WO2000038826A1

WO2000038826A1 - Vorrichtung zum mischen zweier fluidkomponenten

Info

Publication number: WO2000038826A1
Application number: PCT/EP1999/009883
Authority: WO
Inventors: Dieter Wolf; Wilhelm Korsmeier
Original assignee: Ruhrgas Aktiengesellschaft
Priority date: 1998-12-24
Filing date: 1999-12-14
Publication date: 2000-07-06
Also published as: EP1140340B1; EP1140340A1; DE59906393D1

Abstract

Die Vorrichtung weist eine Kammer auf, die von horizontalen, parallel zueinander angeordneten Rohren (2) in einen unteren Raum (3) und einen oberen Raum (4) unterteilt ist. Benachbarte Rohre sind durch je einen Abstandshalter (5) miteinander verbunden. Der Abstandshalter weist erste Öffnungen (6) auf. Diese gestatten den Durchtritt der einen Fluidkomponente aus dem unteren Raum (3) in den oberen Raum (4). Benachbarte Rohre (2) weisen vom Abstandshalter (5) nach oben divergierende Wände (8) auf, die nahe dem Abstandshalter mit zweiten Öffnungen (9) versehen sind. Diese gestatten den Austritt der anderen Fluidkomponente aus den Rohren in den oberen Raum (4). Direkt oberhalb des Abstandshalters (5) treffen also drei Fluidströme aufeinander, was zu einer innigen Durchmischung führt. Es entsteht ein homogenes Gemisch, und zwar grossflächig über der gesamten, von den Rohren (2) definierten Fläche.

Description

VORRICHTUNG ZUM MISCHEN ZWEIER FLUIDKOMPONENTEN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen zweier Fluidkomponenten. Es kann sich um gasförmige oder flüssige Komponenten handeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gemisch sehr homogen und dabei großflächig zu erzeugen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Vorrichtung zum Mischen zweier Fluidkomponenten erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet,

daß eine Kammer vorgesehen ist, die durch eine Mehrzahl von im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Rohren in einen ersten und einen zweiten Raum unterteilt ist,

daß der erste Raum der Kammer an eine Zuführungseinrichtung für die eine Fluidkomponente angeschlossen ist,

daß die Rohre an eine Zuführungseinrichtung für die andere Fluidkomponente angeschlossen sind,

daß zwischen benachbarten Rohren mindestens ein Abstandshalter vorgesehen ist, der erste Öffnungen für den Durchtritt des einen Fluids aus dem ersten in den zweiten Raum der Kammer bildet, und

daß benachbarte Rohre zweite Öffnungen für den Austritt des anderen Fluids aus den Rohren in den zweiten Raum aufweisen,

wobei die ersten und die zweiten Öffnungen einander benachbart angeordnet sind.

Auf diese Weise entsteht ein Feld von reihenweise angeordneten Öffnungen, wobei jede Reihe ihrerseits aus drei Öffnungsreihen besteht, nämlich einer zentralen Reihe aus ersten Öffnungen und zwei flankierenden Reihen aus zweiten Öffnungen. Das Gemisch wird also auf der gesamten Fläche des Feldes gebildet, und zwar an jeder Stelle des Feldes mit gleicher Homogenität. Der Grad der Homogenität ist hoch, bedingt durch die Zuordnung der ersten zu den zweiten Öffnungen, nämlich der Flankierung einer zentralen Reihe durch zwei benachbarte äußere Reihen.

Die Vorrichtung eignet sich insbesondere zum Mischen zweier gasförmiger Komponenten. Dabei wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die gemeinsame Ebene der Rohre im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist, wobei der erste Raum der Kammer der untere und der zweite Raum der obere ist. Wesentliches Anwendungsgebiet sind Flächenbrenner, katalytische Reaktoren und dergleichen. Diese bilden die obere Abdeckung der Kammer und werden mit dem homogenen Gemisch großflächig beaufschlagt. Verwiesen sei beispielsweise auf katalytische Brenner, wie sie in der Brennstoffzellentechnik zur Anwendung kommen.

Besonders günstige Mischergebnisse werden erzielt, wenn die aus den zwischen benachbarten Rohren befindlichen drei Öffnungsreihen austretenden Fluidstrahlen einander kreuzen und sich gegenseitig verwirbeln. Die Verwirbelung kann noch dadurch gesteigert werden, daß man die Öffnungen in Rohrlängsrichtung gegeneinander versetzt.

