EP0776689A1

EP0776689A1 - Mischvorrichtung

Info

Publication number: EP0776689A1
Application number: EP96810767A
Authority: EP
Inventors: Adnan Dr. Eroglu; Wolfgang Dr. Polifke; Peter Dr. Senior
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland; ABB Research Ltd Sweden
Current assignee: General Electric Switzerland GmbH
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 1997-06-04
Anticipated expiration: 2016-11-11
Also published as: DE59607626D1; DE19544816A1; US5803602A; JPH09173808A; EP0776689B1

Abstract

Bei einer Mischvorrichtung zum Mischen von zwei oder mehreren Fluiden, welche den gleichen oder ungleichen Massenstrom aufweisen können, strömen die zu mischenden Fluide längs einer Trennwand (22), an deren stromabwärtigem Ende mehrere frei umströmte Flächen aufweisende Wirbel-Generatoren (9) angeordnet sind. Eine Verbindungskante (16) verläuft vorzugsweise senkrecht zur Wand (22) und ist die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante. Eine Dachfläche besteht aus zwei Teildachflächen (1, 2), die über eine Verbindungskante (10) miteinander verbunden sind. Die stromabwärts liegenden Hinterkanten (5, 6) der Teildachflächen (1, 2) schliessen mit der Trennwand (22) einen Winkel (γ) ein, wodurch die Hinterkanten (5, 6) in Bezug auf die Seitenflächen (11, 13) im wesentlichen auf die andere Seite der Trennwand (22) zu liegen kommen. Eine Bodenfläche besteht aus zwei Teilbodenflächen, die über eine Verbindungskante miteinander und über die Hinterkanten (5, 6) mit den Teildachflächen verbunden sind. <IMAGE>

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zum Mischen von zwei oder mehreren Fluiden, welche den gleichen oder ungleichen Massenstrom aufweisen können, wobei die zu mischenden Fluide längs einer Trennwand strömen, an deren stromabwärtigem Ende mehrere frei umströmte Flächen aufweisende Wirbel-Generatoren angeordnet sind, von denen mehrere nebeneinander angeordnet sind, wobei die Seitenflächen des Wirbel-Generators mit einer Seite der Trennwand bündig sind und miteinander den Pfeilwinkel einschliessen, die längsgerichteten Kanten der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel zur Wand verlaufen und die beiden Seitenflächen eine Verbindungskante miteinander umfassen, die vorzugsweise senkrecht zur Wand verläuft und die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante ist.

Stand der Technik

Derartige Mischvorrichtungen sind beispielsweise bekannt aus EP-A1-0 619 134. In vielen Sektoren wie beispielsweise in der Chemie, der Nahrungsmittel- oder Pharmaproduktion usw. wird verlangt, Fluide auf kürzestem Weg innig zu vermischen. Die Qualität des ganzen Prozesses hängt meistens von der erzielten Mischqualität ab. Dabei sollte der Druckabfall anlässlich des Mischvorgangs in "vernünftigem" Rahmen bleiben, um die Prozesskosten durch niedrige Pumparbeit klein zu halten.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Mischvorrichtung der eingangs genannten Art die Durchmischung zu verbessern.
Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht,

dass eine Dachfläche aus zwei Teildachflächen besteht, wobei die längsgerichteten Kanten der Teildachflächen bündig sind mit den Kanten der Seitenflächen und die Teildachflächen über eine Verbindungskante miteinander verbunden sind,
dass die stromabwärts liegenden Hinterkanten der Teildachflächen mit der Trennwand einen Winkel einschliessen, wodurch die Hinterkanten in Bezug auf die Seitenflächen im wesentlichen auf die andere Seite der Trennwand zu liegen kommen,
und dass eine Bodenfläche aus zwei Teilbodenflächen besteht, die über eine Verbindungskante miteinander und über die Hinterkanten mit den Teildachflächen verbunden sind.

