DE2600437C1 - Device for mixing gas flows - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von Gasströmungen, bestehend aus einem einen ersten Gasstrom führenden Gehäuse und einer quer zur ersten Gasströmung im Gehäuse angeordneten Mischeinheit mit einer in Strö mungsrichtung gesehen vorderen Platte, die für den ersten Gasstrom eine Stauplatte bildet und eine Anzahl von ein strömseitigen Einlaßöffnungen aufweist, mit einer rück wärtigen Platte, die bezüglich der vorderen Platte beab standet ist und eine Anzahl von Einblasöffnungen für ei nen zweiten, unter Druck zugeführten Gasstrom aufweist.The invention relates to a device for mixing Gas flows consisting of a first gas flow leading housing and one transverse to the first gas flow arranged in the housing mixing unit with a flow direction seen front plate, which for the first Gas flow forms a baffle plate and a number of one has flow-side inlet openings, with a rear current plate, which is spaced with respect to the front plate stands and a number of injection openings for egg NEN second gas pressure supplied.
Eine derartige Vorrichtung ist aus dem DE-GM 19 26 239 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird der erste der beiden zu mischenden Gasströme über Öffnungen in ei ner vorderen plattenförmigen Wandung und der zweite Gas strom über Öffnungen in der rückwärtigen Platte in einen ringscheibenförmigen, von der vorderen und der rückwärti gen sowie einer äußeren Umfangswandung begrenzten Misch raum, der im Mittelbereich in eine etwa zylindrische Ver teilkammer übergeht, deren Außenwandungen mit Austritts öffnungen für den Mischgasstrom versehen sind.Such a device is from DE-GM 19 26 239 known. In this known device, the first of the two gas streams to be mixed via openings in egg ner front plate-shaped wall and the second gas flow through openings in the rear plate into one washer-shaped, from the front and the back i gene and an outer peripheral wall limited mixing space that in the central area in an approximately cylindrical Ver sub-chamber merges, the outer walls with outlet openings for the mixed gas flow are provided.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs definierten Art in der Weise auszubilden, daß die beiden zugeführten Gasströme möglichst schnell und homogen ge mischt werden.The invention has for its object a device of the beginning defined way in such a way that the two supplied gas flows as quickly and homogeneously as possible to be mixed.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der rückwärtigen Platte eine Anzahl von abströmseitigen Auslaßöffnungen vorgesehen ist, die mit den Einlaßöffnungen fluchten, daß eine Anzahl von Übertragungsrohren vorhanden ist, die jeweils dicht abschließend mit dem Rand der Einlaß öffnungen verbunden sind und sich bis zur Rückseite der rückwärtigen Platte durch die Auslaßöffnungen erstrecken und so den ersten Gasstrom führen, und daß der zweite Gasstrom in einen durch die vordere und die rückwärtige Platte sowie die Übertragungsrohre gebildeten Raum geführt ist und durch in der rückwärtigen Platte angeordnete Blas öffnungen austritt.This object is achieved in that in the rear plate a number of downstream Outlet openings are provided which are connected to the inlet openings aligned that there are a number of transmission tubes is, each tightly fitting with the edge of the inlet openings are connected and extend to the back of the Extend rear plate through the outlet openings and so lead the first gas stream, and that the second Gas flow into one through the front and the rear Plate as well as the transmission tubes formed space and by blowing arranged in the rear plate openings emerges.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are in specified in the subclaims.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nach stehend näher erläutert. Es zeigt:An embodiment of the invention is shown in the drawing and is after standing explained in more detail. It shows:
Fig. 1 einen Schnitt in Höhe der Ebene A durch einen CO2- Laser, in den das Kohlendioxidgas in eine Stickstoff strömung eingeführt wird,1 shows a section in elevation of the plane A by a CO 2 -. Laser, in which the carbon dioxide gas is introduced in a nitrogen flow,
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt in Höhe der Ebene A durch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, und Fig. 2 is an enlarged section at level A through the device shown in Fig. 1, and
Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht der abströmseitigen Platte der Vorrichtung nach den Fig. 1 und 2. Fig. 3 is an enlarged partial view of the downstream plate of the device according to FIGS. 1 and 2.
