-
ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Anmeldung betrifft im Allgemeinen statische Fluidmischer
und insbesondere statische Mischer, die beim Erzeugen von Fluidmischwirbeln
von Nutzen sind. Die Anmeldung betrifft auch ein Verfahren zum Mischen
von Fluiden unter Benutzung solcher statischen Mischer.
-
Stand der
Technik
-
Statische
Mischer, die in Rohren oder anderen Kanälen angeordnet werden, werden
in vielen Anwendungen verwendet, um das Mischen eines oder mehrerer
Fluidströme
in den Kanälen
zu ermöglichen.
Zum Beispiel werden statische Mischer zum Bewirken einer homogene
Verteilung eines Gases oder fester Partikel innerhalb eines flüssigen Stroms, zum
Mischen von zwei oder mehr Gasen oder flüssigen Strömen und zum Mischen eines einzelnen
Fluidstroms benutzt, um eine einheitliche Verteilung der Temperatur,
Geschwindigkeit oder anderer Fluideigenschaften zu bewirken.
-
Bestimmte
Typen statischer Mischer, die als Wirbelstrommischer bekannt sind,
sind speziell dafür ausgelegt,
das Mischen durch Erzeugen von wirbelnden Fluidwirbelströmen zu bewirken.
Beispiele solcher Wirbelstrommischer werden in US-Patentschrift Nr.
4,307,697 an Ong, US-Patentschrift
Nr. 5,330,267 an Tauscher, US-Patentschrift Nr. 5,456,533 an Streiff
et al., US-Patentschrift Nr. 4,929,088 und 4,981,368 an Smith, US-Patentschrift Nr.
5,489,153 und US-Patentschrift Nr. 5,813,762 dargestellt. Ein anderes
Beispiel eines statischen Mischers wird in US-Patentschrift Nr.
5,758,967 an King dargestellt, in der eine stationäre Materialmischvorrichtung
offenbart wird, die mehrere Mischelemente aufweist, die dadurch
gekennzeichnet sind, dass sie senkrecht zu der Längsachse keine Ränder aufweisen.
Diese Mischelemente sind entlang eines Abschnitts der peripheren
Ränder
davon mit der inneren Fläche
des Kanals verbunden.
-
Es
ist im Allgemeinen wünschenswert,
dass ein Wirbelstrommischer sowohl einen kurzen Mischströmungsweg
als auch einen geringen Druckverlust unter mehreren unterschiedlichen
Strömungsbedingungen
und Fluidzusammensetzungen bereitstellt. Neben dem Erreichen einer
hohen Effizienz ist es ebenfalls wünschenswert, dass der Wirbelstrommischer
zur Vereinfachung der Herstellung und zur Reduzierung der Kosten
eine einfache, jedoch beständige
Konstruktion aufweist. Die oben genannten Wirbelstrommischer erfüllen diese
Aufgaben in unterschiedlichem Maße; der Bedarf an einem verbesserten
Wirbelstrommischer besteht weiterhin.
-
KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
-
Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen statischen Mischer bereitzustellen,
der dazu fähig
ist, eine hohe Mischeffizienz über
eine Bandbreite unterschiedlicher Fluidstromraten bereitzustellen,
so dass der Mischer in vielen verschiedenen Anwendungen benutzt
werden kann.
-
Es
ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen statischen Mischer bereitzustellen,
der eine hohe Mischeffizienz für
zwei oder mehr Substanzen wie Gas oder flüssige Ströme oder feste Partikel und
Fluidströme
bereitstellt, die in einem Kanal über eine große Bandbreite
von Verhältnissen
einer Substanz zu der anderen oder den anderen strömt, so dass
der Mischer in vielen verschiedenen Anwendungen nützlich ist.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen statischen Mischer
bereitzustellen, der einen hohen Mischgrad bereitstellt und gleichzeitig
nur einen relativ niedrigen Druckabfall bewirkt, so dass Energieverluste
innerhalb vorbestimmter Grenzen gehalten werden können.
-
Es
ist noch eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen statischen
Mischer bereitzustellen, der konstruiert ist, um die Ansammlung
von Fasern oder anderen festen Partikeln auf den Oberflächen der Mischer
zu verhindern, so dass die Möglichkeit
der Verstopfung des Kanals minimiert wird, wenn Fluide, die Fasern
oder feste Partikeln enthalten, durch den Kanal strömen.
-
Es
ist eine weitere Aufgabe dieser Erfindung, einen statischen Mischer
bereitzustellen, der eine einfache Konfiguration aufweist und der
aus einer minimalen Materialmenge gefertigt ist, so dass geringe Herstellungs-
und Fertigungskosten erreicht werden können.
-
Als
Folgesatz der vorhergehenden Aufgabe ist es noch eine weitere Aufgabe,
einen statischen Mischer bereitzustellen, der eine starke und stabile Bauweise
aufweist, so dass er dazu fähig
ist, Vibrationen und Fluidkräften
mit einem minimalen Ausfallrisiko standzuhalten.
