EP2603312A1 - Verfahren und mischvorrichtung zum mischen von zwei fluiden sowie deren verwendung - Google Patents

Verfahren und mischvorrichtung zum mischen von zwei fluiden sowie deren verwendung

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EP2603312A1
EP2603312A1 EP11761485.9A EP11761485A EP2603312A1 EP 2603312 A1 EP2603312 A1 EP 2603312A1 EP 11761485 A EP11761485 A EP 11761485A EP 2603312 A1 EP2603312 A1 EP 2603312A1
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EP
European Patent Office
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fluid
flow
flow channel
mixing
pulsating
Prior art date
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Ceased
Application number
EP11761485.9A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christian Paschereit
Arnaud Lacarelle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Berlin
Original Assignee
Technische Universitaet Berlin
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Berlin filed Critical Technische Universitaet Berlin
Publication of EP2603312A1 publication Critical patent/EP2603312A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/313—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit
    • B01F25/3133—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced in the centre of the conduit characterised by the specific design of the injector
    • B01F25/31331—Perforated, multi-opening, with a plurality of holes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/30—Injector mixers
    • B01F25/31—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows
    • B01F25/314—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit
    • B01F25/3142—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit the conduit having a plurality of openings in the axial direction or in the circumferential direction
    • B01F25/31424—Injector mixers in conduits or tubes through which the main component flows wherein additional components are introduced at the circumference of the conduit the conduit having a plurality of openings in the axial direction or in the circumferential direction with a plurality of perforations aligned in a row perpendicular to the flow direction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/30—Micromixers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F35/00—Accessories for mixers; Auxiliary operations or auxiliary devices; Parts or details of general application
    • B01F35/71—Feed mechanisms
    • B01F35/717—Feed mechanisms characterised by the means for feeding the components to the mixer
    • B01F35/71755—Feed mechanisms characterised by the means for feeding the components to the mixer using means for feeding components in a pulsating or intermittent manner

Definitions

  • the invention relates to technologies in the field of mixing fluids, in particular a method and a mixing device for mixing two fluids and their use.
  • the object of the invention is to provide new technologies for the mixing of fluids, which improve the mixing process qualitatively and in terms of its variability for different applications.
  • the invention includes the idea of a method for mixing two fluids, the method comprising the following steps:
  • a mixing apparatus for mixing two fluids comprising:
  • a flow channel configured for a flow of a fluid
  • a passive microfluidic actuator device formed with a cavity structure, wherein the passive microfluidic actuator device is configured to self-induce by pulsing another fluid through the cavity structure to induce a pulsatile / oscillating injection current of the further fluid at a pulsation / oscillation frequency;
  • An injection device which is coupled to the output of the passive microfluidic actuator means and the flow channel and is configured for mixing the fluid and the further fluid to introduce the pulsating / oscillating injection current of the further fluid in the flow of fluid transverse to the flow direction of the fluid in the flow channel ,
  • the method and / or the mixing device can be used in various devices, in particular a gas combustion engine, a burner of a gas combustion engine, a T-mixer of the chemical industry or a chemical tubular reactor.
  • the process can be used in conjunction with liquids or gases.
  • use in conjunction with so-called NACA profiles can be provided.
  • NACA profiles are two-dimensional sections of aircraft wing airfoils developed by the National Advisory Committee for Aeronautics for wing design.
  • a passive microfluidic actuator device is used to self-inducing to provide a pulsating or oscillating injection flow of a fluid, which is then introduced as a pulsating / oscillating fluid flow in another fluid, which is transverse to the flow direction of the other fluid in a flow channel.
  • the microfluidic actuator device is passive in particular in the sense that a movement of elements of the actuator device for generating the pulsating / oscillating injection current is not provided. Rather, the formation of the pulsating / oscillating injection current is self-inducing in a cavity structure of the actuator device, which is flowed through by the admixed fluid.
  • the pulsation / oscillation of the injection current then takes place with a characteristic frequency. In this way, efficient mixing of the fluid from the injection stream into the other fluid flowing in the flow channel is achieved.
  • a Individual adaptation of the mixing process for different application situations is possible in particular in that the passive microfluidic actuator device is provided with a cavity structure suitable for the respective application, whereby the generation and provision of the pulsating / oscillating injection current is adapted to the desired application parameters.