Dabei können die Fluidkomponenten aus den Öffnungen ausgeblasen oder herausgesaugt werden.

Zwischen benachbarten Rohren können einzelne Abstandshalter-Elemente angeordnet werden, zwischen denen sich die ersten Öffnungen bilden. Vorteilhafter ist es, einen streifenförmigen Abstandshalter zu verwenden, der mit den ersten Öffnungen versehen ist. In jedem Falle empfiehlt es sich, letztere, wie auch die zweiten Öffnungen, schlitzförmig auszubilden. Die Abstandshalter stabilisieren die gesamte Rohrmatrix, so daß Wärmespannungen gleichmäßig über der Kammer verteilt werden.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die einander gegenüberliegenden Wände benachbarter Rohre eben ausgebildet sind und, ausgehend vom zugehörigen Abstandshalter, in den unteren Raum der Kammer hinein divergieren. Dies führt auf der Zuströmseite des Abstandshalters, d. h., auf der Zuströmseite der ersten Öffnungen zu einer düsenförmigen Gestaltung, in deren engstem Querschnitt die ersten Öffnungen angeordnet sind. Die Strömung der einen Fluidkomponente wird also beschleunigt. Direkt hinter dem engsten Querschnitt münden die in den Rohren ausgebildeten zweiten Öffnungen. Der Mischeffekt ist also optimal.

Die Anordnung wird so getroffen, daß die beiden Fluidkomponenten an der Mischstelle vorzugsweise zumindest angenähert gleiche Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen. Das Mischungsverhältnis wird eingestellt durch das Flächenverhältnis der ersten zu den zweiten Öffnungen, und zwar unter Berücksichtigung von Dichte und Temperatur der Fluidkomponenten.

Die oberhalb jedes Abstandshalters befindliche Mischzone wird dadurch optimiert, daß die einander gegenüberliegenden Wände benachbarter Rohre eben ausgebildet sind und, ausgehend vom zugehörigen Abstandshalter, in den oberen Raum der Kammer hinein divergieren.

Aus konstruktiven Gründen ist es vorteilhaft, den Querschnitt der Rohre im wesentlichen vier- oder sechseckig auszubilden.

Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen, und zwar im Zusammenhang mit einer Optimierung des Mischvorgangs durch entsprechende gegenseitige Zuordnung der Öffnungen.

Eine Weiterentwicklung besteht darin, daß die an die Rohre angeschlossene Zufuhreinrichtung als Vormischkammer ausgebildet ist, die mittels einer Wand, die eine Vielzahl von Austrittsöffnungen für Prallstrahlen aufweist, in einen ersten und einen zweiten Mischraum unterteilt ist, daß an den ersten Raum eine Zufuhrleitung für einen ersten Fluidstrom und an den zweiten Mischraum eine Zufuhrleitung für einen zweiten Fluidstrom angeschlossen ist und daß der zweite Mischraum eine an die Kammer angeschlossene Auslaßöffnung für das Fluidgemisch aufweist.

Vorzugsweise sind die Austrittsöffnungen als rohrförmigen Verlängerungen ausgebildet, die an ihrem Ende eine Prallplatte aufweisen. Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal der Erfindung ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer und die Kammer eine Baueinheit bilden und daß sich die Vormischkammer und deren Auslaßöffnung über die Länge der Kammer erstrecken.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Figur 2 eine Einzelheit aus Figur 1 in Vorderansicht;

Figur 3 eine Einzelheit aus Figur 1 in Draufsicht;

Figur 4 eine Vormischkammer in schematischer Darstellung.

Nach Figur 1 weist die Vorrichtung eine Kammer 1 auf, die von einer Mehrzahl von Rohren 2 in einen unteren Raum 3 und einen oberen Raum 4 unterteilt wird. In den unteren Raum 3 wird ein wasserstoffreiches Gas eingeleitet, welches aus einer Brennstoffzelle kommt. Die Rohre 2 werden mit einem Gemisch aus Luft und Rezir- kulationsgas der Brennstoffzelle beaufschlagt. Die Vorrichtung dient dazu, die beiden Fluidkomponenten Gas und Rezirkulationsgas homogen miteinander zu mischen, und zwar unter Erzeugung eines großflächigen Gemisches, welches einem Katalysatorbrenner zugeführt wird. Dieser bildet den oberen Abschluß der Kammer 1.