-
Um
diese und andere die Erfindung betreffenden Aufgaben zu erfüllen, wird
ein statischer Mischer bereitgestellt, der in der bevorzugten Ausführungsform
nur zwei Ablenkplattenglieder benutzt, die innerhalb einer vorher
ausgewählten
Länge des Kanals
angeordnet werden, wobei ein Ablenkplattenglied an dem stromabwärts gelegenen
Ende und um etwa 90 Grad von dem anderen Ablenkplattenglied angeordnet
ist. Jedes Ablenkplattenglied ist derart konstruiert, dass ein Paar
gegenläufig
rotierende Wirbel erzeugt wird, die dazu fähig sind, sich über den
gesamten Querschnitt des Kanals zu verbreiten. Aufgrund der versetzten
Ablenkplattenglieder erzeugt der statische Mischer eine Mischverteilung
in zwei Hauptrichtungen über
den Querschnitt des Fluidstroms, was ferner zu einer homogenen Mischung entlang
einer relativ kurzen Länge
des Kanals mit einem minimalen Druckabfall beiträgt.
-
Insbesondere
in einem umfassenden Aspekt stellt die Erfindung einen statischen
Fluidmischer bereit, der einen lang gestreckten Fluidstromkanal
enthält,
der eine mittig angeordnete, in Längsrichtung verlaufende Achse
und eine innere, allgemein zylinderförmige Wand aufweist, die um
die Achse verläuft und
einen Strömungsweg
im Kanal umgrenzt, der entlang der mittigen Achse verläuft. Der
Mischer enthält
ebenfalls ein erstes lang gestrecktes, geneigtes Ablenkplattenglied,
das im Strömungsweg
an einer ersten Stelle im Kanal angeordnet ist, und ein zweites lang
gestrecktes, geneigtes Ablenkplattenglied, das im Strömungsweg
an einer zweiten Stelle im Kanal angeordnet ist. Die zweite Stelle
ist in Umfangsrichtung von der ersten Stelle versetzt und in Längsrichtung
des Kanals von der ersten Stelle beabstandet. Die Anordnung des
Ablenkplattengliedes ist derart, dass der Mischer keine zusätzlichen
Ablenkplattenglieder aufweist, die entweder in Umfangsrichtung oder
in Längsrichtung
mit entweder dem ersten Ablenkplattenglied oder dem zweiten Ablenkplattenglied
ausgerichtet sind.
-
In
einem weiteren umfassenden Aspekt stellt die Erfindung einen statischen
Fluidmischer bereit, der einen lang gestreckten Fluidstromkanal
enthält, der
eine mittig angeordnete, in Längsrichtung
verlaufende Achse und eine innere, allgemein zylinderförmige Wand
aufweist, die um die Achse verläuft
und einen Strömungsweg
im Kanal umgrenzt, der entlang der mittigen Achse verläuft. Der
Mischer umfasst ein erstes lang gestrecktes, geneigtes Ablenkplattenglied,
das im Strömungsweg
bei einer ersten Stelle im Kanal angeordnet ist. Das erste Ablenkplattenglied
weist die Form einer Platte auf, die ein stromauf wärts gelegenes
Ende, ein stromabwärts
gelegenes Ende und eine Längsachse
aufweist. Das stromaufwärts
gelegene Ende des ersten Ablenkplattenglieds ist von der Wand um
einen ersten Abstand radial beabstandet, der kleiner als ein Radius
des Kanals ist, und das stromabwärts
gelegene Ende des ersten Ablenkplattenglieds ist von dem Kanals
um einen zweiten Abstand radial beabstandet, der größer als
der erste Abstand ist.
-
Der
Mischer weist ferner ein zweites lang gestrecktes, geneigtes Ablenkplattenglied
auf, das in dem Fluidströmungsweg
bei einer zweiten Stelle in dem Kanal angeordnet ist. Das zweite
Ablenkplattenglied weist vorzugsweise ebenfalls die Form einer Platte
auf, die ein stromaufwärts
gelegenes Ende, ein stromabwärts
gelegenes Ende und eine Längsachse aufweist.
Das stromaufwärts
gelegene Ende des zweiten Ablenkplattenglieds ist von der Wand um
einen dritten Abstand radial beabstandet, der kleiner als der Radius
des Kanals ist, und das stromabwärts gelegene
Ende des ersten Ablenkplattenglieds ist von der Wand um einen vierten
Abstand radial beabstandet, der größer als der dritte Abstand
ist. Vorzugsweise sind der dritte und der vierte Abstand derart,
dass die Ablenkplattenglieder etwa 70 Prozent des Durchmessers des
Kanals überspannen.