Es sind Lasergeneratoren bekannt, in denen in einem ersten Gas (Stickstoff), das sehr rasch strömt, eine elektrische Entladung hervorgerufen wird und bei denen dieses erste Gas mit einem zweiten (Kohlendioxid) in einer Ausdehnungskammer gemischt wird, in der der optische Resonator untergebracht ist. Die elektrische Entladung bewirkt, daß der Stickstoff eine Erregeungsenergie er hält, die durch molekulare Wechselwirkung während des Mischungs vorgangs auf das Kohlendioxid übertragen wird. Durch das rasche Fortschreiten der Mischung in der Ausdehnungskammer wird der optische Resonator vor der Entregung des Kohlendioxids erreicht, wodurch ermöglicht wird, daß das Kohlendioxid einen im opti schen Resonator stimulierten Lichtstrahl, d. h., einen Laser strahl aussendet.Laser generators are known in which in a first gas (Nitrogen), which flows very quickly, an electrical discharge is caused and in which this first gas with a second (carbon dioxide) is mixed in an expansion chamber, in which the optical resonator is housed. The electrical Discharge causes the nitrogen to have an excitation energy holds that through molecular interaction during the mixing process to which carbon dioxide is transferred. By the quick As the mixture progresses in the expansion chamber, the optical resonator reached before de-excitation of carbon dioxide, whereby it is possible that the carbon dioxide in the opti the resonator stimulated light beam, d. i.e., a laser beam emits.
Die Stickstoffmoleküle weisen drei Erregungsweisen auf eine thermische Erregung, eine Rotationserregung und eine Vibrationserregung. Beim Mischen der Stickstoff- und Kohlen dioxidmoleküle in der Ausdehnungskammer kann lediglich die Vibrationsenergie des Stickstoffs erhalten bleiben und im Kohlendioxid die Besetzungsumkehr hervorrufen, die zu einem Laserimpuls hoher Leistung führt. Jedoch ist eine zusätzliche Bedingung hierfür, daß die Mischung der beiden Gase innig und homogen erfolgt, bevor ein großer Anteil der Stickstoffmole küle entregt ist.The nitrogen molecules have three modes of excitation one thermal excitation, one rotary excitation and one Vibration excitation. When mixing the nitrogen and coal Dioxide molecules in the expansion chamber can only do that Vibration energy of nitrogen is retained and in Carbon dioxide can cause the occupation reversal that leads to a High power laser pulse results. However, an additional one Condition for this that the mixture of the two gases intimately and takes place homogeneously before a large proportion of the nitrogen moles cooler is de-energized.
Gemäß Fig. 1 umfaßt ein Gasstromlasergenerator ein zylin drisches Gehäuse 1, an dessen einem Ende eine Einspritz düse 2 mündet, die eine Anode bildet und über einen Wider stand R mit einem Spannungsgenerator G verbunden ist. Diese Einspritzdüse 2 weist einen axialen Kanal 3 auf, der mit ei ner schematisch dargestellten unter Druck stehenden Stickstoff quelle SN verbunden ist. Die Vorderseite dieser Düse ist mit einer Öffnung 4 Versehen, die sich zum Innern des Gehäuses 1 hin weitet. Am anderen Ende des Gehäuses 1 ist eine Mischvorrichtung 200 untergebracht, mit der Kohlendioxid und Helium mit Stickstoff vermischt werden. Diese Vorrichtung wird von einer Kohlendioxidgas- und Heliumquelle SC gespeist, die anhand der Fig. 2 und 3 noch genauer beschrieben wird. Die Vorrichtung ist elektrisch mit dem anderen Pol des Spannungsgenerators G ver bunden. Die Vorrichtung weist eine Anzahl von Einlaßöffnungen wie beispielsweise 202 auf, durch die der Stickstoff hindurch strömt.Referring to FIG. 1, a gas flow laser generator comprises a zylin drisches housing 1, at one end thereof, an injection nozzle 2 opens, which forms an anode and a counter-resistance R to a voltage generator G is connected. This injector 2 has an axial channel 3 , which is connected to egg ner schematically shown pressurized nitrogen source SN. The front of this nozzle is provided with an opening 4 which widens towards the inside of the housing 1 . At the other end of the housing 1 there is a mixing device 200 , with which carbon dioxide and helium are mixed with nitrogen. This device is fed by a carbon dioxide gas and helium source SC, which is described in more detail with reference to FIGS . 2 and 3. The device is electrically connected to the other pole of the voltage generator G. The device has a number of inlet openings, such as 202, through which the nitrogen flows.
