DE19842622C1 - Turbulenzerzeuger - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen innerhalb eines von einem Fluid durchströmten Strömungsraums (7) angeordneten Turbulenzerzeuger (3), der aus einer wellenförmig ausgebildeten Schicht besteht, wobei der von dem Fluid umströmbare Bereich der Schicht Durchbrechungen (D) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Turbulenzerzeuger nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Turbulenzerzeuger kommen allgemein in Strömungsmodulen zum Einsatz, die innerhalb von Strömungsräumen oder Strömungskammern von einem oder mehre­ ren Medien durchströmt werden. Die Strömungsmodule sind zum Beispiel in Form von Plattenmodulen, ähnlich einem Plattenwärmetauscher ausgebildet. Der Turbu­ lenzerzeuger ist innerhalb der Strömungskammern angeordnet und in bekannten Ausführungen insbesondere als ebenes Drahtgeflecht, Drahtgitter oder Streckmetall­ struktur ausgebildet.

Um mit diesen bekannten Turbulenzerzeugern eine Gleichverteilung des Fluids über deren gesamte Breite zu erzeugen, ist es nötig, vor dem Turbulenzerzeuger spezielle Verteilungsvorrichtungen anzuordnen. Dies führt allerdings zu hohen Druckverlusten.

Aus der DE 44 21 025 A1 ist darüber hinaus ein bandförmiger Verwirbelungskörper in Wellenform bekannt, der in dem von einem Fluid umströmten Bereich Durchbre­ chungen aufweist.

Mit den obengenannten Turbulenzerzeugern ist es nur bedingt möglich, Kräfte senkrecht zur Turbulenzerzeugerebene zu übertragen. Das bedeutet insbesondere, daß der Turbulenzerzeuger nur eingeschränkt zur Stabilität des gesamten Strö­ mungsmoduls beitragen kann.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Turbulenzerzeuger zu schaffen, der neben einer guten Turbulenzerzeugung und geringem Druckverlust folgende vorteil­ hafte Eigenschaften aufweist:

• - gute Kraftübertragung senkrecht zur Ebene des Turbulenzerzeugers, sowie
• - gleichmäßige Verteilung des Fluidstroms in der Ebene des Turbulenzerzeugers.

Diese Aufgabe wird mit dem Turbulenzerzeuger nach Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte Ausführung ist Gegenstand eines weiteren Anspruchs.

Der erfindungsgemäße Turbulenzerzeuger besteht aus einer wellenförmig ausgebil­ deten Schicht, die Durchbrechungen aufweist.

Die einzelnen, aufeinanderfolgenden Wellenbäuche im Profil der wellenförmigen Schicht können dabei z. B. sinusförmig, halbkreisförmig oder sonstwie gekrümmt sein. Der Begriff wellenförmig im Sinne dieser Erfindung umfaßt jedoch auch Profile mit Wellenbäuchen aus einem Dreieck, Trapez oder andere, Knicke aufweisende geometrische Formen. Insbesondere sind auch Wellenprofile mit unterschiedlichen Formen und Abmessungen der Wellenbäuche möglich.

Die Durchbrechungen können kreisförmig, oval oder eine beliebige sonstige Form aufweisen. Besonders vorteilhaft wird die Form eines regelmäßigen Sechsecks gewählt. Diese spezielle Form der Durchbrechungen hat den Vorteil der besseren Herstellbarkeit, insbesondere wenn man als Fertigungsverfahren die Kaltumformung wählt.

Um die Steifigkeit des Turbulenzerzeugers weiter zu erhöhen, ist er aus mehreren Teilbereichen gebildet, wobei die Wellenkämme der zueinander benachbarten Teilbereiche einen Winkel ungleich Null, 180 oder 360 Grad bilden, also zueinander nicht parallel sind.

Zwei aneinanderstoßende Wellenkämme aus benachbarten Teilbereichen bilden jeweils eine Spitze. Diese Spitzen werden erfindungsgemäß in die Hauptströmrichtung des Fluids ausgerichtet. Durch diese Anordnung wird die gleichmäßige Verteilung des Fluides über den gesamten Bereich des Turbulenz­ erzeugers weiter verbessert.