Es wird ebenfalls bevorzugt, dass der erste und der dritte Abstand
etwa 4 Prozent des Durchmessers des Kanals umfassen. Die zweite
Stelle in dem Kanal ist vorzugsweise in Umfangsrichtung von der
ersten Stelle versetzt und in Längsrichtung
des Kanals um einen fünften
Abstand von der ersten Stelle beabstandet.
-
Der
Mischer kann für
jedes der Ablenkplattenglieder ebenfalls ein Befestigungselement
aufweisen. Vorzugsweise können
diese Befestigungselemente radial von dem Kanal zwischen einer stromabwärts gelegenen
Fläche
einer entsprechenden Ablenkplatte und der Wand verlaufen. Idealerweise
können
die Befestigungselemente jeweils in Form eines Glieds sein, das
einen Rand aufweist, der die Wand des Kanals entlang einer Linie
berührt,
die zu der mittigen Achse im Wesentlichen parallel ist. Alternativ kann
mindestens eines der Befestigungselemente die Form eines Einbringrohrs
aufweisen.
-
In
einer bevorzugten Form der Erfindung weisen die Ablenkplattenglieder
im Wesentlichen die gleiche Form auf, der erste und der dritte Abstand sind
im Wesentlichen gleich und der zweite und der vierte Abstand sind
im Wesentlichen gleich. Idealerweise können die Glieder Platten sein,
die eine trapezförmige
Form aufweisen. Idealerweise sind der erste und der dritte Abstand
groß genug,
um zu ermöglichen,
dass Anteile des Fluids, das durch den Kanal strömt, zwischen den stromaufwärts gelegenen
Enden der Ablenkplattenglieder und der Wand strömen.
-
In
einem noch anderen, bevorzugten Aspekt der Erfindung können die
stromabwärts
gelegenen Enden der Ablenkplattenglieder seitlich beabstandete Ecken
aufweisen, die zum Erzeugen gegenläufig rotierender Wirbel in
dem Fluid angeordnet sind, das durch den Kanal strömt. Diese
Anordnung ermöglicht das
gründliche
Mischen der Materialien, die durch den Kanal strömen.
-
In
einer anderen bevorzugten Form der Erfindung sollte der lang gestreckte
Abstand zwischen der ersten und der zweiten Stelle, an denen die
Ablenkplattenglieder angeordnet sind, im Bereich von etwa dem 2-
bis 10-fachen des Radius liegen. Idealerweise kann der langgestreckte
Abstand etwa 4 Mal größer als der Radius sein. Vorzugsweise können die Ablenkplattenglieder
in Umfangsrichtung etwa 90° voneinander
versetzt sein. Außerdem
kann gemäß eines
weiteren bevorzugten Aspekts der Erfindung eine Längsachse
jedes der Ablenkplattenglieder um einen Winkel im Bereich von etwa
20 bis etwa 60 Grad bezüglich
der Mittelachse des Kanals geneigt sein. Insbesondere können die
Längsachsen
der Ablenkplattenglieder sogar um einen Winkel im Bereich von etwa
30 bis etwa 50 Grad bezüglich
der Mittelachse des Kanals geneigt sein. Idealerweise können die
Längsachsen
der Ablenkplattenglieder jeweils um einen Winkel von etwa 35 Grad
bezüglich
der Mittelachse des Kanals geneigt sein. Gemäß eines weiteren bevorzugten
Aspekts der Erfindung können
die stromaufwärts
gelegenen Enden der Ablenkplattenglieder um einen Winkel von etwa
90 Grad bezüglich der
Achse geneigt sein.
-
Die
Ablenkplattenglieder können
im Idealfall Platten sein, die eine trapezförmige Form mit stromabwärts gelegenen
Enden aufweisen, die kleiner als die stromaufwärts gelegenen Enden sind. Gemäß der Prinzipien
und Konzepte der Erfindung können die
Ablenkplatten nur eine von vielen Formen und Konfigurationen aufweisen.
Das heißt,
die Glieder können
Platten sein, die in der quer verlaufenden Querschnittsform im Wesentlichen
ebenflächig
sind. Alternativ können
die Glieder in der quer verlaufenden Querschnittsform im Wesentlichen
nicht ebenflächig
sein, in der quer verlaufenden Querschnittsform im Wesentlichen
konkav sein, in der quer verlaufenden Querschnittsform im Wesentlichen
konvex sein oder in der quer verlaufenden Querschnittsform im Wesentlichen
V-förmig sein.
Die Ablenkplattenglieder können
ebenfalls einen hohlen, internen oder externen Durchgang aufweisen,
der einen Strömungsweg
zum Einführen
eines Additivs in einen Strom von Fluiden bereitstellt, die durch
den Kanal strömen.
Alternativ können
die Ablenkplattenglieder die Form von porösen und/oder löchrigen
Platten aufweisen.
