DE4238323A1

DE4238323A1 - Mischer für Gase und/oder Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE4238323A1
Application number: DE4238323A
Authority: DE
Inventors: Yau-Pin Dr Chyou; Jakob Prof Dr Keller
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: Alstom SA
Priority date: 1992-11-13
Filing date: 1992-11-13
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2012-11-14
Also published as: DE4238323C2

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung geht aus von einem Mischer für Gase und/oder Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

STAND DER TECHNIK

Es ist bekannt, daß eine der wirkungsvollsten Möglichkeiten zwei Gasströmungen oder Flüssigkeitsströmungen zu mischen darin besteht, zwei gegenrotierende unterkritische Wirbel zu erzeugen und zu einer Kollision zu bringen, wie dies in der EP-A1-0 193 029 beschrieben ist. Bei dieser Ausführung werden die Wirbel mittels speziellen Drallkörpern erzeugt, die so angeordnet sind, daß zwei stark verdrallte Strömungen mit entgegengesetztem Drehsinn entstehen. Diese Strömungen werden in einer Mischkammer möglichst frontal zur Kollision gebracht, so daß sich dieselben hinsichtlich ihres Dralls gegenseitig neutralisieren. Die Drallkörper sind in der Regel vergleichsweise aufwendig herzustellen.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Hier setzt die Erfindung ein. Die Erfindung, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, einen Mischer für Gase und/oder Flüssigkeiten zu schaffen, der einfach herzustellen ist, der einen hohen Wirkungsgrad aufweist und der für die Wirbelerzeugung keine separaten Drallkörper benötigt.

Insbesondere soll ein Mischer geschaffen werden, der für das Mischen des Brennstoffs mit der Verbrennungsluft beim oder vor dem Eintritt in die Brennkammer geeignet ist.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesent lichen darin zu sehen, daß dieser Mischer einfach für die verschiedensten zu mischenden Fluide ausgebildet werden kann. Es ist auch möglich, mit diesem Mischer Flüssigkeiten und Gase sehr intensiv miteinander zu vermischen, wie dies beispielsweise beim Vermischen von flüssigen Brennstoffen mit dem Verbrennungsgas im Bereich vor der Brennkammer einer Gasturbine erfolgt. Ferner ist es möglich, derartige Mischer auch für die innige Vermischung von Chemikalien, Nahrungs mittelkomponenten und dergleichen einzusetzen. Eine Ver schmutzung oder ein Zusetzen des Mischers kann, da keine Einbauten in der Wirbelkammer bei einer Revision den Zugang behindern, sehr einfach beseitigt werden.

Die weiteren Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung, ihre Weiterbildung und die damit erzielbaren Vorteile werden nachstehend anhand der Zeichnung, welche mehrere mögliche Ausführungsbeispiele darstellt, näher erläutert.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers,

Fig. 1a einen Schnitt durch die erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Hauptströmungen in einem entsprechend der Fig. 1 ausgebildeten, erfindungs gemäßen Mischer,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers,

Fig. 3a einen Schnitt durch die zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers,

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers,

Fig. 5 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 4,

Fig. 6 eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mischers, und

Fig. 7 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 6.

Bei allen Figuren sind gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Alle für das unmittelbare Verständ nis der Erfindung nicht erforderlichen Elemente sind nicht dargestellt.

WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines symmetrisch aufgebauten Mischers 1. Der Mischer 1 weist zwei Zuströmkanäle 2, 3 mit rechteckigem Querschnitt auf, durch die zwei oder mehrere ungemischte oder teilweise vorgemischte Gase oder Flüssigkeiten jeweils einer zylindrisch ausgebildeten Wirbelkammer 4, 5 zugeführt werden, wobei der Zuströmkanal 2 der Wirbelkammer 4 und der Zuströmkanal 3 der Wirbelkammer 5 zugeordnet ist. Die Wirbelkammern 4, 5 sind rotationssymmetrisch ausgebildet und weisen jeweils eine Mittelachse 6, 7 auf. Die Wirbelkammern 4, 5 sind zueinander spiegelbildlich angeordnet. Die Zuströmkanäle 2 und 3 münden tangential in die jeweilige Wirbelkammer 4 bzw. 5 ein, und zwar so, daß die Drehrichtung der in den spiegelbildlich zueinander ange ordneten Wirbelkammern 4, 5 sich ausbildenden Wirbel für einen Betrachter von außerhalb des Systems gleich ist. Zwischen den einander zugeordneten Wirbelkammern 4, 5 ist eine Mischkammer 8 vorgesehen, die mit den Wirbelkammern 4, 5 zusammenwirkt und in welcher die erzeugten Wirbel aufeinandertreffen. Die Mischkammer 8 geht über in eine Ausströmkammer 9, durch die das Gemisch abgeleitet wird.