Die Vorteile der Erfindung sind unter anderem darin zu sehen, dass durch die Einführung der gegenüber der Trennwand verdrehten Hinterkanten die stromabwärtige Kante der Trennwand verlängert wird. Dadurch wird zum einen die Kontaktfläche der zu mischenden Ströme erhöht, zum anderen werden durch die in der Strömung angestellten Hinterkanten weitere Wirbel erzeugt. Diese Wirbel unterstützen und verstärken die an den längsgerichteten Kanten erzeugten Wirbel des Wirbelgenerators. Zudem wird die Durchmischung der zu mischenden Ströme erhöht, da die Wirbel in Richtung des jeweils gegenüberliegenden Stromes propagieren, wodurch ein verwobenes Strömungsmuster entsteht.
Vom strömungstechnischen Standpunkt her weist das Wirbelgenerator-Element beim Umströmen einen sehr geringen Druckverlust auf und es erzeugt Wirbel ohne Totwassergebiet. Schliesslich kann das Element durch seinen in der Regel hohlen Innenraum auf die verschiedensten Arten und mit diversen Mitteln gekühlt werden.
Es ist besonders zweckmässig, wenn die beiden den Pfeilwinkel α einschliessenden Seitenflächen sowie die Teildachflächen des Wirbel-Generators symmetrisch zu einer Symmetrieebene, gebildet durch eine Symmetrieachse und die Verbindungskante der Seitenflächen angeordnet sind. Damit werden drallgleiche Wirbel erzeugt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
Es zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Darstellung eines Wirbelgenerators, Sicht von oben;
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung des Wirbelgenerators, Sicht von unten;
Fig. 3: eine perspektivische Darstellung mehrerer Wirbelgeneratoren;
Fig. 4: Draufsicht auf die Wirbelgeneratoren von Fig.3;
Fig. 5: Teilquerschnitt durch einen Kanal mit darin angeordneten Wirbelgeneratoren.

Es sind nur die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen Elemente gezeigt.