Vorteile des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers:

Die Erzeugung von Turbulenzen in der Ebene des Turbulenzerzeugers ist sehr gut. Die Druckverluste sind geringer als bei den bekannten Turbulenzerzeugern. Die Kraftübertragung senkrecht zur Turbulenzerzeugerebene ist gegenüber bekannten Vorrichtungen verbessert. Dies gilt insbesondere dann, wenn man den erfindungs­ gemäßen Turbulenzerzeuger mittels Kaltumformung und der damit einhergehenden Kaltverfestigung herstellt. Außerdem wird mit dem erfindungsgemäßen Turbulenzer­ zeuger eine gleichmäßige Verteilung des Fluids über den gesamten Bereich des Turbulenzerzeugers erreicht. Dadurch kann die strömungstechnisch aktive Fläche des Bauteils erhöht werden.

Die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers liegen überall dort, wo Strömungsmodule mit guten Verteilungseigenschaften bei geringem Druckverlust ebenso gefordert wird wie die Kraftübertragung senkrecht zur Turbulen­ zerzeugerebene sowie eine gute Effizienz. Spezielle Anwendungsmöglichkeiten liegen in direktbeheizten Modulen sowie Gas/Gaswärmetauschern, Gas/Flüssigwärmetauschern sowie Verdampfern, insbesondere auch zur Anwendung in Brennstoffzellensystemen.

Die Erfindung wird anhand beispielhafter Ausführungen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Strömungsmodul mit erfindungsgemäßem Turbulenzerzeuger;

Fig. 2 eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers;

Fig. 3 eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers;

Fig. 4 verschiedene Wellenprofile eines erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers.

Ein Beispiel für ein Strömungsmodul ist eine direktbeheizte Gaserzeugungseinheit 1, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, innerhalb eines Brennstoffzellensystems. Zweck dieser Einheit ist es, das später für die Brennstoffzellenreaktion benötigte Gas durch Verdampfen aus dem flüssigen Zustand bereitzustellen. Das Fluid wird dabei von dem Zustand flüssig-unterkühlt in den Zustand dampfförmig-überhitzt überführt.

Die Gaserzeugungseinheit 1 ist in beispielhaften Ausführungen als Plattenmodul aufgebaut, wobei altemierend Verdampferräume 5 und Katalysatorbrennräume 7 angeordnet sind. Die einzelnen Platten, die Verdampferraum 5 und Katalysatorbrenn­ raum 7 voneinander trennen, sind in der Form eines Stapels (englisch stack) ange­ ordnet. Dabei können die einzelnen Platten zum Beispiel miteinander verlötet werden. Vorteilhaft können die Lötschichten galvanisch aufgebracht werden. Die Verdampferräume 5 werden von dem zu verdampfenden Medium durchströmt. Die für die Verdampfung benötigte Wärme wird durch eine katalytische Reaktion inner­ halb der benachbarten Katalysatorbrennräume 7 erzeugt. Dazu ist in den Brennräu­ men ein Katalysatormaterial vorhanden. Zum Beispiel können die Wände der Brenn­ räume 7 mit dem Katalysator beschichtet sein. Möglich ist aber auch die Einbringung von Schüttgut. Der Katalysator reagiert mit einem Reaktionsmedium, der die Brenn­ räume 7 durchströmt.

Um die größtmögliche Betriebssicherheit der Gaserzeugungseinheit 1 zu erreichen, ist es notwendig, den Reaktionsgasstrom über die gesamte mit Katalysator be­ schichtete Fläche gleichmäßig zu verteilen. Um die größtmögliche Kompaktheit des Bauteils zu erreichen, muß die Wärmeübertragungsfläche der einzelnen Platten maximal sein. Ferner ist es für die Fertigung von gelöteten Komponenten wichtig, einen definierten Druck auf die Lötstellen zu übertragen. Darüberhinaus sollte der Druckverlust des Reaktionsmediums im Katalysatorbrennraum 7 möglichst gering sein.