Das Gehäuse 1 mündet über die Einlaßöffnungen 202 in eine Ausdehnungskammer 6, die mit zwei Spiegeln 7 und 8 bestückt ist, die einen optischen Resonator bilden; dabei ist der Spie gel 8 halb lichtdurchlässig, so daß er den Laserstrahl in Rich tung des Pfeils F durchläßt.The housing 1 opens via the inlet openings 202 into an expansion chamber 6 , which is equipped with two mirrors 7 and 8 , which form an optical resonator; the mirror 8 is semi-translucent so that it passes the laser beam in the direction of the arrow F.
Das breitere Ende der Ausdehnungskammer wird mit Hilfe von Ab leitungsmitteln unter einem sehr niedrigen Druck gehalten; diese Ableitungsmittel werden von Kanälen gebildet, über die die Aus dehnungskammer mit einem unter Vakuum stehenden Behälter SV in Verbindung steht, der schematisch dargestellt und so bemessen ist, daß der Druck in ihn während der gesamten Betriebsdauer des Lasergenerators praktisch Null bleibt.The wider end of the expansion chamber is created using Ab piping kept under a very low pressure; this Drainage means are formed by channels through which the off expansion chamber with a vacuum container SV in Connection stands, which is shown schematically and dimensioned so is that the pressure in it during the entire service life the laser generator remains practically zero.
Ein derartiger Generator arbeitet folgendermaßen:Such a generator works as follows:
Der unter Druck in den axialen Kanal 3 der Düse 2 eingeführte Stickstoff wird mit Überschallgeschwindigkeit durch die Öff nung 4 in das Gehäuse 1 eingeblasen. Aufgrund einer geeigne ten Auswahl der Parameter des Generators, beispielsweise der Länge und des Durchmessers des Gehäuses 1, der Geschwindig keit und des Stickstoffdurchsatzes in diesem Gehäuse und des Verhältnisses der Gesamtoberfläche der Einlaßöffnungen 202 zum Querschnitt des Gehäuses 1, entsteht für den Stickstoff im Gehäuse 1 eine Hauptwirbelströmung. Diese Strömung wird durch die voll ausgezogenen Pfeile 14 dargestellt. Sie sorgt für eine homogene Verteilung der elektrischen Entladung, die durch Unterspannungsetzen der Anode und der Vorrichtung 200 mit Hilfe des Generators G ausgelöst wird.The nitrogen introduced under pressure into the axial channel 3 of the nozzle 2 is blown into the housing 1 at supersonic speed through the opening 4 . Due to a suitable selection of the parameters of the generator, for example the length and diameter of the housing 1 , the speed and the nitrogen throughput in this housing and the ratio of the total surface area of the inlet openings 202 to the cross section of the housing 1 , arises for the nitrogen in the housing 1 a major vortex flow. This flow is shown by the fully drawn arrows 14 . It ensures a homogeneous distribution of the electrical discharge, which is triggered by energizing the anode and the device 200 with the aid of the generator G.