Weg zur Ausführung der Erfindung

Nach Fig. 1 besteht ein Wirbel-Generator 9 im wesentlichen aus mehreren frei umströmten dreieckigen Flächen. Es sind dies zwei Teil-Dachflächen 1, 2, zwei Seitenflächen 11, 13 und zwei in der Figur 1 nicht sichtbare Teil-Bodenflächen. In ihrer Längserstreckung verlaufen diese Flächen unter bestimmten Winkeln in Strömungsrichtung.
Die beiden Seitenflächen 11 und 13 stehen jeweils senkrecht auf der zugehörigen Oberseite 21 einer Trennwand 22, wobei angemerkt wird, dass dies nicht zwingend ist. Die Seitenflächen 11, 13, welche aus rechtwinkligen Dreiecken bestehen, sind hier mit ihrer längeren Kathete auf der Trennwand 22 fixiert. Sie sind so orientiert, dass sie mit ihrer kürzeren Kathete einen Stoss bilden unter Einschluss eines Pfeilwinkels α. Der Stoss ist als scharfe Verbindungskante 16 ausgeführt und steht ebenfalls senkrecht zur Trennwand 22. In einem Kanal eingebaut, wird wegen der scharfen Verbindungskante der Durchströmquerschnitt kaum durch Sperrung beeinträchtigt. Durch die längeren Katheten der Seitenflächen 11, 13 und durch die Verbindungskante 16 wird ein Schnittpunkt 8 gebildet, der in der Trennwand liegt. Die beiden den Pfeilwinkel α einschliessenden Seitenflächen 11, 13 sind symmetrisch in Form, Grösse und Orientierung und sind beidseitig einer Symmetrieebene angeordnet, welche durch eine Symmetrieachse 17 und die Verbindungskante 16 gebildet wird. Die Symmetrieachse 17 ist üblicherweise gleichgerichtet wie die Kanalachse und damit wie die Kanalströmung.
Eine im wesentlichen längsgerichtete Kante 12 der Teil-Dachfläche 1 ist bündig mit der in den Strömungskanal hineinragenden Hypothenuse der Seitenfläche 11. Diese Längskante 12 verläuft unter einem Anstellwinkel θ zur Wand 22. Eine stromabwärts liegende Hinterkante 5 der Teildachfläche 1 liegt in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 17 und ist um einen Winkel γ gegenüber der Trennwand 22 verdreht, so dass die Hinterkante 5 unterhalb der Trennwand zu liegen kommt. Zur Montage des Wirbelgenerators 9 müssen deshalb Schlitze in der Trennwand 22 angebracht werden, oder die Trennwand muss entsprechend angepasst werden.
Die Teildachfläche 2 ist symmetrisch zur Teildachfläche bezüglich der Symmetriebene, gebildet durch die Symmetrieachse 17 und die Verbindungskante 16. Somit ist eine längsgerichtete Kanten 14 der Teil-Dachfläche 2 bündig mit der in den Strömungskanal hineinragenden Hypothenuse der Seitenfläche 13. Die Längskante 14 verläuft unter dem Anstellwinkel θ zur Wand 22. Eine Hinterkante 6 der Teildachfläche 2 liegt ebenfalls in der Ebene senkrecht zur Symmetrieachse 17 und ist um den negativen Winkel γ gegenüber der Trennwand verdreht, so dass die Hinterkante 6 unterhalb der Trennwand 22 zu liegen kommt.
Die zweite längsgerichtete Kante der Teil-Dachfläche 1 bildet mit der zweiten längsgerichteten Kante der Teil-Dachfläche 2 eine Verbindungskante 10, die in der durch die Symmetrieachse 17 und die Verbindungskante 16 gebildeten Symmetrieebene liegt. Die Verbindungskante 10 bildet mit der Hinterkante 5 sowie mit der Hinterkante 6 eine am stromabwärtigen Ende des Wirbelgenerators 9 liegende Spitze 7. Die Längskanten 12, 14 bilden zusammen mit der Verbindungskante 16 sowie der Verbindungskante 10 eine am stromaufwärtigen Ende des Wirbelgenerators 9 liegende Spitze 18.
Nach Fig. 2 wird die dreieckige Teil-Bodenflächen 3 definiert durch die Hinterkante 5 und den Schnittpunkt 8, die dreieckige Teil-Bodenflächen 4 wird definiert durch die Hinterkante 6 und den Schnittpunkt 8. Eine Verbindungskante 30 der Teil-Bodenflächen 3, 4 erstreckt sich somit von der Spitze 7 bis zum Schnittpunkt 8.
Selbstverständlich kann der Wirbel-Generator auch ohne Bodenflächen hergestellt werden, wobei dann die Trennwand die Funktion der Bodenflächen übernimmt. Dazu muss die Trennwand an ihrem stromabwärtigen Ende gezackt ausgeformt werden, entsprechend den Teil-Bodenflächen. Um die Kontaktfläche am stromabwärtigen Ende der Trennwand weiter zu erhöhen, können die Hinterkanten des Wirbelgenerators auch in verschiedenen Ebenen liegen, die nicht senkrecht zur Symmetrieachse verlaufen.
In Fig. 3 und Fig. 4 ist ein Wirbelgenerator 9' auf der Unterseite 20 der Trennwand 22 und ein Wirbelgenerator 9 auf der Oberseite 21 der Trennwand nebeneinander angeordnet. Der Wirbelgenerator 9' ist in Form und Grösse identisch mit dem Wirbelgenerator 9, die bereits oben verwendeten Bezeichnungen für den Wirbelgenerator 9 werden deshalb auch für den Wirbel-generator 9' verwendet, sind jedoch mit einem Apostroph versehen. Der Wirbelgenerator 9 kann durch eine Drehung von 180° um eine Drehachse 19 in den Wirbelgenerator 9' überführt werden. Die Drehachse 19 liegt in der Trennwand 22, ist parallel zur Symmetrieachse 17 und geht durch den Schnittpunkt von Längskante 14 und Hinterkante 6.
Die Verbindungskante 16 der beiden Seitenflächen 11, 13 bildet immer die stromaufwärtige Kante der Wirbel-Generatoren 9, 9'. Die scharfe Verbindungskante 16 ist jene Stelle, die von der Kanalströmung zuerst beaufschlagt wird. Die quer zur umströmten Trennwand 22 verlaufenden Hinterkanten 5, 6, 5', 6' der Dachflächen sind somit die von der Kanalströmung zuletzt beaufschlagten Kanten.