Um diese Forderungen zu erfüllen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung in die Katalysatorbrennräume 7 jeweils ein erfindungsgemäßer Turbulenzerzeuger 3 eingebracht, der in den Fig. 2 bis 4 noch näher beschrieben wird. Dabei können die Platten, die Brennräume 7 und Verdampferräume 5 trennen, unmittelbar auf den Wellenbäuchen des Turbulenzerzeugers aufliegen, wie in Fig. 1 dargestellt. Durch die hohe Steifigkeit der erfindungsgemäßen Turbulenzerzeuger 3 können diese wesentlich zur Stabilität des gesamten Plattenmoduls beitragen.

Fig. 2 zeigt eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers 3, der insbesondere aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein kann. Wie man aus Fig. 2a erkennt, besteht er hier aus zwei Teilbereichen 10, 20. Jede der Teilbereiche 10, 20 ist durchgängig als wellenförmige Schicht ausgebildet. Über den gesamten Bereich des Turbulenzerzeugers sind - in Fig. 2a nicht dargestellt - Durchbrechungen D (siehe Fig. 2b, c) vorhanden, durch die das Fluid hindurchströmen kann. Durch die Durchbrechungen D werden unterschiedliche lokale statische Drücke erzeugt, was die Turbulenz erhöht.

Beide Teilbereiche 10, 20 des Turbulenzerzeugers sind in dieser Ausführung nach Art einer ebenen Welle ausgebildet, d. h. die Wellenkämme WK innerhalb desselben Teilbereichs 10, 20 sind parallel zueinander, wobei der Abstand benachbarter Wellen­ kämme konstant ist. Wie aus der Fig. 2a ebenfalls zu erkennen ist, verlaufen die Wellenkämme des Teilbereichs 10 bezogen auf die Wellenkämme des Teilbereichs 20 unter einem bestimmten Winkel α ungleich 0, 180 oder 360°, im vorliegenden Fall ca. 90°. Jeweils zwei aneinanderstoßende Wellenkämme WK aus den verschiedenen Teilbereichen bilden eine Spitze. Die neben- bzw. hintereinanderliegenden Spitzen bilden somit eine Art Fischgrätenmuster.

Wählt man für die Zufuhr des Fluids den zentralen Bereich E (Fig. 2a) an der Grund­ seite des Turbulenzerzeugers 3, und für die Abfuhr den zentralen Bereich A der gegenüberliegenden Seite, so ergibt sich, daß diese Spitzen gerade in die Haupt­ stromrichtung des Fluids ausgerichtet sind. Diese Anordnung hat wesentliche Vorteile hinsichtlich der Verteilung des Fluids über den Turbulenzerzeuger. Dadurch werden nämlich auch die äußersten Bereiche AB des Turbulenzerzeugers links und rechts des Zufuhrbereichs E von dem Fluid überströmt.

Fig. 2b zeigt einen Schnitt entlang A-A (Maßstab 1 : 10) innerhalb des Teilbereichs 20 des Turbulenzerzeugers 3 nach Fig. 2a. Es handelt sich um ein periodisches, wellenförmiges Profil. PM bezeichnet den Punkt der maximalen Erhebung. Bei einer dreidimensionalen Darstellung der Welle wird dieser Punkt PM zu einem Wellen­ kamm. Als Wellenbauch wird jeweils eine Halbwelle bezeichnet.

