DE3940035C2 - Vorrichtung zur Mischung zweier reaktiver Gaskomponenten in einer Chemoluminiszenz-Detektions-Einrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Bei einer aus der DE-OS 22 03 400 bekannten Vorrichtung der angegebenen Art ist eine Reaktionszelle mit einer für die Chemoluminiszenzstrahlung durchlässigen Wand vorgesehen. Das in die Reaktionszelle hineinragende Injektorrohr weist an seinem Ende ein Düsenmundstück mit einer Ausströmdüse auf, die in geringem Abstand von der für die Strahlung durchlässigen Wand angeordnet ist. Im Innern des Injektor­ rohrs befindet sich eine innere Zuführleitung mit einer Düse, die das Düsenmundstück zur Bildung einer Mischkammer umschließt. Bei dieser Einrichtung treffen die durch die innere Zuführleitung und den Ringkanal zwischen der inneren Zuführleitung und dem Injektorrohr zugeführten Gase in der Mischkammer des Düsenmundstücks aufeinander. Die beiden Gasströme sind hierbei gleichgerichtet, so daß die Strö­ mungskräfte nur in geringem Maße zur Durchmischung der bei­ den Gaskomponenten beitragen können.

Aus der DE-PS 972 123 ist eine Vorrichtung zum Mischen und Umwälzen von Medien in flüssiger oder fester, amorpher oder kristalliner Form in einer Flüssigkeit, insbesondere zur Wasseraufbereitung bekannt. Die Vorrichtung weist einen sich trichterförmig nach oben erweiternden Reaktor auf, dem durch eine Öffnung im Boden ein Flüssigkeitsstrom zugeführt wird, wobei zwei oder mehr in der Öffnung angeordnete Leit­ wendeln einen Drallstrom erzeugen. Im Zentrum der Leitwen­ deln befindet sich eine Zuleitung mit einer Triebdüse, die einen in den Drallstrom führenden Treibstrom erzeugt, falls dies erforderlich ist, z. B. bei Minderlast, um ein Verstop­ fen des Reaktortrichters zu verhindern.

Es ist weiterhin aus der DE-PS 508 590 ein Brenner für Koh­ lenstaubfeuerungen bekannt, bei welchem dem durch ein äußeres Ringrohr strömenden Kohlenstaubgemisch und der durch ein Kernrohr zugeführten Sekundärluft durch Leitspi­ ralen eine gegenläufige Drehung um die Brennerachse verlie­ hen wird. Hierdurch soll beim Austreten aus dem Brenner eine innige Durchwirbelung und Zerstäubung des Brennguts und eine sofortige, restlose Verbrennung des Kohlenstaubs erzielt werden, wobei durch die beim Eintritt in die Verbren­ nungszone durch Erwärmung bewirkte starke Volumenvergröße­ rung der Sekundärluft das zugeführte Kohlenstaubluftgemisch auseinandergeschleudert wird, so daß eine Verteilung über die gesamte Verbrennungszone eintritt.

Aus US 3 528 779 ist bekannt, in einen kugel­ förmigen Reaktorraum die beiden reaktiven Gas­ komponenten mit zueinander orthogonalen Strömungs­ richtungen einzuleiten. Zueinander windschiefe Strömungsrichtungen der reaktiven Gaskomponenten sind aus DE 26 16 792 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Vor­ richtung der eingangs genannten Art eine schnelle Durchmi­ schung der beiden reaktiven Gase zu ermöglichen und eine hohe, von der Eigendiffusion der Gase unabhängige Reakti­ onsgeschwindigkeit im Reaktor zu erreichen.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.

Bei der erfindungsgemäß Vorrichtung erfolgt die Mischung der Gaskomponenten durch Erzeugung eines Wirbels, der als ein sich länger haltendes dynamisches Strömungsgebilde die reaktiven Gaskomponenten schnell miteinander vereinigt und sich durchdringen läßt. Der Wirbel wird hierbei durch den Strömungskonzentrator konzentriert und seine Rotationsge­ schwindigkeit wird erhöht. Weiterhin trägt die unterschied­ liche Einströmrichtung der Gaskomponenten zu ihrer schnel­ len Mischung erheblich bei.

Weitere Einzelheiten der Erfindung und der erzielten Vorteile sind der folgenden Bechreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung zu entnehmen.

Dieses Ausführungsbeispiel wird anhand von drei Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Emissionsküvette.

Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung entsprechend der Schnittlinie II-II der Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Detail des Gaszuführungssystems der Küvette nach Fig. 1.

Die Emissionsküvette, ist wie eingangs dargelegt, als Reaktor 1 ausgebildet. Er ist mit einem Anschlußstutzen 2 versehen. Koaxial zum Anschlußstutzen ist ein Injektor­ rohr 3 angeordnet.