Selbstverständlich können die Wirbelgeneratoren 9' auch anders als die Wirbelgeneratoren 9 ausgestaltet werden, wobei die Wirbelgeneratoren immer eine der gezeigten Grundkonfiguration ähnliche Geometrie aufweisen. Dies ist beispielsweise vorteilhaft zur Mischung physikalisch unterschiedlicher Strömungen.
Die Wirkungsweise des Wirbel-Generators ist folgende: Beim Umströmen der Kanten 12 und 14 wird die Strömung in ein Paar gegenläufiger Wirbel umgewandelt. Die Wirbelachsen liegen in der Achse der Strömung. Die Geometrie der Wirbel-Generatoren ist so gewählt, dass bei der Wirbelerzeugung keine Rückströmzonen entstehen. Die Wirbel des Wirbelgenerators 9 rotieren oberhalb der Dachflächen entlang und streben der Trennwand 22 zu, auf welcher der Wirbel-Generator montiert ist. Die Wirbel des Wirbelgenerators 9' rotieren unterhalb der Dachflächen entlang und streben ebenfalls der Trennwand 22 zu.
Die Drallzahl des Wirbels wird bestimmt durch entsprechende Wahl des Anstellwinkels θ und/oder des Pfeilwinkels α. Mit steigenden Winkeln wird die Wirbelstärke bzw. die Drallzahl erhöht und der Ort des Wirbelaufplatzens (vortex break down) - sofern dies überhaupt gewünscht ist - wandert stromaufwärts bis hin in den Bereich des Wirbel-Generators selbst. Je nach Anwendung sind diese beiden Winkel θ und α durch konstruktive Gegebenheiten und durch den Prozess selbst vorgegeben. Angepasst werden muss dann nur noch die Höhe h der Verbindungskante 16. Durch die Wahl des Winkels γ werden die Wirbel so beeinflusst, dass je grösser γ gewählt wird, desto besser die Durchmischung der Teilströme erfolgt. Der Winkel γ kann jedoch nicht beliebig gross gewählt werden, da mit grösser werdendem γ auch der Druckabfall ansteigt.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Form der umströmten Trennwand 22 für die Wirkungsweise der Erfindung nicht wesentlich ist. Statt der in den Figuren gezeigten geraden Form der Trennwand 22 könnte es sich auch um eine ringförmige oder hexagonale oder eine sonstige Querschnittsform handeln. Bei einer gekrümmten Trennwand muss die obige Aussage, dass die Seitenflächen senkrecht auf der Wand stehen, selbstverständlich relativiert werden. Massgebend ist, dass die auf der Symmetrielinie 17 liegende Verbindungskante 16 senkrecht auf der entsprechenden Wand steht. Im Fall von ringförmigen Wänden würde die Verbindungskante 16 somit radial ausgerichtet sein.
Die Fig. 5 zeigt teilweise einen Kanal mit eingebauter Trennwand 22. Der durchströmte Querschnitt ist durch diese Trennwand 22 in zwei Teilkanäle mit den Kanalhöhen H1 und H2 unterteilt. Die Oberseite 21 der Trennwand 22 bildet eine Kanalwand des oberen Kanals 41, die Unterseite 20 der Trennwand 22 bildet eine Kanalwand des unteren Kanals 42. Die beiden Kanäle könnten von einem gleichen Medium mit unterschiedlichen Geschwindigkeit durchströmt sein; oder es könnte sich um strömende Fluide unterschiedlicher Dichte oder chemischer Zusammensetzung handeln, die auf kürzestem Wege zu einer bestimmten gleichmässig verteilter Konzentration vermischt werden müssen.
An den beiden Kanalwänden 20 und 21 der Trennwand ist jeweils eine gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren 9, 9' mit Zwischenräumen aneinandergereiht. Die Höhe h1 der Elemente 9 sowie dei Höhe h2 der Elemente 9' beträgt beispielsweise ca. 90% der zugehörigen Kanalhöhen H1 und H2. Die Strömung erfolgt in Fig. 5 senkrecht aus der Zeichenebene heraus; die Elemente 9, 9' sind so orientiert, dass die Verbindungskanten 16 gegen die Strömung gerichtet sind. Der Drehsinn der erzeugten Wirbel im Bereich der Verbindungskante ist absteigend, d.h. er strebt der jeweiligen Kanal-Wand 20, 21 zu, auf der der Wirbel-Generator angeordnet ist. Am Ende der Trennwand 22, d.h. an den Hinterkanten 5, 6, 5', 6', werden die auf deren beiden Seiten erzeugten Wirbelströme ineinandergezwängt, wobei es zu der gewünschten Durchmischung kommt.
Die drallgleichen Wirbel in den Teilkanälen 41, 42 kombinieren sich zu einem grossen Wirbel mit einheitlichem Drehsinn. Die Drehachse dieses grossen Wirbels ist im wesentlichen die Drehachse 19.
Die Wirbel-Generatoren 9, 9' können in den Kanälen 41, 42 unterschiedliche Höhen h1, h2 gegenüber den Kanalhöhen H1, H2 aufweisen. In der Regel wird man die Höhen h1, h2 der Verbindungskanten 16, 16' der Wirbelgeneratoren 9, 9' so mit den jeweiligen Kanalhöhen H1, H2 abstimmen, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators bereits eine solche Grösse erreicht, dass die volle Kanalhöhe H1+H2 oder die volle Höhe des dem Wirbel-Generators zugeordneten Kanalteils ausgefüllt wird, was zu einer gleichmässigen Verteilung in dem beaufschlagten Querschnitt führt. Ein weiteres Kriterium, welches Einfluss auf das zu wählende Verhältnis h/H nehmen kann, ist der Druckabfall, der beim Umströmen des Wirbel-Generators auftritt. Es versteht sich, dass mit grösserem Verhältnis h/H auch der DrucKverlustbeiwert ansteigt.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht nur auf die gezeigten und beschriebenen Ausführungs- und Anwendungsbeispiele beschränkt. Durch gezielte Auslegung und Dimensionierung der Wirbel-Generatoren hat man bei gegebenen Strömungen ein einfaches Mittel an der Hand, je nach Bedarf den Mischvorgang zu steuern.