  • the pulsation / oscillation frequency of the pulsating / oscillating injection stream of the further fluid corresponds to a characteristic frequency of the passive microfluidic actuator device.
  • These include in particular so-called acoustic resonance frequencies, which are usually independent of the mass flow through the actuator device. Furthermore, this includes frequencies that arise due to a fluid mechanical feedback, which can also be referred to as fluid mechanical frequencies.
  • the frequency at the outlet of the actuator device is then often dependent on the mass flow through the actuator device. There is then no constancy.
  • a preferred embodiment of the invention provides that the fluid in the flow channel flows around a flow channel element, on which the injection device is formed.
  • the flow channel element is provided with a fluidically optimized surface contour.
  • the additional fluid is introduced into the flow of the fluid via an arrangement of a plurality of outlet openings of the injection device, wherein the arrangement of the plurality of outlet openings extends substantially transversely to the flow direction of the fluid in the flow channel.
  • the plurality of outlet openings can be distributed in one embodiment over the entire channel width of the flow channel.
  • An advantageous embodiment of the invention provides that generates the pulsating / oscillating injection current with a high Pulsations- / Oszillationsfrequenz and is introduced into the flow of the fluid, wherein the pulsation / oscillation frequency in air is at least about 100 Hz, preferably at least about 250 Hz.
  • the frequency is fluid-dependent.
  • a development of the invention in this context provides that in the flow channel, a flow channel element is arranged, which is flowed around by the fluid and on which the injection device is formed.
  • the angle of the fluidic injection may have any angle relative to the fluid flowing around.
  • the cavity structure of the passive microfluidic actuator device is at least partially formed in the flow channel element.
  • the passive microfluidic actuator device is designed to passively self-regulate the pulsation / oscillation frequency of the pulsating / oscillating injection current as a function of the flow rate of the further fluid through the passive microfluidic actuator device.
  • the passive microfluidic actuator device is configured with its cavity structure such that, depending on the flow rate of the further fluid, different pulsation / oscillation frequencies can be set which correspond to a characteristic frequency of the passive microfluidic actuator device.
  • a preferred development of the invention provides that the injection device is formed with an arrangement of a plurality of outlet openings, wherein the arrangement of the plurality of outlet openings extends substantially transversely to the flow direction of the fluid in the flow channel.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a mixing device for mixing fluids
  • Fig. 2 is a schematic representation of a portion of the mixing device of Fig. 1 in cross section
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a passive microfluidic actuator device for generating a self-induced oscillating injection current
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a passive microfluidic actuator device for generating a self-induced pulsating injection current
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a mixing device for mixing fluids, in which a plurality of injection openings are arranged transversely to the flow channel, and
  • Fig. 7 is a schematic representation of a NACA profile.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a mixing device for mixing fluids, in which a first fluid flows along a flow channel 1 along a direction indicated by the arrow I.
  • a flow channel element 2 Arranged in the flow channel 1 is a flow channel element 2, on which a plurality of injection openings 3 of an injection device are formed, through which a second fluid is introduced transversely to the flow direction of the first fluid (see arrow II) as part of a mixing process.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a section of the mixing device from FIG. 1 along the line AA 'in FIG. 1. It emerges that the injection openings 3 are formed substantially evenly distributed along the circumference of the flow channel element 2, whereby substantially on all sides an application and mixing of the second fluid takes place transversely to the flow direction of the first fluid.
  • FIG. 3 shows a passive microfluidic actuator device for generating an oscillating injection current generated by it in a self-inducing manner.
  • the fluid to be admixed is via an inlet opening 30 in a cavity structure 31 of the microfluidic Actuator introduced, in which self-inducing an oscillating injection flow of the fluid is produced, which is discharged via a réelleöffhung 32.
  • the oscillation frequency of the output injection current corresponds to a resonance frequency of the cavity structure 31.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a further passive microfluidic actuator device for the self-induced generation of a pulsating injection current.
  • the fluid to be admixed Via an inlet opening 40, the fluid to be admixed is introduced into a cavity structure 41. Via an outlet opening 42, a self-induced pulsating injection current is then emitted.