Figur 2 zeigt zwei benachbarte Rohre 2 in Vorderansicht. Die beiden Rohre sind durch einen Abstandshalter 5 miteinander verbunden. Der Abstandshalter 5 weist erste Öffnungen 6 auf .

Diejenigen Wände 7 der benachbarten Rohre 2, die sich vom Abstandshalter 5 aus nach unten erstrecken, divergieren in den unteren Raum 3 hinein. Es ergibt sich also eine düsenförmige Gestaltung, die das wasserstoffreiche Gas in Richtung auf den Abstandshalter 5 beschleunigt. Diejenigen Wände 8 der benachbarten Rohre 2, die sich vom Abstandshalter 5 aus nach oben erstrecken, divergieren in den oberen Raum 4 hinein. Sie bilden dadurch oberhalb des Abstandshalters 5 eine Mischzone. In dieser Mischzone münden zweite Öffnungen 9, die direkt benachbart zu den ersten Öffnungen 6 in den Wänden 8 der beiden benachbarten Rohre 2 ausgebildet sind. Es entstehen also drei Fluidströme, die sich an einer Mischstelle direkt oberhalb des Abstandshalters 5 kreuzen. Die Durchmischung ist entsprechend intensiv, so daß sich auf großer Fläche ein sehr homogenes Gemisch ergibt.

Figur 3 zeigt die Anordnung nach Figur 2 in Draufsicht. Die im Abstandshalter 5 ausgebildete Reihe der ersten Öffnungen 6 wird beidseitig von je einer Reihe der zweiten Öffnungen 9 flankiert. Sämtliche Öffnungen sind schlitzförmig ausgebildet. Außerdem sind die Öffnungen sämtlicher drei Öffnungsreihen in Rohrlängsrichtung gegeneinander versetzt. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß die zweiten Öffnungen 9 der einen äußeren Reihe die zweiten Öffnungen 9 der anderen äußeren Reihe überlappen, und zwar unter gleichzeitiger Überlappung der ersten Öffnungen 6 in der mittleren Reihe. Die Anordnung ist symmetrisch getroffen. Es wurde gefunden, daß auf diese Weise optimale Mischergebnisse erzielbar sind, und zwar über der gesamten Fläche der Kammer 1.

In Figur 4 ist eine Vormischkammer 10 schematisch dargestellt. Ein erster Mischraum 11 ist von einem zweiten Mischraum 12 durch eine Wand 13 getrennt. Dem erstem Mischraum 11 wird Luft über eine Luftzufuhrleitung 14 zugeführt. Der zweite Mischraum 12 ist über eine Rezirkulationsgas-Zufuhrleitung 15 mit der nicht dargestellten Brennstoffzelle verbunden.

Die Wand 13 weist eine Vielzahl von Austrittsöffnungen 16 in Form von rohrartigen Verlängerungen auf, die in Reihen neben- und hintereinander im wesentlichen über die gesamte Fläche der Vormischkammer 10 angeordnet sind. Die rohrartigen Verlängerungen 16 weisen an ihrem offenen Ende je eine Prallplatte 17 auf. Die Luft trifft senkrecht auf die Prallplatten und tritt in einem im wesentlichen rechten Winkel in den .zweiten Raum 12 ein, in dem sich das Rezirkulationsgas befindet. Auf diese Weise werden die beiden nicht brennbaren Gase homogen und großflächig miteinander gemischt. Die relativ kalte Frischluft wird dabei durch das Rezirkulationsgas, das eine Temperatur von etwa 650 °C aufweist, aufgewärmt. Die Lufttemperatur wird etwa auf die Betriebstemperatur des Katalysatorbrenners angehoben.

Die Vormischkammer weist eine Austrittsöffnung 18 auf, die auf nicht dargestellte Art und Weise an die in Fig. 1 dargestellte Kammer 1 angeschlossen ist.

Die Vormischkammer 10 und die Kammer 1 bilden eine Baueinheit. Die Vormischkammer 10 und deren Auslaßöffnung 18 erstrecken sich im wesentlichen über die Länge der Kammer 1. Damit wird das Gasgemisch aus der Vormischkammer sämtlichen Rohren 2 der Kammer 1 zugeführt.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglichkeiten gegeben. So können die Rohre, abweichend von der dargestellten sechseckigen Form, einen viereckigen Querschnitt aufweisen. Eine fünfeckige Form mit einer oberen Spitze und einem unteren horizontalen Abschluß ist gleichermaßen möglich. Anstelle schlitzförmiger Öffnungen kann mit kreisförmigen oder ovalen Öffnungen gearbeitet werden. Auch lassen sich unterschiedliche Öffnungsformen miteinander kombinieren. Der untere Raum kann sich durchgehend unterhalb der Rohrmatrix erstrecken oder in einzelne Abschnitte unterteilt sein, die in Rohrlängsrichtung verlaufen. Auch besteht die Möglichkeit, den oberen Raum 4 in Sektoren zu unterteilen, wobei allerdings das Merkmal der Großflächigkeit erhalten bleibt.