Ein durch die Hauptströmung mitgerissener Anteil des Stick stoffs strömt dann durch die Einlaßöffnungen 202 und bildet dabei eine durch die gestrichelt eingezeichneten Pfeile sym bolisierte Sekundärströmung, die das durch die Vorrichtung 200 eingeblasene Kohlendioxid und Helium mitreißt. Das Kohlendioxid wird dann wie oben beschrieben erregt und erzeugt einen in Richtung des Pfeils F austretenden Laserstrahl. A portion of the nitrogen which is entrained by the main flow then flows through the inlet openings 202 and thereby forms a secondary flow which is symbolized by the dashed arrows, which entrains the carbon dioxide and helium injected by the device 200 . The carbon dioxide is then excited as described above and generates a laser beam emerging in the direction of arrow F.
Gemäß den Fig. 2 und 3 umfaßt die Misch vorrichtung 200 eine in Strömungsrichtung gesehen vordere Platte 204 aus Messing, die 2 mm stark ist und mit einer Anzahl von kreisförmigen vorderen Einlaßöffnungen 202 ver sehen ist, deren Durchmesser 5 mm beträgt und die gemäß einem Netz aus Quadraten mit der Seitenlänge 6 mm angeord net sind.Referring to FIGS. 2 and 3, the mixing device 200, a seen in the flow direction of front plate 204 made of brass, which is 2 mm thick and is seen with a number of circular front inlet openings 202 ver, with a diameter of 5 mm and according to a network are made of squares with a side length of 6 mm.
Ferner umfaßt die Vorrichtung eine in Strömungsrichtung ge sehen rückwärtige Platte 206 aus Messing, die 3 mm stark parallel zur Platte 204 angeordnet und mit einer Anzahl von rückwärtigen Auslaßöffnungen 208 versehen ist, die den Ein laßöffnungen 202 gegenüberliegen. Der Zwischenraum zwischen den beiden Platten beträgt 5 mm.Furthermore, the device comprises a flow plate see back plate 206 made of brass, which is arranged 3 mm thick parallel to the plate 204 and is provided with a number of rear outlet openings 208 , which are opposite the inlet openings 202 . The space between the two plates is 5 mm.
Die vordere Platte 204 liegt auf der Seite des Gehäuses 1 und die rückwärtige Platte 206 auf der Seite der Ausdehnungs kammer 6.The front plate 204 is on the side of the housing 1 and the rear plate 206 on the side of the expansion chamber 6th
Die vorderen und rückwärtigen Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen werden durch ebenfalls aus Messing bestehende Übertragungs rohre 210 mit kreisförmigem Querschnitt miteinander verbun den, die mit ihren in Strömungsrichtung vorne liegenden En den hermetisch abschließend an die Ränder der Einlaßöffnun gen 202 angelötet sind. Die Länge dieser Rohre ist gleich dem Abstand zwischen der Vorderseite der vorderen Platte 204 und der Rückseite der rückwärtigen Platte 206; die Rohre stehen auf keiner der beiden Seiten der Vorrichtung 200 über. Ihre äußere Seitenfläche weist die Form eines Drehzylinders auf. Die Dicke ihrer Wandungen ist an den beiden Enden praktisch Null. Sie nimmt vom vorderen Ende eines Rohrs bis in eine Entfernung von 1,5 mm von diesem Eingang zu, um dann bis zum anderen Ende hin abzunehmen. The front and rear inlet and outlet openings are connected by likewise made of brass transmission tubes 210 with a circular cross-section, which are hermetically sealed to the edges of the inlet openings 202 with their front ends in the flow direction. The length of these tubes is equal to the distance between the front of the front plate 204 and the back of the rear plate 206 ; the tubes do not protrude on either side of the device 200 . Its outer side surface has the shape of a rotating cylinder. The thickness of its walls is practically zero at both ends. It increases from the front end of a pipe to a distance of 1.5 mm from this entrance and then decreases to the other end.
Der Innendurchmesser des Rohrs beträgt an der dicksten Stelle der Rohrwandung 2,5 mm. Auf diese Weise ergibt sich eine Düse durch die der Stickstoff mit Überschallgeschwindigkeit in die Kammer 6 eingeblasen werden kann.The inside diameter of the pipe is 2.5 mm at the thickest point of the pipe wall. This results in a nozzle through which the nitrogen can be blown into the chamber 6 at supersonic speed.