Die Strömungsrichtung der Fluide in den Zuströmkanälen 2, 3 wird durch Pfeile 10, 11 angedeutet. Der gegabelte Pfeil 12 deutet das Ausströmen des Gemisches aus der Mischkammer 8 in die Ausströmkammer 9 und der Pfeil 13 das Ausströmen des beruhigten Gemisches aus der Ausströmkammer 9 zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise in einem chemischen Reaktor, an. Ein Pfeil 14a zeigt die Bewegungsrichtung des in der Wirbelkammer 4 entstandenen Wirbels in Richtung stromabwärts auf die Mischkammer 8 zu an. Bezogen auf diese durch den Pfeil 14a gezeigte Richtung rotiert der Wirbel im Uhrzeigersinn. Ein Pfeil 14b zeigt die Bewegungsrichtung des in der Wirbelkammer 5 entstandenen Wirbels in Richtung stromabwärts auf die Mischkammer 8 zu an. Bezogen auf diese durch den Pfeil 14b gezeigte Richtung rotiert der Wirbel im Gegenuhrzeigersinn. Derartige Wirbelpaare werden als gegenrotierend bezeichnet. In Fig. 1a ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie 1a-1a in Fig. 1 dargestellt. Dieser Schnitt durch die Wirbelkammer 5 zeigt schematisch die tangentiale Einmündung des Zuströmkanals 3 in dieselbe und ein Pfeil 15 deutet die Einströmungsrichtung des Fluids und die Drehrichtung des in dieser Kammer beginnenden Wirbels an. Der Wirbel in der Wirbelkammer 4 weist die gleiche Drehrichtung auf. Die beiden Zuströmkanäle 2, 3 können auch als ein gemeinsamer Kanal ausgeführt werden, wenn beispielsweise große Mengen eines grob vorgemischten Fluids, welches in diesem Mischer noch inniger vermischt werden soll, durch diesen Kanal eingespeist werden.

Die Mittelachsen 6, 7 der Wirbelkammern 4, 5 sind hier mitein ander fluchtend dargestellt. Es ist jedoch möglich, diese beiden Mittelachsen 6, 7 in einem Winkel zueinander anzuord nen, dabei hat sich, in Abhängigkeit von der Konsistenz des Gemisches, ein Winkel im Bereich von 0 bis 30 Grad als zweckmäßig erwiesen. Die Mittelachsen 6, 7 können zudem auch in verschiedenen Ebenen liegen, wobei diese Ebenen entweder parallel zueinander liegen oder aber sich schneiden können.

Zudem kann es sich als zweckmäßig erweisen, ebenfalls abhängig von der Konsistenz des Gemisches bzw. seiner Kompo nenten, die Wirbelkammern 4, 5 verschieden groß auszubilden. Eine derartige Ausführung bedingt in der Regel auch ver schieden große Zuströmkanäle 2, 3. Ebenso können die Zuströmkanäle 2, 3 voneinander verschiedene Querschnitte oder auch voneinander verschiedene Querschnittformen aufweisen.