Die erzielbare Homogenität und Großflächigkeit des erzeugten Gemisches läßt sehr gleichmäßige Verbrennungsvorgänge und katalytische oder nicht-katalytische Reaktionen zu.

Bei Anwendung auf einen Flächenbrenner ist die im wesentlichen horizontale Ausrichtung der Kammer besonders vorteilhaft. Bei sonstigen Reaktionen kann die Orientierung der Kammer nach Bedarf geändert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Mischen zweier Fluidkomponenten, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Kammer (1 ) vorgesehen ist, die durch eine Mehrzahl von im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene im wesentlichen parallel zueinander ausgerichteten Rohren (2) in einen ersten (3) und einen zweiten Raum (4) unterteilt ist,

daß der erste Raum (3) der Kammer (1 ) an eine Zuführungseinrichtung für die eine Fluidkomponente angeschlossen ist,

daß die Rohre (2) an eine Zuführungseinrichtung für die andere Fluidkomponente angeschlossen sind,

daß zwischen benachbarten Rohren (2) mindestens ein Abstandshalter (5) vorgesehen ist, der erste Öffnungen (6) für den Durchtritt des einen Fluids aus dem ersten (3) in den zweiten Raum (4) der Kammer (1 ) bildet, und

daß benachbarte Rohre (2) zweite Öffnungen (9) für den Austritt des anderen Fluids aus den Rohren in den zweiten Raum (4) aufweisen,

wobei die ersten und die zweiten Öffnungen (6, 9) einander benachbart angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Ebene der Rohre (2) im wesentlichen horizontal ausgerichtet ist, wobei der erste Raum (3) der Kammer (1) der untere und der zweite Raum (4) der obere ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Öffnungen (9) benachbarter Rohre (2) sowohl relativ zueinander als auch relativ zu den zugehörigen ersten Öffnungen (6) geneigt angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Öffnungen (9) benachbarter Rohre (2) in Rohrlängsrichtung sowohl gegeneinander als auch gegen die zugehörigen ersten Öffnungen (6) versetzt angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzung der Öffnungen (6, 9) symmetrisch ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (6, 9) schlitzförmig ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Öffnungen (9) benachbarter Rohre (2) quer zur Rohrlängsrichtung sowohl einander als auch die zugehörigen ersten Öffnungen (6) überlappend angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Wände (7) benachbarter Rohre (2) eben ausgebildet sind, und, ausgehend von dem zugehörigen Abstandshalter (5), in den ersten Raum (3) der Kammer (1 ) hineindivergieren.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einander gegenüberliegenden Wände (8) benachbarter Rohre (2) eben ausgebildet sind und, ausgehend vom zugehörigen Abstandshalter (5), in den zweiten Raum (4) der Kammer (1 ) hineindivergieren.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2) einen im wesentlichen sechseckigen Querschnitt aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (2) einen im wesentlichen viereckigen Querschnitt aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die an die Rohre (2) angeschlossene Zufuhreinrichtung für eine Fluidkomponente als Vormischkammer (10) ausgebildet ist, die mittels einer Wand (13), die eine Vielzahl von Austrittsöffnungen (16) für Prallstrahlen aufweist, in einen ersten und einen zweiten Mischraum (11 , 12) unterteilt ist, daß an den ersten Mischraum (11 ) eine Zufuhrleitung (14) für einen ersten Fluidstrom und an den zweiten Mischraum (12) eine Zufuhrleitung (15) für einen zweiten Fluidstrom angeschlossen ist und daß der zweite Raum (12) eine Auslaßöffnung (18) für das Fluidgemisch aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnungen (16) als rohrförmigen Verlängerungen ausgebildet sind, die an ihrem Ende eine Prallplatte (17) aufweisen.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Vormischkammer (10) und die Kammer (1 ) eine Baueinheit bilden und daß sich die Vormischkammer und deren Auslaßöffnung (18) im wesentlichen über die Länge der Kammer (1 ) erstrecken.