-
Die
Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Mischen einer oder mehrerer
Fluidströme
bereit, umfassend das Bereitstellen eines statischen Fluidmischers
wie oben beschrieben und das Bewirken, dass ein oder mehrere Fluidströme entlang
des Fluidströmungsweges
strömen,
der von dem Kanal definiert wird. Die Erfindung stellt ebenfalls
ein Verfahren zum Mischen von festen Partikeln mit einem oder mehreren
Fluidströmen
bereit, umfassend das Bereitstellen eines statischen Mischers wie
oben beschrieben und das Bewirken, dass ein Strom fester Partikel
und ein oder mehrere Fluidströme
entlang des Fluidströmungsweges
strömen,
der von dem Kanal definiert wird.
-
KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine isometrische Ansicht, teilweise im Querschnitt, die die inneren
Komponenten eines statischen Mischers veranschaulicht, der die Prinzipien
und Konzepte der Erfindung verkörpert:
-
2 ist
eine Vorderansicht des statischen Mischers aus 1;
-
3 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 3-3 aus 2;
-
4 ist
eine Vorderansicht eines anderen statischen Mischers, der die Prinzipien
und Konzepte der Erfindung verkörpert,
jedoch mit einer anderen Konfiguration der Ablenkplatten als die
der Mischer aus 1, 2 und 3;
-
5 ist
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 5-5 aus 4;
-
6 ist
eine Vorderansicht, die ein löchriges
Ablenkplattenglied darstellt;
-
7 bis 14 sind
Ansichten, die verschiedene, nützliche
Konfigurationen der Ablenkplattenglieder darstellen, die Einbringrohre
und dergleichen aufweisen; und
-
15 bis 18 sind
Vorderansichten, die statische Mischer der Erfindung mit verschiedenen, alternativ
geformten Ablenkplattengliedern darstellen.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
Nun
mit detaillierterem Bezug auf die Zeichnungen und zunächst auf 1 bis 3 wird
ein statischer Fluidmischer, der die Konzepte und Prinzipien der
Erfindung verkörpert,
durch das Bezugszeichen 10 identifiziert. Der Mischer 10 umfasst
einen lang gestreckten Fluidstromkanal 12, der eine mittige angeordnete,
in Längsrichtung
verlaufende Achse 14 und eine innere, im Allgemeinen zylinderförmige Wand 16 aufweist,
die um die Achse 14 verläuft. Der Kanal 12 umgrenzt
darin einen Fluidströmungsweg 18.
Ein lang gestrecktes Ablenkplattenglied in Form einer Platte 20 wird
in dem Strömungsweg 18 bei
einer Stelle 22 an der Wand 16 angeordnet. Die
Platte 20 weist ein stromaufwärts gelegenes Ende 24,
ein stromabwärts
gelegenes Ende 26 und eine Längsachse 28 auf. Das
stromaufwärts
gelegene Ende ist von der Stelle 22 an der Wand 16 vorzugsweise
um einen Abstand D1 radial beabstandet. Wie aus den Zeichnungen
ersichtlich ist, ist der Abstand D1 im Allgemeinen kleiner als der
Radius des Kanals 12. Aus diesem Grund kann das Ende 24,
das die Wand 16 berührt,
mit angemessenen Ergebnissen angeordnet werden, wenn solch eine
Konfiguration gewünscht wird.
Da die Platte 20 über
den Strömungsweg 18 hervorsteht,
ist es klar, dass das stromabwärts
gelegene Ende 26 von der Stelle 22 um einen Abstand
D2 radial beabstandet ist, der größer als der Abstand D1 ist.
-
Ein
anderes lang gestrecktes, geneigtes Ablenkplattenglied in Form einer
Platte 30 wird in dem Strömungsweg 18 bei einer
Stelle 32 an der Wand 16 angeordnet. Die Platte 30 weist
ein stromaufwärts gelegenes
Ende 3, ein stromabwärts
gelegenes Ende 36 und eine Längsachse 38 auf. Das
stromaufwärts
gelegene Ende 34 ist von der Stelle 32 an der Wand 16 um
einen Abstand D3 ebenfalls radial beabstandet, der kleiner als der
Radius des Kanals 12 ist. Das stromabwärts gelegene Ende 36 ist
von der Stelle 32 um einen Abstand D4 beabstandet, der
größer als
der Abstand D3 ist. Wie aus 3 ersichtlich
ist, können
die Platten 20 und 30 vorzugsweise eine trapezförmige Form
aufweisen und die seitlichen Ausdehnungen der stromabwärts gelegenen
Enden 26 und 36 können vorzugsweise kleiner als
die entsprechenden seitlichen Ausdehnungen der stromaufwärts gelegenen
Enden 24 und 34 sein.