  • Micro fluidic cavity structures for self-induced generation of pulsating / oscillating flows of a fluid are known as such in various embodiments, be it based on the embodiments shown in FIGS. 3 and 4 or in another form (see, for example, Shakouchi, Jet and Wake Flow Control and their Practical Application, International Conf. On Jets, Wakes and Separated Flows, 2008).
  • FIG. 5 shows a schematic illustration with two so-called T-mixers, in which a first fluid flows along a respective channel flow 1 (into or out of the image plane). Transverse to the flow direction, an oscillating / pulsating injection current is introduced using a passive microfluidic actuator device 50, which is formed correspondingly to the embodiments in FIGS. 3 and 4, for example.
  • 6 shows a schematic representation of a mixing device for mixing fluids with a flow channel 1 and a passive microfluidic actuator device 60, in which a pulsating / oscillating injection stream of another fluid is generated in a self-induced manner, which then flows through an arrangement of several outlets 61 into the stream of the first fluid is injected.
  • Fig. 7 shows a schematic representation of a NACA profile 70, which is used for example in swirl burners. Actuators 71, 72 are installed on the rear profile 70 in order to improve the mixture.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Mischen von zwei Fluiden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Ausbilden eines Stromes eines Fluides entlang eines Strömungskanals (1), Bereitstellen eines pulsierenden/oszillierenden Injektionsstromes eines weiteren Fluides, indem das weitere Fluid durch eine Hohlraumstruktur einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung (2) geführt wird, deren Ausgang über eine Injektionseinrichtung an den Strömungskanal (1) koppelt und die konfiguriert ist, den pulsierenden/oszillierenden Injektionsstrom mit einer Pulsations- /Oszillationsfrequenz selbstinduzierend zu erzeugen, und Mischen des Fluides und des weiteren Fluides, indem der pulsierende/oszillierende Injektionsstrom des weiteren Fluides über die Injektionseinrichtung in den Strom des Fluides quer zur Strömungsrichtung des Fluides in dem Strömungskanal (1) eingebracht wird. Weiterhin ist eine Vorrichtung und die Verwendung des Verfahrens vorgesehen.

Description

Verfahren und Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden
sowie deren Verwendung
Die Erfindung betrifft Technologien auf dem Gebiet des Mischens von Fluiden, insbesondere ein Verfahren und eine Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden sowie deren Verwendung.
Hintergrund der Erfindung Das Mischen von zwei oder mehreren Fluiden ist Bestandteil von Prozessen auf verschiedenen Technologiegebieten. Beispielsweise sind Fluide in Verbrennungsmaschinen vor dem eigentlichen Verbrennen zu mischen.
Bei dem Mischprozess der Fluide besteht häufig die Situation, dass eines der zu mischenden Fluide entlang eines Strömungskanals strömt und ein weiteres der zu mischenden Fluide in diesen Strom eingebracht wird. Von einem sogenannten „cross mixing"-Prozess wird gesprochen, wenn ein Fluid entlang des Strömungskanals strömt und ein weiteres hiermit zu mischendes Fluid quer zur Strömungsrichtung des Fluids in den Strömungskanal eingebracht wird. Von einem„co-flow mixing" Process wird gesprochen, wenn beide Fluids in die gleiche Richtung eingebracht werden. Ein beliebieger Winkel zwischen Strömungskanal und Eindüsungssrichtung des zu mischenden Fluids kann aber auch erzeugt werden. Das Einbringen des weiteren Fluids erfolgt mit Hilfe einer Injektionseinrichtung, mit der das weitere Fluid in den Strömungskanal eingeführt wird. Es wurden Untersuchungen zur Optimierung der geometrischen Ausbildung von Injektionseinrichtungen durchgeführt (vgl. zum Beispiel Holdeman et al, Mixing in a Row of Jets with a Confined Crossflow, AIAA Journal, 1977, 15, 