Innerhalb des Injektorrohrs ist eine Schnecke 4 unterge­ bracht. Die Schnecke umgibt das Kopfstück 5 eines Vollzy­ linders. Anschlußstutzen, Injektorrohr, Schnecke und Kopfstück sind koaxial zueinander angeordnet. Siehe hierzu auch Fig. 2. Die gemeinsame Achse ist mit 6 bezeichnet.

Fig. 2 zeigt, daß das Kopfstück 5 sieben geradlinige Kanäle 7 aufweist für die Zuführung einer ersten reaktiven Gaskomponente. Diese Kanäle sind verlaufen parallel zur Achse 6.

Die zweite reaktive Gaskomponente wird über sechs schraubenlinienförmige Kanäle 9, die sich an der äußeren Mantelfläche 8 der Schnecke 4 befinden, zugeführt.

Die Kanäle werden gebildet durch schraubenlinienförmige Ausneh­ mungen in der Schnecke, siehe Fig. 1, 2 und 3, und durch das Injektorrohr.

Der Schneckenkörper ist in einer Seitenansicht in Fig. 3 dargestellt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind wie aus Fig. 2 ersichtlich, sechs schraubenlinienförmige Kanäle 9 vorgesehen.

Das vordere Ende 10 des Injektorrohrs umfasst einen ring­ förmigen Konuskörper 11, der zu einer Verengung des Strömungsquerschnitts führt. Die engste Stelle hat den Durchmesser 12.

Die erste reaktive Gaskomponente wird durch die sieben geradlinigen Kanäle 7 innerhalb des Kopfstücks 5 in den Reaktorraum 13 geleitet. Der Gasstrom der ersten Gaskomponente wird vor Eintritt in die geradlinigen Kanäle 7 durch einen größeren, nicht dargestellten Strömungsquerschnitt geleitet. Durch die Verengung dieses größeren Strömungsquerschnitts auf die kleinere Summe der Strömungsquerschnitte der geradlinigen Kanäle 7 kommt es zu einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit in den geradlinigen Kanälen 7. Die geradlinigen Kanäle 7 sind axial so lang ausgebildet, daß es zu einer laminaren Strömung kommt.

Die zweite reaktive Gaskomponente wird über die schrauben­ linienförmigen Kanäle 9 der Schnecke in den Reaktorraum geleitet. Stromaufwärts vor dem Schneckenkörper steht für den Gasstrom der zweiten Gaskomponenten ein größerer Strömungsquerschnitt, der durch den Durchmesser 19 symbolisiert ist, zur Verfügung. Durch die Verengung dieses größeren Strömunsquerschnitts auf die kleinere Summe der Strömungsquerschnitte der schraubenlinienför­ migen Kanäle 9 kommt es zu eine Geschwindigkeitserhöhung der zweiten Gaskomponente in den schraubenlinienförmigen Kanälen 9.

Der Steigungswinkel und die Länge der schraubenlinienför­ migen Kanäle 9 sind so gewählt, daß die zweite Gaskomponente einen Drehimpuls erhält.

Durch den Konuskörper 11 wird der durch den Drehimpuls verursachte Wirbel in Hinsicht auf seinen Durchmesser eingeengt.

Aufgrund des Gesetzes der Drehimpulserhaltung erhöht sich dadurch die Rotationsgeschwindigkeit im Wirbel.

Während dieses Rotationsbeschleunigungsprozesses wird die erste reaktive Gaskomponente der zweiten reaktiven Gaskomponente zugemischt.

Daraus ergibt sich, daß sich in einem eng begrenzten Bereich die chemische Reaktion im freien Flug innerhalb des Reaktorraums 13, beziehungsweise der Kugelemissions­ küvette, abspielt.

Die Strömung prallt anschließend auf die Innenwand 20 des Reaktorraums 13. Dort wird sie umgelenkt und strömt mit der Restreaktion durch den ringförmigen Kanal 21 ab.

Die Strömungsrichtung der ersten Gaskomponente ist schematisch in Fig. 1 durch den Pfeil 14 dargestellt. Der Pfeil 15 bezeichnet die Strömungsrichtung der zweiten Gaskomponente bevor sie in die schraubenlinienförmigen Kanäle eintritt.

Die Austrittsrichtung der zweiten Komponente ist in Fig. 3 durch den Pfeil 16 dargestellt. Der Pfeil 17 bezeichnet die Austrittsrichtung der ersten Gaskomponente. Mit den Pfeilen 18 ist die Strömungsrichtung der ausströmenden Abgase bezeichnet.

Die Mischung der beiden reaktiven Gaskomponenten erfolgt wie dargestellt, im freien Flug durch die beiden Gasströ­ me, die orthogonale Geschwindigkeitskomponenten besitzen, und sich insgesamt in einer Wirbelbewegung, ähnlich einem Tornado, befinden. Da ein Wirbel wegen der Drehimpulserhaltung ein stabiles dynamisches Gebilde ist, bleiben die beiden reaktiven Gaskomponenten vereinigt.