-
Wie
aus 2 ersichtlich ist, sind die Stellen 22 und 32 und
folglich die Ablenkplatten 20 und 30 voneinander
in Längsrichtung
des Kanals 12 um einen Abstand D5 beabstandet. Bezüglich 3 kann gesehen
werden, dass die Stellen 22 und 32 und folglich
die Ablenkplatten ebenfalls in Umfangsrichtung um die Achse 14 versetzt
sind, vorzugsweise um einen Winkel von etwa 90°; jedoch kann der gewünschte Versetzungswinkel
mehr oder weniger als 90° betragen
und empirisch bestimmt werden, je nach der Beschaffenheit des zu
mischenden Fluids. Der Abstand D5 zwischen den Stellen 22 und 32 kann
vorzugsweise im Bereich von etwa dem 2- bis 10-fachen des inneren
Radius des Kanals 12 liegen. Im Idealfall sollte der Abstand
D5 etwa 4 Mal größer als
der innere Radius des Kanals 12 sein.
-
Idealerweise
können
die Ablenkplatten 20 und 30 gemäß den Konzepten
und Prinzipien der Erfindung die gleiche Form aufweisen. Darüber hinaus können die
Abstände
D1 und D3 vorzugsweise etwa gleich groß sein, und die Abstände D2 und
D4 können
ebenfalls etwa gleich groß sein.
Die Abstände
D1 und D3 sollten vorzugsweise groß genug sein, um Anteile des
Fluids entlang des Strömungswegs 18 und
dadurch durch den Kanal 12 strömen zu lassen, um zwischen
den stromaufwärts
gelegenen Enden 24 und 34 und der Wand 16 hindurchzuströmen. Dies kann
verhindern, dass sich Wirbelströme
und tote Stellen hinter den Platten 20 und 30 entwickeln.
-
Die
Platten 20 und 30 weisen vorzugsweise eine Längsausdehnung
L auf, die lang genug ist, um 50 bis 75 Prozent des Durchmessers
des Kanals 12 zu überspannen.
Im Idealfall sollte diese Ausdehnung L derart sein, dass die Platten
etwa 70 Prozent des Durchmessers des Kanals 12 überspannen.
Darüber
hinaus können
die Platten 20 und 30 vorzugsweise um einen Winkel
im Bereich von etwa 20 bis 60 Grad bezüglich der Achse 14 geneigt
sein. Insbesondere kann sich dieser Neigungswinkel im Bereich von etwa
30 bis 50 Grad befinden. Idealerweise kann dieser Neigungswinkel
etwa 35 Grad betragen. Wie aus 3 und 4 ersichtlich
ist, können
die stromaufwärts
gelegenen Enden 24 und 34 der Platten 20 und 30 vorzugsweise
relativ gerade sein und selbige können seitlich in einem Winkel
von etwa 90 Grad bezüglich
der Achse 14 verlaufen.
-
Bezüglich insbesondere 1 bis 3 wird
ebenfalls bevorzugt, dass die stromabwärts gelegenen Enden 26 und 36 der
Platten 20 und 30 seitlich beabstandete Ecken 80 bereitstellen,
um gegenläufig
rotierende Wirbel (40) in dem Fluid zu erzeugen, das durch
den Kanal 12 entlang des Weges 18 strömt. Diese
Wirbel 40 wirken zusammen, um über die gesamte Ausdehnung
des Inneren des Kanals 12 ein gründliches Mischen der zu mischenden
Materialien zu gewährleisten.
-
Die
Ablenkplatten 20 und 30 können mit der Wand 16 durch
entsprechende Befestigungsstützen in
Form der Platten 60 und 62 verbunden werden, die zu
dem Kanal 12 zwischen der Wand 16 und den jeweiligen
stromabwärts
gelegenen Flächen 64 und 66 der
Platten 20 und 30 radial verlaufen. Wie dargestellt,
weisen die Platten 60 und 62 jeweilige Ränder 68 und 70 auf,
die die Wand 16 an einer Linie berühren, die in Längsrichtung
des Kanals 12 entlang des Strömungswegs 18 verläuft. Die
Stützen 60 und 62 umfassen
vorzugsweise flache Platten, die an der Kanalwand 16 und
den Flächen 64 und 66 der
Ablenkplattenglieder 20 und 30 durch Schweißen oder dergleichen
befestigt werden können.