243-249; Liscinsky et al, Experimental Investigation of Crossflow Jet Mixing in a Rectangular Duct, AIAA Paper 93-20037, 1993; Liscinsky et al, Crossflow Mixing of Noncircular jets, AIAA Paper 95-0732, 1995). Zur Verbesserung des Mischprozesses wurden sogenannte aktive Steuerungen vorgeschlagen. Es wurden Untersuchungen bezüglich der aktiven Steuerung einzelner Injektionsdüsen in Verbindung mit dem Cross-mixing durchgeführt (Johari et al., Penetration and mixing of fully modulated turbulent jets in crossflow, AIAA Journal, American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1999, 37, 842-850; Eroglu et al, Structure, penetration, and mixing of pulsed jets in crossflow, AIAA journal, 2001, 39, 417-423). Hierdurch wurde gezeigt, dass die aktive Betätigung einzelner Injektionsströme die Qualität des Mischprozesses verbessern kann. Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, neue Technologien für das Mischen von Fluiden anzugeben, die den Mischprozess qualitativ und hinsichtlich seiner Variabilität für verschiedene Anwendungszwecke verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Mischen von zwei Fluiden nach dem unabhängigen Anspruch 1 sowie eine Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden nach dem unabhängigen Anspruch 5 gelöst. Weiterhin ist die Verwendung des Verfahrens und / oder der Mischvorrichtung nach dem Anspruch 10 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
Die Erfindung umfasst den Gedanken eines Verfahrens zum Mischen von zwei Fluiden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Ausbilden eines Stromes eines Fluids entlang eines Strömungskanals,
- Bereitstellen eines pulsierenden / oszillierenden Injektionsstromes eines weiteren Fluids, indem das weitere Fluid durch eine Hohlraumstruktur einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung geführt wird, deren Ausgang über eine Injektionseinrichtung an den Strömungskanal koppelt und die konfiguriert ist, den pulsierenden / oszillierenden Injektionsstrom mit einer Pulsations- / Oszillationsfrequenz selbstinduzierend zu erzeugen, und
- Mischen des Fluids und des weiteren Fluids, indem der pulsierende / oszillierende Injektionsstrom des weiteren Fluids über die Injektionseinrichtung in den Strom des Fluids quer zur Strömungsrichtung des Fluids in dem Strömungskanal eingebracht wird. Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden geschaffen, mit:
- einem Strömungskanal, welcher konfiguriert ist für einen Strom eines Fluids, - einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung, die mit einer Hohlraumstruktur gebildet ist, wobei die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung konfiguriert ist, mittels Strömen eines weiteren Fluids durch die Hohlraumstruktur einen pulsierenden / oszillierenden Injektionsstrom des weiteren Fluids mit einer Pulsations- / Oszillationsfrequenz selbstinduzierend zu erzeugen, und
- einer Injektionseinrichtung, die an den Ausgang der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung und den Strömungskanal koppelt und konfiguriert ist, zum Mischen des Fluids und des weiteren Fluids den pulsierenden / oszillierenden Injektionsstrom des weiteren Fluids in den Strom des Fluids quer zur Strömungsrichtung des Fluids in dem Strömungskanal einzubringen.
Das Verfahren und / oder die Mischvorrichtung können in verschiedenen Vorrichtungen genutzt werden, insbesondere einer Gasverbrennungsmaschine, einem Brenner einer Gasverbrennungsmaschine, einem T-mixer der chemischen Industrie oder einem chemischen Rohrreaktor. Das Verfahren kann in Verbindung mit Flüssigkeiten oder Gasen eingesetzt werden. Auch eine Verwendung in Verbindung mit so genannten NACA-Profilen kann vorgesehen sein. NACA-Profile sind zweidimensionale Querschnitte von Tragflächenprofilen für Flugzeugtragflächen, die vom National Advisory Committee for Aeronautics für den Entwurf von Tragflächen entwickelt wurden.