Es kann aber auch vorteilhaft sein, die Mischkammer mit min destens zwei Paaren einander spiegelbildlich zugeordneter Wirbelkammern zu versehen, um dadurch eine Verbesserung des Mischvorganges zu erreichen. Die Einführung der Zuströmkanäle 2, 3 kann daneben auch so erfolgen, daß die unterkritischen Wirbel nicht nur um die Mittelachsen 6, 7 der jeweiligen Wirbelkammern 4, 5 als Zentrum, sondern auch um eine von der jeweiligen Mittelachse abweichende Achse rotieren können.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Hauptströ mungen in einem entsprechend der Fig. 1 symmetrisch ausgebildeten, erfindungsgemäßen Mischer 1. Der Pfeil 10 gibt die Richtung des in dem Zuströmkanal 2 fließenden Fluidstroms 16 an, der nach dem Eintritt in die Wirbelkammer 4, umgelenkt wird und danach einen Wirbel 17 ausbildet, dessen Drehrichtung durch einen Pfeil 18 angegeben wird. Der Pfeil 11 gibt die Richtung des in dem Zuströmkanal 3 fließenden Fluidstroms 19 an, der nach dem Eintritt in die Wirbelkammer 5, wie dies der Pfeil 15 andeutet, umgelenkt wird und danach einen Wirbel 20 ausbildet, dessen Drehrichtung durch einen Pfeil 21 angegeben wird. Wie die Pfeile 18 und 21 zeigen, weisen die Wirbel 17 und 20 die gleichen Drehrichtungen auf. Die gegenrotierenden Wirbel 17 und 20 treffen in der Mischkammer 8 frontal aufeinander, wobei die eigentliche Mischung der Fluide erfolgt, und das so erzeugte Gemisch strömt in die Ausströmkammer 9 und aus dieser weiter, wie der Pfeil 13 andeutet. Die Zuströmkanäle 2, 3 und die Ausströmkammer 9 weisen hier jeweils einen rechteckigen Querschnitt auf, es sind jedoch durchaus auch andere Querschnittformen vorstellbar. Ferner ist es vorstellbar, daß sowohl die Zuströmkanäle 2, 3 als auch die Wirbelkammern 4, 5 und die Ausströmkammer 9 voneinander abweichende Querschnittsformen und Querschnittsflächen aufweisen.

Die Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungs gemäßen Mischers 1. Bei diesem Mischer 1 weisen die Wirbelkammern 4 und 5 kegelförmig ausgebildete Wände 22 auf. Die Mittelachsen 6, 7 der Wirbelkammern 4, 5 sind leicht gegeneinander geneigt, so daß sich die beiden Kegel an der Basis nur an einer Seite berühren. Der so entstandene Zwischenraum dient als Mischkammer 8, die sich zur Ausströmkammer 9 hin öffnet. Die Pfeile 10, 11, 12 und 13 geben die Richtung der strömenden Fluide an. Die Pfeile 14a und 14b geben die Strömungsrichtung der kegelförmig ausgebildeten, gegenrotierenden Wirbel zur Mischkammer 8 hin. Die kegelförmig ausgebildeten Wirbel ermöglichen einen besonders intensiven Mischvorgang in der Mischkammer 8. In Fig. 3a ist ein Schnitt entlang der Schnittlinie 3a-3a in Fig. 3 dargestellt. Dieser Schnitt durch die Wirbelkammer 5 zeigt schematisch die tangentiale Einmündung des Zuström kanals 3 in dieselbe und ein Pfeil 15 deutet die Einströ mungsrichtung des Fluids und die Drehrichtung des in dieser Kammer beginnenden Wirbels an.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird die Zeichnung, insbesondere die Fig. 1, Fig. 1a und Fig. 2 näher betrachtet. Die gegenrotierenden Wirbel 17 und 20 treffen in der Mischkammer 8 axial aufeinander, wodurch ein intensives Vermischen der einzelnen Komponenten der Fluide erfolgt. Nach einer Beruhigungsphase in der Ausströmkammer 9 strömt ein annähernd drallfreies Gemisch aus der Ausströmkammer 9 heraus.