Die Mischung erfolgt aufgrund der kinetischen Bedingungen der orthogonalen Komponenten und der sich daraus ergeben­ den turbulenten Mikroverhältnisse im Wirbel. Dadurch kommt es zu einer chemischen Reaktion aller Gasteile.

Eine besonders intensive Mischung der Gaskomponenten wird dadurch erreicht, daß zwei Schraubenlinien-Kanäle vorgesehen werden, die gegenläufige Drehrichtungen aufweisen und damit gegenläufige Drehimpulse bilden. Dabei muß darauf geachtet werden, daß der Drehimpuls des ersten Schraubenlinien-Kanals größer ist als der Drehimpuls des zweiten Schraubenlinien-Kanals, so daß ein resultierender Drehimpuls erhalten bleibt.

Zusätzlich zu den beiden soeben beschriebenen Schraubenlinien-Kanälen kann vorgesehen werden, daß mindestens ein Zuführungskanal in den Reaktor für eine Gaskomponente geradlinig ausgeführt ist (Geradlinien- Kanal).

Konstruktiv kann zur Bildung der beiden gegenläufigen Schraubenlinien-Kanäle eine Anordnung vorgesehen werden, bei der eine erste Schnecke mit größerem Durchmesser eine zweite Schnecke mit kleinerem Durchmesser umgibt, wobei beide Schnecken eine gemeinsame Achse haben.

Diese letztgenannte Bauweise kann dadurch ergänzt werden, daß innerhalb der inneren Schnecke ein Körper mit Geradlinien-Kanälen ebenfalls koaxial angeordnet ist.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur Mischung zweier reaktiver Gaskomponen­ ten in einer als Reaktor mit einem Reaktorraum ausgebildeten Emissionsküvette einer Chemoluminiszenz-Detektions-Einrichtung, wobei der Reaktor einen Anschlußstutzen aufweist, in dem ein Injektorrohr mit getrennten, ineinanderliegenden Kanä­ len zur Zuführung der Gaskomponenten koaxial angeordnet ist, wobei die Austrittsöffnung des Injektorrohrs einen Strömungskonzentrator aufweist und zwischen dem Injek­ torrohr und der Innenwand des Anschlußstutzens ein Ringkanal zur Abführung der Abgase gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mündungsbereich des einen Kanals (7) durch ein Kopfstück (5) gebildet ist, dessen durch ihn bewirkte Einströmrichtung auf das Zentrum des Reaktors (1) gerichtet ist, und daß im Mündungsbereich des ande­ ren Kanals eine das Kopfstück (5) umgebende Schnecke (4) mit schraubenlinienförmigen Kanälen (9) vorgesehen ist, deren Steigungswinkel und Länge so bemessen sind, daß die durch diese zugeführte Gaskomponente einen Drehimpuls erhält und daß der Strömungskonzentrator (11) sich an die reaktorseitige Mündung der schraubenlinienförmigen Kanäle (9) anschließt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfstück (5) als Vollzylinder ausgebildet ist, der mehrere geradlinige Kanäle (7) aufweist, die paral­ lel zur Achse (6) des Vollzylinders angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schnecke (4) aus einer zylin­ drischen Hülse besteht, in deren Mantelfläche schrau­ benlinienförmige Ausnehmungen vorgesehen sind, die gemeinsam mit dem Injektorrohr (3) die schraubenlinienförmigen Kanäle (9) bilden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskonzentrator durch einen ringförmigen Konus gebildet ist, der in das in den Reaktorraum (13) hineinragende Ende des Injek­ torrohrs (3) eingesetzt ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen der schrau­ benlinienförmigen Kanäle (9) in Richtung auf das Zen­ trum des Reaktors (1) in im Vergleich zu den Mündungen der geradlinigen Kanäle (7) des Kopfstücks (5) vorgeschobener Posi­ tion angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfstück im Bereich seiner Mantelfläche schraubenlinienförmige Kanäle aufweist und daß die schraubenlinienförmigen Kanäle des Kopfstücks und die schraubenlinienförmigen Kanäle der Schnecke gegenläu­ fige Drehrichtungen zur Erzeugung gegenläufiger Drehim­ pulse aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Kanälen der einen Drehrichtung erzeugte Drehimpuls größer ist als der von den Kanälen der gegenläu­ figen Drehrichtung erzeugte Drehimpuls, so daß ein resultierender Drehimpuls bei Mischung der Gaskomponen­ ten erhalten bleibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein weiterer Zuführkanal in den Reaktor geradlinig ausgeführt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (1) aus einem kugelförmigen Körper aus Glas besteht.