Die Stützen 60 und 62 sind
ausgerichtet, um in der Richtung des Fluidstroms ein Profil aufzuweisen,
das so klein wie möglich
ist, und liegen vorzugsweise in einer Ebene, die zu der Richtung
des Fluidstroms parallel ist. Statt der direkten Befestigung der
Stützen 60 und 62 an der
Kanalwand 16 können
die Stützen
auch an einer Ringstruktur befestigt werden, die in den Kanal 16 eingesetzt
wird und wiederum an der Kanalwand durch Haftreibung oder andere
geeignete Mittel befestigt wird. Ein Vorteil einer solchen Ringstruktur
ist, dass sie leicht entfernt oder ersetzt werden kann und dass
sie benutzt werden kann, um einen vorhandenen Kanal schnell nachzurüsten. Der
Kanal 12, in dem die Ablenkplattenglieder 20 und 30 angeordnet sind,
kann ein Rohr, Leitung, Schlauch, Trog oder andere Vorrichtung zum
Tragen eines oder mehrerer Fluidströme sein. Der Kanal ist typischerweise
ein kreisförmiger
Querschnitt, kann stattdessen jedoch auch oval, quadratisch, rechteckig
sein oder eine andere vieleckige oder andere Form aufweisen. Der
Kanal kann ein Einbringrohr 85 (7 bis 14)
oder eine andere Vorrichtung zum Einführen einer oder mehrerer Fluide
oder Substanzen wie feste Partikel in den Hauptfluidstrom-Kanal
auf eine bekannte Weise und an einer bekannten Stelle aufweisen.
Das Einbringrohr 85 kann auch als Befestigungselement für ein oder
mehrere Ablenkplattenglieder benutzt werden, wie in 7 bis 10 dargestellt
ist.
-
Bezüglich 5 und 6 wird
eine andere Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Anordnung
im Wesentlichen die gleiche wie in der Ausführungsform aus 1, 2 und 3,
außer
dass die stromaufwärts
gelegenen Enden 46 und 48 der Ablenkplatten bogenförmig sind
und eine Konfiguration aufweisen, die im Allgemeinen der Krümmung der
Wand 16 entspricht. Dementsprechend sind zwischen der Wand 16 und den
bogenförmigen
Enden 46 und 48 bogenförmige Schlitze 50 und 52 angeordnet.
Wie auch oben beschrieben, sollten die Schlitze 50 und 52 groß genug sein,
um durch den Kanal 12 strömende Fluidanteile zwischen
den Enden 46 und 48 der Wand 16 durchströmen zu lassen.
Um diesen Zweck zu erfüllen, kann
die Breite der Schlitze 50 und 52 vorzugsweise und
im Idealfall etwa 4 Prozent des inneren Durchmessers des Kanals 12 betragen.
-
Obwohl
andere bekannte, statische Wirbelstrommischer bekannt sind, die
zwei oder mehr Ablenkplattenglieder an jeder der vielfachen Stellen
entlang der axialen Länge
des Kanals benutzen, zielt die vorliegende Erfindung auf die Benutzung
nur eines Ablenkplattengliedes an jeder der zwei Stellen ab, die um
einen vorher ausgewählten
Abstand in die Richtung des Fluidstroms in dem Kanal beabstandet
sind und um eine vorher ausgewählte
Gradzahl entlang der Kanalwand in Querschnittsrichtung versetzt
sind. Diese Anordnung der Ablenkplattenglieder ermöglicht eine
inhomogene Verteilung über
den gesamten Querschnitt des Kanals in eine erste Hauptmischrichtung,
wenn der Fluidstrom auf das erste Ablenkplattenglied trifft, gefolgt
von einer inhomogenen Verteilung über den gesamten Querschnitt
des Kanals in eine zweite Richtung, wenn der Fluidstrom auf das zweite
Ablenkplattenglied trifft. Durch Ausrichten der Ablenkplattenglieder
mit einer Versetzung von etwa 90 Grad werden die erste und die zweite
Hauptmischrichtung ähnlich
versetzt, so dass ein vollständigeres
und einheitlicheres Vermischen auftreten kann, was zu einer erhöhten Homogenität führt. Außerdem ermöglicht die
Benutzung nur eines einzigen Ablenkplattengliedes an jeder Stelle
ein einheitliches Mischen über
den gesamten Kanalquerschnitt durch Ermöglichen, dass sich die zwei
gegenläufig
rotierenden Wirbel, die von jedem Ablenkplattenglied erzeugt werden, über den
gesamten Querschnitt des Kanals ausdehnen. Die Benutzung von vielfachen
Ablenkplattengliedern an jeder Stelle kann auf der anderen Seite
aufgrund der Erzeugung vielfacher, störender Wirbel eine schlechte
Verteilung des Fluidstroms verursachen.
-
Einbringrohre,
die zum Einführen
oder Dosieren von Additiven wie Fluidströmen oder Substanzen benutzt
werden, werden vorzugsweise derart angeordnet, dass sie die gegenläufig rotierenden
Wirbel nicht stören,
die von den Ablenkplattengliedern gebildet werden. Einbringrohre
können
vorzugsweise stromaufwärts
von oder an dem stromaufwärts
gelegenen Ablenkplattenglied angeordnet werden, so dass die Additive stromaufwärts von
dem Ablenkplattenglied an einer oder mehreren Stellen entlang der stromaufwärts gelegenen
Fläche
des Ablenkplattengliedes oder sogar entlang der stromabwärts gelegenen
Fläche
des Ablenkplattengliedes eingeführt
werden, so dass ein Anteil des entlang des Strömungsweges strömenden Fluids
um die Außenseite
des Ablenkplattengliedes strömt.
