellung genügt:
wobei die Parameter und Konstanten folgende Bedeutung haben:
ϑ(t) Ortsvektor in einem kartesischen Koordinatensystem,
t Parameter entlang der Kurve (9), -∞≦t≦+∞,
[t] ganzzahliger Anteil von t,
a(t) ein Krümmungsradius (10) mit 0<|a(t)|<∞,
c(t) ein Abstandsparameter mit 0<|c(t)|<∞.
ϑ(t) Ortsvektor in einem kartesischen Koordinatensystem,
t Parameter entlang der Kurve (9), -∞≦t≦+∞,
[t] ganzzahliger Anteil von t,
a(t) ein Krümmungsradius (10) mit 0<|a(t)|<∞,
c(t) ein Abstandsparameter mit 0<|c(t)|<∞.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Vorrichtung, insbesondere zum Mischen,
für den Wärmeaustausch oder zum Durchführen von Reaktionen, aufweisend ein
oder mehrere durchströmbare Elemente, die in Strömungsrichtung eine Mittellinie
aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die durchströmbaren Elemente
zumindest abschnittsweise so geformt oder angeordnet sind, daß die aus der oder
den Mittellinien gebildete Kurve ungefähr folgender Parameterdarstellung genügt:
wobei die Parameter und Konstanten folgende Bedeutung haben:
ϑ(t) Ortsvektor in einem kartesischen Koordinatensystem,
t Parameter entlang der Kurve (9), -∞≦t≦+∞,
[t] ganzzahliger Anteil von t,
a(t) ein Krümmungsradius (10) mit 0<|a(t)|<∞,
c(t) ein Abstandsparameter mit 0<|c(t)|<∞.
ϑ(t) Ortsvektor in einem kartesischen Koordinatensystem,
t Parameter entlang der Kurve (9), -∞≦t≦+∞,
[t] ganzzahliger Anteil von t,
a(t) ein Krümmungsradius (10) mit 0<|a(t)|<∞,
c(t) ein Abstandsparameter mit 0<|c(t)|<∞.
Dabei definiert ein Parameterbereich t für ein durchströmbares Element von einer
ganzen Zahl zur nächsten ganzen Zahl eine sogenannte Schlaufe von 360° und zur
überrächsten ganzen Zahl eine Doppelschlaufe.
Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Bevorzugt ist eine Vorrichtung, die aus mehreren Schlaufen zusammengesetzt ist.
Die Verbindung der Schlaufen kann durch die dem Fachmann bekannten Verfahren
für lösbare (Flansche) oder unlösbare (Schweißung, Lötung) Verbindungen
hergestellt werden. Es können auch die einzelnen Schlaufen über bekannte
Verbindungsstücke, gerade oder gekrümmte Rohre, miteinander Verbunden sein.
Auf diese Weise lassen sich beliebig viele unterschiedliche erfindungsgemäße
Vorrichtungen herstellen. In einer derartigen Vorrichtung können a(t) und c(t)
entlang der Kurve oder von Schlaufe zu Schlaufe variieren oder auch gleich sein. In
einer bevorzugten Ausgestaltung genügt ein oder jedes durchströmbare Element
genau der Parameterdarstellung.
Weiter bevorzugt ist eine Ausgestaltung, in der die durchströmbaren Elemente so
geformt oder angeordnet sind, daß die aus der oder den Mittellinien gebildete Kurve
über die gesamte Vorrichtung der Parameterdarstellung genügt. Die
durchströmbaren Elemente bzw. die Schlaufen haben vorzugsweise einen
kreisförmigen, rechteckigen oder elliptischen Querschnitt. Sie liegen nicht auf einer
Ebene im Raum sondern sind im Raum fortschreitend, hintereinander angeordnet.
Die Mittellinie kann eine Symmetrielinie sein. Bei symmetrischen oder
näherungsweise symmetrischen Querschnitten sind Kurven, die in
Strömungsrichtung gleiche Orte auf dem Umfang einzelner durchströmbarer
Elemente miteinander verbinden, beispielsweise bei quaderförmigen Elementen
bestimmte Ecken einzelner Elemente, gleichwertig zur Kurve aus den Mittellinien
anzusehen, das heißt, diese Kurven (Kanten in Strömungsrichtung) genügen
ebenfalls der Parameterdarstellung. Geringe Abweichungen der Kurven von der
Parameterdarstellung insbesondere im Rahmen üblicher Fertigungs- und/oder
Montagetoleranzen sind unschädlich.