Die Durchbrechungen D sind in Fig. 2b ebenfalls eingezeichnet. Sie sind in dieser Ausführung jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbäuchen angeordnet. Fig. 2c zeigt einen Abschnitt des Turbulenzerzeuger in Draufsicht, bei der die Durchbrechungen D beispielhaft eingezeichnet sind. Die Durchbrechungen können, wie in Fig. 2c gezeigt, insbesondere regelmäßig, zum Beispiel in Spalten und Zeilen, über den Turbulenzerzeuger verteilt sein.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers. Wie man aus der Fig. 3a erkennt, umfaßt er vier Teilbereiche 10, 20, 30, 40. Jeder dieser Teilbereiche ist als wellenförmige Schicht ausgebildet. Die Wellenkämme WK jeweils benachbarter Bereiche weisen eine bestimmten, von 0, 180 oder 360° verschiedenen Winkel α zueinander auf. In der in Fig. 3a dargestellten Ausführung ergibt sich insgesamt ein M- (oder je nach Blickrichtung W-) förmiger Verlauf der Wellenkämme über die Breite des Turbulenzerzeugers. Über den gesamten, von dem Fluid überströmbaren Bereich des Turbulenzerzeugers sind Durchbrechungen D angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Durchbrechungen D nicht in Fig. 3a, aber in Fig. 3b und 3c eingezeichnet. Bei der hier gezeigten Ausführung kann das Fluid vorteilhaft an den beiden Bereichen E1, E2 an der Grundseite des Turbulenzerzeugers erfolgen. Die Abfuhr des Fluids erfolgt im zentralen Bereich A der gegenüberliegenden Seite. Somit verlaufen die aus den aneinanderstoßenden Wellenkämmen WK der Bereiche 10, 20 gebildeten Spitzen sowie die aus den aneinanderstoßenden Wellenkämmen der Bereiche 30, 40 gebildeten Spitzen jeweils in Hauptströmrichtungen des Fluids.

Fig. 3b zeigt einen Schnitt entlang A-A innerhalb des Teilbereichs 30 des Turbulenz­ erzeugers nach Fig. 3a. Man erkennt das wellenförmige Profil der Turbulenzerzeu­ gerschicht, das der in Fig. 2 gezeigten Ausführung entspricht.

Fig. 3c zeigt einen Abschnitt des Turbulenzerzeugers in Draufsicht, bei der die Durchbrechungen D beispielhaft eingezeichnet sind.

Fig. 4 zeigt beispielhaft mehrere periodische Wellenprofile, die bei dem erfindungs­ gemäßen Turbulenzerzeuger verwendet werden können. Fig. 4a zeigt eine Zick- Zacklinie, bei dem die aufeinanderfolgenden Wellenbäuche als Dreiecke ausgebildet sind. In Fig. 4b und 4c sind die Wellenbäuche als Quadrat oder Trapez ausgebildet. Die Fig. 4d bis 4g zeigen weitere Wellenprofile, die anders als die in den Fig. 4a bis 4c gezeigten Ausführung keine Knicke aufweisen. Die Profile von Fig. 4d bis 4g unterscheiden sich untereinander insbesondere in der Wellenlänge und in der Amplitude.

Alle dargestellten Wellenprofile weisen bei allen Wellenbäuchen konstante Amplitu­ den auf, was hinsichtlich der Herstellbarkeit der Profile Vorteile bringt. Es ist jedoch auch möglich, die Amplitude zu variieren, in dem z. B. die Wellenbäuche mit der laufenden Nummer n, n + 2, n + 4 eine bestimmte, konstante Amplitude aufweisen, und die übrigen Wellenbäuche n + 1, n + 3, usw. eine davon verschiedene, aber ebenfalls konstante Amplitude aufweisen. Auf analoge Weise können auch die Formen der Wellenbäuche variiert werden.

An den Profilen sind Durchbrechungen D eingezeichnet, die hier aus Gründen der Übersichtlichkeit jeweils nur über einen kurzen Abschnitt des Profils eingezeichnet sind. Es wird darauf hingewiesen, daß die Durchbrechungen in der Regel über den gesamten Profilbereich vorhanden sind.

Claims (2)

1. Turbulenzerzeuger (3), angeordnet innerhalb eines von einem Fluid durch­ strömten Strömungsraums (7), und bestehend aus einer wellenförmig ausgebil­ deten Schicht, wobei der von dem Fluid umströmbare Bereich der Schicht Durchbrechungen (D) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die Schicht aus mindestens zwei Teilbereichen (10, 20, 30, 40) besteht, wobei die Wellenkämme (WK) der zueinander benachbarten Teilbereiche einen Win­ kel (α) ungleich Null, 180 oder 360 Grad bilden, und
• 2. jeweils zwei Wellenkämme (WK) aus benachbarten Teilbereichen (10, 20; 30, 40) der Schicht eine Spitze bilden, die in eine der Hauptströmrich­ tungen des Fluids gerichtet ist.

2. Turbulenzerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ brechungen (D) die Form eines regelmäßigen Sechsecks aufweisen.