In Anwendungen, in denen das additive Fluid und der Hauptfluidstrom
im Wesentlichen unterschiedliche Dichten aufweisen, kann es insbesondere
wünschenswert
sein, das additive Fluid an und entlang einer Fläche des Ablenkplattengliedes
zu dosieren, so dass die Fluide unmittelbar miteinander vermischt
werden, wodurch der Einfluss des Dichteunterschieds auf die Mischleistung
reduziert wird. Beispiele unterschiedlicher Dosierungsstrukturen,
die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden
können,
sind in 7 bis 14 dargestellt.
-
In
dieser letzten Hinsicht veranschaulicht 9 ein besonders
bevorzugtes Beispiel einer Dosierungsstruktur, die ein Einbringrohr 85 umfasst.
In 9 liegt das Einbringrohr 85 auf der stromabwärts gelegenen
Fläche 301 eines
Ablenkplattenglieds 300, das die Form einer Platte aufweist.
Das Einbringrohr 85 kann an der Fläche 301 durch Schweißen oder
dergleichen befestigt werden. Mit dieser Anordnung kann das Einbringrohr 85 ein
Befestigungselement für
die Ablenkplatte 300 bereitstellen. In 11 ist
das Einbringrohr 85 in der Ablenkplatte mittig angeordnet.
Die Struktur aus 12 ist der Struktur aus 11 ähnlich,
außer
dass das Einbringrohr 85 in diesem Fall einen halbrunden
Rohrabschnitt aufweist, der von der Ablenkplatte verschlossen wird.
Die Struktur aus 13 ist der Struktur aus 11 wieder ähnlich,
außer
dass in diesem Fall an den Rändern
der Ablenkplatte zwei Einbringrohre 85 enthalten sind.
In 14 ist die Struktur aus 11 mit
der Struktur aus 13 kombiniert.
-
Bezüglich 7 und 8 ist
das Ablenkplattenglied 350 hohl und stellt einen Kanal 351 für ein Fluid
bereit, das dadurch strömt.
Das Einbringrohr 85 wird in den Kanal 351 eingesetzt
und kann an dem Ablenkplattenglied 350 durch Schweißen oder
dergleichen befestigt werden. Wie aus 7 ersichtlich ist,
kann das Einbringrohr 85 wieder als ein Befestigungselement
zum Befestigen des Ablenkplattenglieds 350 an der Wand 16 dienen.
In 9 ist die Konstruktion der Struktur aus 7 und 8 ähnlich,
außer
dass in diesem Fall das Einbringrohr 85 an der stromabwärts gelegenen
Fläche
des Ablenkplattengliedes 350 befestigt ist.
-
Das
Ablenkplattenglied 500, das in 6 dargestellt
ist, ist den Ablenkplatten 20 und 30 ähnlich,
mit der Ausnahme, dass in diesem Fall die Platte löchrig ist.
Dies bedeutet, dass mehrere Löcher 501 in
der Platte bereitgestellt sind. Diese Löcher 501 haben die
Funktion, die Bildung von Wirbelströmen und dergleichen an der
stromabwärts
gelegenen Fläche der
Platte 500 zu verhindern, und lassen einen Anteil des Fluids
entlang des Strömungsweges
durch das Ablenkplattenglied 500 strömen, während ein anderer Anteil des
Fluids um die Außenseite
des Ablenkplattenglieds 500 strömt.
-
Wenn
ein Einbringrohr benutzt wird, sollte dieses vorzugsweise an einem
stromaufwärts
gelegenen Ablenkplattenglied angeordnet werden. Ein besonderer Vorteil
der Benutzung eines einzigen Einbringrohrs an der stromaufwärts gelegenen
Ablenkplattenstelle besteht darin, dass solch eine Anordnung ermöglicht,
dass das gesamte Additiv an einer einzigen Stelle dosiert wird und
zur Verteilung nicht wie in vorherigen Konstruktionen in vielfache,
gleiche Teile unter mehreren Ablenkplattengliedern verteilt werden
muss. Da der Druck an der Rückseite
des geneigten Ablenkplattengliedes niedriger als an der Vorderseite
ist, weist das stromaufwärts
gelegene Ende des Ablenkplattenglieds außerdem eine bevorzugte Stelle
zum Dosieren eines Additivs auf. Die Druckdifferenz bewirkt eine
Zunahme der Geschwindigkeit des Hauptfluidstroms, erhöht die Trägheitskraft
und die Froude-Zahl und reduziert den Einfluss, den der Dichteunterschied
zwischen dem Hauptfluidstrom und dem Additiv auf die erreichte Homogenität hat. Folglich
gibt es in diesem Bereich der Druckdifferenz einen unmittelbaren,
erhöhten
Verdünnungseffekt
auf das Additiv durch den Hauptstrom.