Nach der Erfindung wird eine passive mikrofluidische Aktoreinrichtung genutzt, um selbst induzierend einen pulsierenden oder oszillierenden Injektionsstrom eines Fluids bereitzustellen, welches anschließend als pulsierender / oszillierender Fluidstrom in ein anderes Fluid eingebracht wird, was quer zur Strömungsrichtung des anderen Fluids in einem Strömungskanal erfolgt. Die mikrofluidische Aktoreinrichtung ist insbesondere in dem Sinne passiv, dass eine Bewegung von Elementen der Aktoreinrichtung zum Erzeugen des pulsierenden / oszillierenden Injektionsstromes nicht vorgesehen ist. Vielmehr erfolgt die Ausbildung des pulsierenden / oszillierenden Injektionsstroms selbstinduzierend in einer Hohlraumstruktur der Aktoreinrichtung, die von dem beizumischenden Fluid durchströmt wird. Die Pulsation / Oszillation des Injektionsstromes erfolgt dann mit einer charakteristischen Frequenz. Auf diese Weise wird ein effizientes Einmischen des Fluids aus dem Injektionsstrom in das in dem Strömungskanal fließende andere Fluid erreicht. Eine individuelle Anpassung des Mischprozesses für verschiedene Anwendungssituationen ist insbesondere dadurch möglich, dass die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung mit einer für den jeweiligen Anwendungsfall geeigneten Hohlraumstruktur bereitgestellt wird, wodurch die Erzeugung und die Bereitstellung des pulsierenden / oszillierenden Injektionsstromes an die gewünschten Anwendungsparameter angepasst ist.
Die Pulsations- / Oszillationsfrequenz des pulsierenden / oszillierenden Injektionsstrom des weiteren Fluids entspricht einer charakteristischen Frequenz der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung. Hierzu gehören insbesondere so genannte akustische Resonanzfrequenzen, die üblicherweise unabhängig vom Massenstrom durch die Aktoreinrichtung sind. Weiterhin gehören hierzu Frequenzen, die aufgrund eines fluidmechanischen Feedbacks entstehen, die auch als fluidmechanische Frequenzen bezeichnet werden können. Die Frequenz am Austritt der Aktoreinrichtung ist dann häufig abhängig vom Massenstrom durch die Aktor einrichtung. Es besteht dann keine Konstanz.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Fluid in dem Strömungskanal ein Strömungskanalelement umströmt, an welchem die Injektionseinrichtung gebildet ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass Ausgangsöffnungen der Injektionseinrichtung sich auf der Oberfläche des Strömungskanalelementes um dieses herum verteilen, sodass das weitere Fluid in den das Strömungskanalelement umströmenden Strom des Fluids noch effizienter eingebracht werden kann. In einer Ausgestaltung ist das Strömungskanalelement mit einer strömungstechnisch optimierten Oberflächenkontur versehen.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das weitere Fluid über eine Anordnung von mehreren Ausgangsöffnungen der Injektionseinrichtung in den Strom des Fluids eingebracht wird, wobei sich die Anordnung der mehreren Ausgangsöffnungen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluids in dem Strömungskanal erstreckt. Die mehren Ausgangsöffnungen können in einer Ausgestaltung über die gesamte Kanalbreite des Strömungskanals verteilt sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der pulsierende / oszillierende Injektionsstrom mit einer hohen Pulsations- / Oszillationsfrequenz erzeugt und in den Strom des Fluids eingebracht wird, wobei die Pulsations- / Oszillationsfrequenz in Luft wenigstens etwa 100 Hz, bevorzugt wenigstens etwa 250 Hz beträgt. Die Frequenz ist fluidabhängig.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausgestaltungen der Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden näher erläutert.
Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung in diesem Zusammenhang vor, dass in dem Strömungskanal ein Strömungskanalelement angeordnet ist, welches von dem Fluid umströmt wird und an welchem die Injektionseinrichtung gebildet ist. Der Winkel der fluidischen Eindüsung kann einen beliebigen Winkel relativ zu dem umströmenden Fluid haben.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Hohlraumstruktur der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung wenigstens teilweise in dem Strömungskanalelement gebildet ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung die Pulsations- / Oszillationsfrequenz des pulsierenden / oszillierenden Injektionsstromes in Abhängigkeit von der Durchflussmenge des weiteren Fluids durch die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung passiv selbst regulierend ausgeführt ist. Die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung ist mit ihrer Hohlraumstruktur so konfiguriert, dass sich in Abhängigkeit von der Durchflussmenge des weiteren Fluids verschiedene Pulsations- / Oszillationsfrequenzen einstellen können, die einer charakteristischen Frequenz der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung entsprechen.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Injektionseinrichtung mit einer Anordnung von mehreren Ausgangsöffnungen gebildet ist, wobei sich die Anordnung der mehreren Ausgangsöffnungen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluids in dem Strömungskanal erstreckt. Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung
Im Folgenden wir die Erfindung anhand von bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen unter Bezugsnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Mischvorrichtung zum Mischen von Fluiden, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Abschnitts der Mischvorrichtung aus Fig. 1 im Querschnitt,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung zum Erzeugen eines selbstinduzierten oszillierenden Injektionsstromes,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung zum Erzeugen eines selbstinduzierten pulsierenden Injektionsstromes,
Fig. 5 eine schematische Darstellung von zwei sogenannten T-Mischeinrichtungen,
Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Mischvorrichtung zum Mischen von Fluiden, bei der mehrere Injektionsöffnungen quer zum Strömungskanal angeordnet sind, und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines NACA-Profils.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Mischvorrichtung zum Mischen von Fluiden, bei der entlang eines Strömungskanals 1 ein erstes Fluid entlang einer mittels des Pfeils I gekennzeichneten Richtung strömt. In dem Strömungskanal 1 ist ein Strömungskanalelement 2 angeordnet, an dem mehrere Injektionsöffnungen 3 einer Injektionseinrichtung gebildet sind, durch die hindurch ein zweites Fluid quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids (vgl. Pfeil II) im Rahmen eines Mischprozesses eingebracht wird.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts der Mischvorrichtung aus Fig. 1 entlang der Linie AA' in Fig. 1. Es ergibt sich, dass die Injektionsöffnungen 3 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt entlang des Umfangs des Strömungskanalelementes 2 gebildet sind, wodurch im Wesentlichen allseitig ein Ausbringen und Einmischen des zweiten Fluids quer zur Strömungsrichtung des ersten Fluids erfolgt.
Fig. 3 zeigt eine passive mikrofluidische Aktoreinrichtung zum Erzeugen eines hierin selbstinduzierend erzeugten oszillierenden Injektionsstromes. Das einzumischende Fluid wird über eine Eingangsöffnung 30 in eine Hohlraumstruktur 31 der mikrofluidischen Aktoreinrichtung eingebracht, in welcher selbstinduzierend ein oszillierender Injektionsstrom des Fluids entsteht, der über eine Ausgangsöffhung 32 abgegeben wird. Die Oszillationsfrequenz des abgegebenen Injektionsstromes entspricht einer Resonanzfrequenz der Hohlraumstruktur 31.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung zum selbstinduzierten Erzeugen eines pulsierenden Injektionsstromes. Über eine Eingangsöffnung 40 wird das einzumischende Fluid in eine Hohlraumstruktur 41 eingebracht. Über eine Ausgangsöffnung 42 wird dann ein selbstinduzierter pulsierender Injektionsstrom abgegebenen.
Mikro fluidische Hohlraumstrukturen zum selbstinduzierten Erzeugen pulsierender / oszillierender Ströme eines Fluids sind als solche in verschiedenen Ausführungen bekannt, sei es in Anlehnung an die in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausgestaltungen oder in anderer Form (vgl. zum Beispiel Shakouchi, Jet and Wake Flow Control and their Practical Application, Int. Conf. on Jets, Wakes and Separated Flows, 2008).
Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung mit zwei sogenannten T-Mischern, bei denen entlang eines jeweiligen Kanalstromes 1 ein erstes Fluid strömt (in die Bildebene hinein oder aus dieser heraus). Quer zur Strömungsrichtung wird unter Verwendung einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung 50, die beispielsweise den Ausführungen in den Fig. 3 und 4 entsprechend gebildet ist, ein oszillierender / pulsierender Injektionsstrom eingebracht. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Mischvorrichtung zum Mischen von Fluiden mit einem Strömungskanal 1 sowie einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung 60, in welcher ein pulsierender / oszillierender Injektionsstrom eines weiteren Fluids selbstinduziert erzeugt wird, der dann über eine Anordnung von mehreren Ausgängen 61 in den Strom des ersten Fluids injiziert wird. Die mehreren Ausgänge 61 der Injektionseinrichtung verteilen sich im gezeigten Beispiel über die gesamte Strömungskanalbreite. Eine Oszillation in der Ebene der Strömungsrichtung kann berücksichtigt werden, um eine bessere Verteilung über die Höhe des Kanals zu erzielen. Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines NACA-Profils 70, das zum Beispiel in Drallbrennern eingesetzt wird. An dem Nach- Profil 70 sind Aktoreinrichtungen 71 , 72 eingebaut, um die Mischung zu verbessern.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.