Die rückwärtige Platte weist darüber hinaus eine Anzahl von zwei Arten von Blasöffnungen auf.The back plate also has a number of two types of blow holes.
Eine erste Art von Blasöffnungen 212 besteht aus Einblas kronen, die um die Rohre 210 herum durch den peripheren Be reich der rückwärtigen Auslaßöffnungen 208 gebildet werden, deren Durchmesser 5,4 mm beträgt, während der zentrale Be reich dieser von den Rohren 210 eingenommenen Öffnungen le diglich einen Durchmesser von 5 mm aufweist.A first type of blow openings 212 consists of blowing crowns, which are formed around the tubes 210 through the peripheral region of the rear outlet openings 208 , the diameter of which is 5.4 mm, while the central region of these openings le occupied by the tubes 210 diglich has a diameter of 5 mm.
Eine zweite Art von Blasöffnungen wird aus zylindrischen Blas öffnungen 214 mit einem Durchmesser von 0,7 mm gebildet.A second type of blowing opening is formed from cylindrical blowing openings 214 with a diameter of 0.7 mm.
Jede Auslaßöffnung wird von vier Blasöffnungen 214 umgeben, die in 90° Abstand um die Achse der dazugehörigen Auslaßöff nung und in 45° Abstand von den Richtungen der Mittelpunkte der übrigen nächstgelegenen Auslaßöffnungen angeordnet sind. Diese Öffnungen 214 werden schräg eingebohrt, so daß der Ab stand der Achse einer jeden Öffnung von der Achse des nächst gelegenen Rohrs 210 auf der Vorderseite der rückwärtigen Platte 3,7 und auf der rückwärtigen Seite lediglich 3 mm beträgt. Daraus ergibt sich, daß der aus diesem Loch austretende Gas strahl praktisch bereits in Höhe der Auslaßöffnung den aus der Einblaskrone 212 kommenden ringförmigen Gasstrahl berührt und daß er auf den aus dem Rohr 210 austretenden Stickstoff- Gasstrahl geleitet wird.Each outlet opening is surrounded by four blowing openings 214 , which are arranged at a 90 ° distance around the axis of the associated outlet opening and at a 45 ° distance from the directions of the centers of the other nearest outlet openings. These openings 214 are drilled obliquely, so that the axis of each opening was from the axis of the nearest tube 210 on the front of the rear plate 3.7 and on the rear side is only 3 mm. It follows that the gas jet emerging from this hole practically touches the annular gas jet coming from the blowing crown 212 at the outlet opening and that it is directed onto the nitrogen gas jet emerging from the tube 210 .
Der Druck auf der Vorderseite, d. h. der Stickstoffdruck im Behälter 1 kann zwischen 0,1 und mehreren bar liegen, bei spielsweise bei 1 bar. The pressure on the front, ie the nitrogen pressure in the container 1 can be between 0.1 and several bar, for example at 1 bar.
Der Einblasdruck, d. h. der Druck der Kohlendioxid-Helium mischung im zwischen den Platten 204 und 206 befindlichen Raum kann zwischen 60% und 100% des auf der Vorderseite herrschenden Drucks betragen.The injection pressure, ie the pressure of the carbon dioxide-helium mixture in the space between the plates 204 and 206, can be between 60% and 100% of the pressure prevailing on the front.
Der rückwärtige Druck, d. h. der Druck in der Ausdehnungs kammer 6, kann etwa 10% des vorderseitigen Drucks aus machen. Unter diesen Bedingungen beträgt der hinter der rückwärtigen Platte notwendige Abstand zur Erreichung einer praktisch homogenen Mischung einige Zentimeter.The back pressure, ie the pressure in the expansion chamber 6 , can make up about 10% of the front pressure. Under these conditions, the distance behind the rear plate to achieve a practically homogeneous mixture is a few centimeters.
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