-
Wie
in 1 bis 5 dargestellt, weisen die Platten 20 und 30 vorzugsweise
eine im Allgemeinen ebenflächige
Konfiguration auf. Bezüglich 15 bis 18 kann
jedoch eine Reihe nicht ebenflächiger
Konfigurationen genauso nützlich
sein. Somit können,
wie in 15 dargestellt, die Ablenkplatten
konvex oder bogenförmig
sein, wie in 16 dargestellt können die
Ablenkplatten konkav und bogenförmig
sein, wie in 17 dargestellt können die Ablenkplatten
konvex und V-förmig
sein und wie in 18 dargestellt können die
Ablenkplatten konkav und V-förmig sein.
-
Da
der Mischprozess normalerweise stromabwärts des stromabwärts gelegenen
Ablenkplattenglieds in einem Abstand stattfindet, der das Ein- bis Dreifache
des Kanaldurchmesser beträgt,
und der Trennabstand zwischen den Ablenkplattengliedern in der Ordnung
des Ein- bis Fünffachen
des Kanaldurchmessers liegt, kann ein homogenes Mischen innerhalb
eines Abstandes auftreten, der das Zwei- bis Achtfache des Kanaldurchmessers
und normalerweise das Drei- bis Fünffache des Kanaldurchmessers beträgt. Neben
dem Bereitstellen einer effektiven Mischung entlang einer relativ
kurzen Kanallänge
ist der statische Mischer der vorliegenden Erfindung insbesondere
insofern beachtenswert, als er das Mischen mit einem minimalen Druckabfall
und über eine
große
Bandbreite von Strömungsraten
und Fluid- und Additivverhältnissen
erreicht. Die relativ einfache Bauart der Ablenkplattenglieder,
die in den Mischern benutzt wird, erfordert einen minimalen Materialaufwand
und ist dennoch stabil und widerstandsfähig gegen Vibrationen, die
aufgrund turbulenter Fluidströme
auftreten können.
-
Die
Bauart des Wirbelstrommischers der vorliegenden Erfindung reduziert
die Empfindlichkeit des Mischers gegenüber Dichteunterschieden zwischen dem
Hauptfluidstrom und dem Additiv sogar bei niedrigen Strömungsraten
und Geschwindigkeiten, bei denen die Froude-Zahl äußerst klein
ist und sogar geringe Dichteunterschiede normalerweise die Mischeffizienz
reduzieren oder jegliches Mischen verhindern würden. Dies kann insbesondere
in herkömmlichen
Mischerbauarten ein Problem sein, wenn Fluide unterschiedlicher
Dichten wie heiße
und kalte Luft, heißes
und kaltes Wasser, Wasser und eine wässrige Salzlösung oder
Kohlenwasserstoff unterschiedlicher Dichten in gerade, horizontale
Strömungskanäle strömen und
stabile, getrennte Fluidschichten bilden.
-
Obwohl
die Erfindung bezüglich
eines Mischers mit zwei Ablenkplattengliedern beschrieben worden
ist, können
in anderen, weniger bevorzugten Ausführungsformen nur ein einziges
Ablenkplattenglied oder drei oder mehr Ablenkplattenglieder benutzt
werden. Wenn vielfache Ablenkplattenglieder benutzt werden, sind
diese vorzugsweise in der Richtung des Fluidstroms voneinander beabstandet,
wobei jedes Ablenkplattenglied vorzugsweise um die Peripherie des
Kanals von jedem benachbarten Ablenkplattenglied versetzt ist. Die
Versetzung kann 90 Grad betragen, wie bezüglich der Ausführungsform mit
zwei Ablenkplattengliedern beschrieben worden ist, oder irgendein
anderer ausgewählter
Winkel sein.
-
Die
Erfindung ist auf im Allgemeinen zylinderförmige Kanäle wie Rohre und Schläuche und dergleichen
anwendbar. Die Erfindung ist ebenfalls auf liegende und/oder im
Allgemeinen horizontal verlaufende Kanäle anwendbar, die nicht vollständig eingeschlossen
sind und an dem oberen Abschnitt davon eine Öffnung aufweisen, vorzugsweise
eine in Längsrichtung
verlaufende Öffnung.
Zum Beispiel kann der Kanal in Form eines horizontal verlaufenden Grabens
oder Troges oder eines halbrunden Rohrstücks vorliegen, die Fluide aufweisen,
die sich in einer im Allgemeinen horizontalen Richtung daran entlang
fortbewegen. Gemäß der Erfindung
kann der Mischer ferner einfach einen relativ kurzen Kanal umfassen,
der jeweilige Enden aufweist, die um einen kurzen Abstand über die
erste und die zweite Stelle hinaus beabstandet sind, so dass der
Mischer leicht installiert und/oder zur Wartung oder regelmäßigen Reinigung
entfernt werden kann.