Es ist für einen guten Mischvorgang nicht unbedingt erforder lich, daß die gegenrotierenden Wirbel axial oder annähernd axial aufeinander treffen. Eine weitere Ausführungsform eines Mischers 1 ist in Fig. 4 dargestellt, bei der die gegenrotierenden Wirbel in einer Wirbelkammer 4 annähernd parallel zueinander verlaufen und so aufeinander einwirken. Dieser Mischer 1 weist einen ersten kegelförmig ausgebildeten Zuströmkanal 2 auf, der sich stromabwärts ver jüngt. In dem Mantel des Kegels ist ein sich ebenfalls stromabwärts verjüngender Spalt vorgesehen, der in einen über die Länge des Zuströmkanals 2 erstreckten Kanal 25 übergeht. Der Kanal 25 verbindet den Zuströmkanal 2 mit der Wirbelkammer 4. In den Kanal 25 wird an einer Vielzahl von Stellen, wie durch den Pfeil 26 angedeutet, ein Fluid, beispielsweise Brennstoff, eingespritzt, welches durch das im Kanal 25 strömende Fluid, beispielsweise Ver brennungsluft, in die einbautenfreie Wirbelkammer 4 mitgerissen wird. In der Wirbelkammer 4 bilden sich gegenrotierende Wirbel aus, wodurch die einströmenden Komponenten innig miteinander vermischt werden. Dieser Mischer 1 weist zudem einen zweiten kegelförmig ausgebildeten Zuströmkanal 3 auf, der sich stromabwärts verjüngt. In dem Mantel des Kegels ist ein sich ebenfalls stromabwärts verjüngender Spalt vorgesehen, der in einen über die Länge des Zuströmkanals 3 erstreckten Kanal 27 übergeht. Der Kanal 27 verbindet den Zuströmkanal 3 mit der Wirbelkammer 4. In den Kanal 27 wird an einer Vielzahl von Stellen, wie durch die Pfeile 28 angedeutet, durch Rohre 29 ein Fluid, beispielsweise Brennstoff, eingespritzt, welches durch das im Kanal 27 strömende Fluid, beispielsweise Verbrennungsluft, in die Wirbelkammer 4 mitgerissen wird. In der Wirbelkammer 4 bilden sich gegenrotierende Wirbel aus, wodurch die einströmenden Komponenten innig miteinander ver mischt werden. Die Wirbelkammer 4 ist als Traggerüst für den Mischer 1 ausgelegt. Ein Pfeil 13 deutet die Richtung des ausströmenden Gemisches an. Im Bereich der Ausströmung kann bei Bedarf eine Ausströmkammer vorgesehen werden, um die Strömung etwas zu beruhigen, ehe das Gemisch in den nachge schalteten Brennraum eingespeist wird.

Die Fig. 5 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Mischer 1 entlang der Schnittlinie 5-5 in Fig. 4. Pfeile 30 und 31 zeigen den Anfang von Wirbeln und deuten deren Drehrichtung an, die durch das durch den Kanal 25 zusammen mit dem Brennstoff einströmende Fluid nach dem Anprall auf der gegenüber der Einströmung liegenden Wand der Wirbelkammer 4 hervorgerufen werden. Pfeile 32 und 33 zeigen den Anfang von Wirbeln und deuten deren Drehrichtung an, die durch das durch den Kanal 27 zusammen mit dem Brennstoff einströmende Fluid nach dem Anprall auf der gegenüber der Einströmung liegenden Wand der Wirbelkammer 4 hervorgerufen werden. Die Pfeile 31 und 33 deuten einen Wirbel an, der von beiden Einspeisungen her gemeinsam gespeist wird. Die hier auftretenden Wirbel sind zumindest teilweise parallel verlaufende gegenrotierende Wirbel.

Die Fig. 6 zeigt einen Mischer 1, der ähnlich dem Mischer gemäß Fig. 4 ausgebildet ist. Er weist ebenfalls kegelförmig ausgebildete Zuströmkanäle 2, 3 auf, die mit einer einbauten freien Wirbelkammer 4 zusammenwirken, nur sind hier die Kanäle 25, 27 kürzer ausgebildet, auch wird der Brennstoff nicht in diese Kanäle 25, 27 eingespeist, sondern direkt in die Wirbelkammer 4. Die Einspeisung erfolgt durch entlang einer Mittelachse der Wirbelkammer 4 angebrachte Rohre 29.