Die Vorrichtung kann aus einem Stück bestehen oder aus mehreren Teilen
zusammengesetzt sein. Auslegung und Herstellung können nach den gängigen
Methoden erfolgen. Als Werkstoffe kommen alle dem Fachmann geläufigen
metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffe in Frage, je nach Auslegung und Art
der strömenden Fluide: Kunststoffe, Stähle (rost- oder säurebeständig), Glas,
Keramik oder Sonderwerkstoffe.
Als Krümmungsradien a(t) der Mittellinie werden bevorzugt die in der deutschen DlN
2605 T1 angegebenen Vielfachen des Rohrdurchmessers verwendet. Eine typische
Ausführung besteht z. B. aus einem Rohr mit dem Außendurchmesser D = 40 mm.
Nach Bauart 5 der Norm ergibt sich ein Biegeradius von 100 mm. Eine Steigung
(Abstandsparameter c(t)) von 100 mm pro Schlaufe von 360° erweist sich dann als
vorteilhaft. Die Anzahl der Schlaufen orientiert sich an der Mischaufgabe. Eine
typische Schlaufenanzahl ist 4 bis 8. Die Wanddicken d liegen üblicherweise im
Bereich von 0.5 bis zu einigen mm, bei extremen Drücken bis zu 10 mm und mehr.
In besonderen Ausgestaltungen hat das oder jedes durchströmbare Element einen
Außendurchmesser D aus dem Bereich von 1 bis 200 mm, bevorzugt 5 bis 100 mm,
besonders bevorzugt 10 bis 50 mm und der Krümmungsradius a(t) ist aus dem
Bereich von 1*D bis 7*D, bevorzugt 2*D bis 5*D gewählt. Der Abstandsparameter
c(t) wird mit Vorteil aus dem Bereich von -20*D bis +20*D, bevorzugt -10*D bis
+10*D, besonders bevorzugt von -5*D bis +5*D gewählt, wobei er stets #0 ist.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im wesentlichen darin zu
sehen, daß sie einfach aufgebaut und herstellbar ist und daß bei der
Strömungsführung keine Ablösebereiche auftreten. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist,
daß auf Grund des Bildungsgesetzes eine sehr kompakte Bauform entsteht. Im
Gegensatz zu statischen Mischern mit Einbauten kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung leicht gereinigt werden, beispielsweise mit Molchen. Gegenüber dem
aus der WO 94/12270 bekannten chaotischen Mischer hat die erfindungsgemäße
Vorrichtung den Vorteil, daß sie sich gut zu kompakten Modulen zusammensetzen
läßt, beispielsweise in mehrgängigen Wärmeaustauschern. In einer solchen
Anordnung ergibt sich zudem noch ein verbesserter Wärmeaustausch für das
Mantelfluid durch hohe Anströmfläche und intensive Verwirbelung.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im folgenden anhand der in den Fig.
1, 2, 5, 6 perspektivisch dargestellten beispielhaften Ausgestaltungen weiter erläutert.
Fig. 3 zeigt das Ergebnis eines numerischen Experiments, Fig. 4 einen Ausschnitt
aus Fig. 2 im Querschnitt. Eine Beschränkung der Erfindung auf irgendeine Weise,
insbesondere auf diese Ausgestaltungen, ist nicht beabsichtigt.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1, die aus einem einzigen Rohr 2
mit kreisförmigem Querschnitt geformt ist, das eine Mittellinie 3 in
Strömungsrichtung (Pfeil) aufweist, die eine Kurve 9 bildet. Mit eingezeichnet ist ein
kartesisches Koordinatensystem 8 mit den Raumrichtungen x, y und z. Man kann
sich die Vorrichtung 1 aber auch in vier Schlaufen 6a, 6b, 6c, 6d und zwei gerade
Rohre 15 zerlegt denken, wobei die Schlaufen 6 alternierend versetzt
hintereinander angeordnet sind. Am Anfang und Ende der Schlaufenanordnung sind
gerade Rohre 15 angesetzt. Eingezeichnete Trennungslinien 17 kennzeichnen die
Übergänge zwischen den einzelnen Schlaufen 6 bzw. Rohren 15. Der Abstand der
hintereinander liegenden Schlaufen 6a, 6c, bzw 6b, 6d ist durch eine Strecke 7
dargestellt, die im gezeichneten Fall 2*c(t), d. h. der doppelten Steigung entspricht.