Claims

Ansprüche
Verfahren zum Mischen von zwei Fluiden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- Ausbilden eines Stromes eines Fluides entlang eines Strömungskanals (1),
- Bereitstellen eines pulsierenden / oszillierenden Injektionsstromes eines weiteren Fluides, indem das weitere Fluid durch eine Hohlraumstruktur einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung (2) geführt wird, deren Ausgang über eine Injektionseinrichtung an den Strömungskanal (1) koppelt und die konfiguriert ist, den pulsierenden / oszillierenden Injektionsstrom mit einer Pulsations- / Oszillationsfrequenz selbstinduzierend zu erzeugen, und
- Mischen des Fluides und des weiteren Fluides, indem der pulsierende / oszillierende Injektionsstrom des weiteren Fluides über die Injektionseinrichtung in den Strom des Fluides quer zur Strömungsrichtung des Fluides in dem Strömungskanal (1) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid in dem Strömungskanal (1) ein Strömungskanalelement (3) umströmt, an welchem die Injektionseinrichtung gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Fluid über eine Anordnung von mehreren Ausgangsöffnungen der Injektionseinrichtung in den Strom des Fluides eingebracht wird, wobei sich die Anordnung der mehreren Ausgangsöffnungen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluides in dem Strömungskanal (1) erstreckt.
Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der pulsierende / oszillierende Injektionsstrom mit einer hohen Pulsations- / Oszillationsfrequenz erzeugt und in den Strom des Fluides eingebracht wird, wobei die Pulsations- / Oszillationsfrequenz in Luft wenigstens etwa 100 Hz, bevorzugt wenigstens etwa 250 Hz beträgt. Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden, mit:
- einem Strömungskanal (1), welcher konfiguriert ist für einen Strom eines Fluides,
- einer passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung (2), die mit einer Hohlraumstruktur gebildet ist, wobei die passive mikro fluidische Aktoreinrichtung konfiguriert ist, mittels Strömen eines weiteren Fluides durch die Hohlraumstruktur einen pulsierenden / oszillierenden Injektionsstrom des weiteren Fluides mit einer Pulsations- / Oszillationsfrequenz selbstinduzierend zu erzeugen, und
- einer Injektionseinrichtung (3), die an den Ausgang der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung (2) und den Strömungskanal (1) koppelt und konfiguriert ist, zum Mischen des Fluides und des weiteren Fluides den pulsierenden / oszillierenden Injektionsstrom des weiteren Fluides in den Strom des Fluides quer zur Strömungsrichtung des Fluides in dem Strömungskanal (1) einzubringen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Strömungskanal (1) ein Strömungskanalelement (3) angeordnet ist, welches von dem Fluid umströmt wird und an welchem die Injektionseinrichtung (3) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlraumstruktur der passiven mikrofluidischen Aktoreinrichtung (2) wenigstens teilweise in dem Strömungskanalelement (3) gebildet ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung die Pulsations- / Oszillationsfrequenz des pulsierenden / oszillierenden Injektionsstromes in Abhängigkeit von der Durchflussmenge des weiteren Fluides durch die passive mikrofluidische Aktoreinrichtung (2) passiv selbst regulierend ausgeführt ist.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Injektionseinrichtung mit einer Anordnung von mehreren Ausgangsöffnungen gebildet ist, wobei sich die Anordnung der mehreren Ausgangsöffnungen im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung des Fluides in dem Strömungskanal (1) erstreckt. Verwendung eines Verfahrens zum Mischen von zwei Fluiden nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4 und / oder einer Mischvorrichtung zum Mischen von zwei Fluiden nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9 in einer Vorrichtung aus der folgenden Gruppe von Vorrichtungen: Gasverbrennungsmaschine, Brenner einer Gasverbrennungsmaschine, T-mixer der chemischen Industrie oder chemischer Rohrreaktor.
EP11761485.9A 2010-06-22 2011-06-20 Verfahren und mischvorrichtung zum mischen von zwei fluiden sowie deren verwendung Ceased EP2603312A1 (de)

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