Die Fig. 7 zeigt schematisch einen Schnitt durch den Mischer 1 entlang der Schnittlinie 7-7 in Fig. 6. Pfeile 30 und 32 zeigen den Anfang von Wirbeln und deuten deren Drehrichtung an. Das durch den Kanal 25 einströmende Fluid prallt auf das gegenüber durch den Kanal 27 mit entgegengesetzter Strömungsrichtung einströmende Fluid, wodurch die Bildung gegenrotierender Wirbel initiiert wird. Genau in diese Aufprallzone hinein wird der Brennstoff eingespeist und wird von den Wirbeln mitgerissen, fein verteilt und mit dem Fluid vermischt.

Die Mischer gemäß den Fig. 4 und 6 können auch, wenn die Einspeisungen durch die Rohre 29 geschlossen werden, vor teilhaft zum Mischen zweier verschiedener Fluide eingesetzt werden, wenn ein erstes Fluid durch den Zuströmkanal 2 und ein zweites Fluid durch den Zuströmkanal 3 separat eingespeist wird.

Bezeichnungsliste

1 Mischer
2, 3 Zuströmkanal
4, 5 Wirbelkammer
6, 7 Mittelachse
8 Mischkammer
9 Ausströmkammer
10, 11, 12, 13 Pfeil
14a, 14b, 15 Pfeil
16 Fluidstrom
17 Wirbel
18 Pfeil
19 Fluidstrom
20 Wirbel
21 Pfeil
22 Wand
25 Kanal
26 Pfeil
27 Kanal
28 Pfeil
29 Rohr
30, 31, 32, 33 Pfeil

Claims

1. Mischer für Gase und/oder Flüssigkeiten mit mindestens zwei spiegelbildlich zueinander angeordneten, rotati onssymmetrisch zu einer Mittelachse (6, 7) ausgebildeten Wirbelkammern (4, 5), in welche jeweils mindestens ein Zuströmkanal (2, 3) einmündet, mit einer zwischen den Wirbelkammern (4, 5) angeordneten und mit diesen zusam menwirkenden Mischkammer (8), die in eine Ausström kammer (9) übergeht, dadurch gekennzeichnet,

- daß die mindestens zwei Wirbelkammern (4, 5) einbautenfrei ausgeführt sind,
- daß der mindestens eine Zuströmkanal (2, 3) tangential in die jeweilige Wirbelkammer (4, 5) einmündet, so daß ein durch ihn einströmendes Fluid einen unterkritischen Wirbel ausbildet, und
- daß die in den spiegelbildlich zueinander angeordneten Wirbelkammern (4, 5) entstandenen Wirbel gegenrotierend sind, wenn sie in der Mischkammer (8) aufeinandertreffen.

2. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Mittelachsen (6, 7) der spiegelbildlich zuein ander angeordneten Wirbelkammern (4, 5) sich unter einem Winkel schneiden, der im Bereich von 0 bis 30 Grad vorgesehen ist.

3. Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Wirbelkammern (4, 5) zylindrisch ausgebildet sind.

4. Mischer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Wirbelkammern (4, 5) kegelförmig ausgebildete Wände aufweisen.

5. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die einander spiegelbildlich zugeordneten Wirbel kammern (4, 5) voneinander verschiedene Abmessungen aufweisen.

6. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Mischkammer (8) mit mindestens zwei Paaren einander spiegelbildlich zugeordneter Wirbelkammern (4, 5) versehen ist.

7. Mischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

- daß die unterkritischen Wirbel um die Mittelachse (6, 7) der jeweiligen Wirbelkammer (4, 5) als Zentrum oder um eine von der Mittelachse (6, 7) abweichende Achse rotieren.

8. Mischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens zwei spiegelbildlich angeordnete Zuströmkanäle (2, 3) in eine einzige Wirbelkammer (4) einmünden.

9. Mischer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

- daß die mindestens zwei Zuströmkanäle (2, 3) kegel förmig ausgebildet sind, wobei sich die Kegel strom abwärts verjüngen.

10. Mischer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,

- daß zusätzlich ein flüssiges Medium entweder direkt in die Wirbelkammer (4) oder in einen, zwischen dem jeweiligen Zuströmkanal (2, 3) und der Wirbelkammer (4) angeordneten, Kanal (25, 27) eingespeist wird.