Die Projektion der Kurve 9 der kreisförmigen Elemente 6a, 6b, 6c, 6d in die xz-
Ebene kennzeichnet den Radius a(t) 10, der ebenfalls entlang der Kurve variieren
kann. In Fig. 2 besteht die Vorrichtung 1 zumindest abschnittsweise aus einzelnen
durchströmbaren Elementen 16 mit rechteckigem Querschnitt, die über Flansche 5
miteinander verbunden sind. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen solchen
Abschnitt. Hier ist dargestellt, wie die Mittellinien 3 der Elemente 16 eine Kurve 9
bilden. Ebenso dargestellt ist eine der Kurve 9 gleichwertige Kurve 12, die
Eckpunkte der einzelnen Elemente 16 verbindet. Bei einem entsprechend geformten
bzw. gebogenen quaderförmigen Element 16 kann auch eine Kante 4 dieses
Elements 16 eine Kurve 9 bilden, die der Mittellinie 3 gleichwertig ist und der
Parameterdarstellung genügt.
Die Fig. 3 zeigt das Ergebnis eines numerischen Experiments zum Mischen zweier
Fluide 13, 14, deren Viskositäten sich um den Faktor fünf unterscheiden,
beispielsweise HCl 13 und Wasserglas 14, in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung
1. In diesem Beispiel wurde die Anfangsbedingung so gewählt, daß sich das
niederviskose Fluid 13 (HCl) im Kern und das höherviskose Fluid 14 (Wasserglas)
im äußeren Bereich des Einlaufs (links unten) befindet. Die in der Legende
dargestellten Graustufen kennzeichnen die Konzentration (Volumenanteile,
schwarz=1, weiß=0) des niederviskosen Fluids 13. Deutlich sieht man das
Voranschreiten des Mischvorgangs in den chaotischen Mischelementen, das heißt
in den Schlaufen 6. Bereits nach Durchlauf von drei Schlaufen 6 hat sich in diesem
Fall eine gute Durchmischung eingestellt. Die Konzentration beider Fluide liegt über
den gesamten Querschnitt etwa gleichmäßig etwa bei 0.5.
Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1,
bei der zwei Schlaufenpaare 6a, b und 6c, d durch ein gerades Rohr 15 verbunden
sind. In der weiteren bevorzugten Ausgestaltung gemäß Fig. 6 sind Schlaufenpaare
6a, b und 6c, d durch S-Förmige Rohrstücke 18 verbunden.
Damit kann der Fachmann auf einfache Weise nahezu beliebig viele
unterschiedliche, kompakte, sehr gut mischende chaotische Konvektionsmischer
herstellen.
Im folgenden werden erfindungsgemäße Mischer wie sie in den Fig. 1, 5 und 6
dargestellt sind anhand dreier Parametersätze beispielhaft charakterisiert. Eine
Beschränkung ist dadurch nicht beabsichtigt.
Innenradius R = 1 mm (R = (D-2*d)/2)
Innenradius R = 20 mm; die Schlaufen 6b und 6c sind durch ein gerades Element
(Rohr 15) verbunden.
Innenradius R = 20 mm; die Schlaufen 6b und 6c sind durch ein S-förmig
gekrümmtes Element (Rohr 18) verbunden.
Claims (7)
1. Vorrichtung (1), insbesondere zum Mischen, für den Wärmeaustausch oder
zum Durchführen von Reaktionen, aufweisend ein oder mehrere
durchströmbare Elemente (2), die in Strömungsrichtung eine Mittellinie (3)
aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das oder die durchströmbaren
Elemente (2) zumindest abschnittsweise so geformt oder angeordnet sind,
daß die aus der oder den Mittellinien (3) gebildete Kurve (9) ungefähr
folgender Parameterdarstellung genügt:
wobei die Parameter und Konstanten folgende Bedeutung haben:
ϑ(t) Ortsvektor in einem kartesischen Koordinatensystem,
t Parameter entlang der Kurve (9), -∞≦t≦+∞,
[t] ganzzahliger Anteil von t,
a(t) ein Krümmungsradius (10) mit 0<|a(t)|<∞,
c(t) ein Abstandsparameter mit 0<|c(t)|<∞.
wobei die Parameter und Konstanten folgende Bedeutung haben:
ϑ(t) Ortsvektor in einem kartesischen Koordinatensystem,
t Parameter entlang der Kurve (9), -∞≦t≦+∞,
[t] ganzzahliger Anteil von t,
a(t) ein Krümmungsradius (10) mit 0<|a(t)|<∞,
c(t) ein Abstandsparameter mit 0<|c(t)|<∞.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein oder
mehrere durchströmbare Elemente (2) die Kurve (9) vollständig der
Parameterdarstellung genügt, wobei t von 0 bis 1 läuft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ein oder
mehrere durchströmbare Elemente (2) die Kurve (9) vollständig der
Parameterdarstellung genügt, wobei t von 1 bis 2 läuft.
4. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das oder jedes durchströmbare Element (2) einen
Außendurchmesser D aus dem Bereich von 1 bis 200 mm, bevorzugt 5 bis
100 mm, besonders bevorzugt 10 bis 50 mm aufweist und daß a(t) aus dem
Bereich von 1*D bis 7*D, bevorzugt 2*D bis 5*D gewählt ist.
5. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das oder jedes durchströmbare Element (2) einen
Außendurchmesser D aus dem Bereich von 1 bis 200 mm, bevorzugt 5 bis
100 mm, besonders bevorzugt 10 bis 50 mm aufweist und daß c(t) aus dem
Bereich von -10*D bis +10*D, bevorzugt -5*D bis +5*D gewählt ist.
6. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß ein oder mehrere durchströmbaren Elemente (2) einen
elliptischen oder rechteckigen oder kreisförmigen oder quadratischen
Querschnitt haben.
7. Verwendung einer Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6
zum Mischen oder für den Wärmeaustausch oder zur Durchführung von
Reaktionen.
Priority Applications (14)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19731891A DE19731891A1 (de) | 1997-07-24 | 1997-07-24 | Kontinuierlicher chaotischer Konvektionsmischer, -wärmeaustauscher und -reaktor |
CN98807493A CN1272804A (zh) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | 连续无序的对流混合器、热交换器和反应器 |
JP2000503929A JP2001510725A (ja) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | 連続的なカオス式ミキサー、対流熱交換器及び対流反応器 |
DE59800802T DE59800802D1 (de) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Kontinuierlicher, chaotischer konvektionsmischer, -wärmeaustauscher und -reaktor |
US09/463,348 US6331072B1 (en) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Continuous, chaotic convection mixer, heat exchanger and reactor |
AT98941403T ATE201610T1 (de) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Kontinuierlicher, chaotischer konvektionsmischer, wärmeaustauscher und -reaktor |
ES98941403T ES2159439T3 (es) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Mezclador, intercambiador de calor y reactor de conveccion caoticos continuos. |
EP98941403A EP0996498B1 (de) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Kontinuierlicher, chaotischer konvektionsmischer, -wärmeaustauscher und -reaktor |
PT98941403T PT996498E (pt) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Misturador de conveccao caotico, continuo, permutador de calor e reactor de calor |
IDW20000112A ID24585A (id) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Alat pencapur, alat penukar panas dan reaktor penghantaran tidak beraturan yang kontinyu. |
PCT/EP1998/004607 WO1999004892A1 (de) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Kontinuierlicher, chaotischer konvektionsmischer, -wärmeaustauscher und -reaktor |
TR2000/00207T TR200000207T2 (tr) | 1997-07-24 | 1998-07-22 | Sürekli, kaotik konveksiyon karıştırıcısı, ısı değiştiricisi ve reaktörü |
NO20000318A NO20000318L (no) | 1997-07-24 | 2000-01-21 | Kontinuerlig, kaotisk konveksjonsblander, varmeveksler og reaktor |
GR20010401310T GR3036460T3 (en) | 1997-07-24 | 2001-08-27 | Continuous, chaotic convection mixer, heat exchanger and reactor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19731891A DE19731891A1 (de) | 1997-07-24 | 1997-07-24 | Kontinuierlicher chaotischer Konvektionsmischer, -wärmeaustauscher und -reaktor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE19731891A1 true DE19731891A1 (de) | 1999-01-28 |
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19731891A Ceased DE19731891A1 (de) | 1997-07-24 | 1997-07-24 | Kontinuierlicher chaotischer Konvektionsmischer, -wärmeaustauscher und -reaktor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19731891A1 (de) |
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WO1994012270A1 (fr) * | 1992-11-30 | 1994-06-09 | Universite De Nantes | Echangeur melangeur a effet de convection chaotique |
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- 1997-07-24 DE DE19731891A patent/DE19731891A1/de not_active Ceased
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: AVENTIS RESEARCH & TECHNOLOGIES GMBH & CO KG, 6592 |
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Owner name: AXIVA GMBH, 65929 FRANKFURT, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: SIEMENS AXIVA GMBH & CO. KG, 65929 FRANKFURT, DE |
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8131 | Rejection |