Bezugszeichenliste

1: Teil-Dachfläche
2: Teil-Dachfläche
3: Teil-Bodenfläche
4: Teil-Bodenfläche
5: Hinterkante von 1 und 3
6: Hinterkante von 2 und 4
7: Spitze
8: Schnittpunkt
9: Wirbelgenerator
9': Wirbelgenerator an der Unterseite von 22
10: Verbindungskante
11: Seitenfläche
12: Längskante
13: Seitenfläche
14: Längskante
16: Verbindungskante
17: Symmetrieachse
18: Spitze
19: Drehachse
20: Oberseite von 22
21: Unterseite von 22
22: Trennwand
30: Verbindungskante
41: oberer Kanal
42: unterer Kanal

α: Pfeilwinkel
γ: Winkel von 4 und 5 zu 22
θ: Anstellwinkel
h1: Höhe Verbindungskante 16
h2: Höhe Verbindungskante 16'
H1: Höhe Kanal 41
H2: Höhe Kanal 42

Claims

Mischvorrichtung zum Mischen von zwei oder mehreren Fluiden, welche den gleichen oder ungleichen Massenstrom aufweisen können, wobei die zu mischenden Fluide längs einer Trennwand (22) strömen, an deren stromabwärtigem Ende mehrere frei umströmte Flächen aufweisende Wirbel-Generatoren (9, 9') angeordnet sind, von denen mehrere nebeneinander angeordnet sind, wobei die Seitenflächen (11, 13) des Wirbel-Generators mit einer Seite der Trennwand (22) bündig sind und miteinander den Pfeilwinkel (α) einschliessen, die längsgerichteten Kanten (12, 14) der Seitenflächen unter einem Anstellwinkel (θ) zur Wand (22) verlaufen und die beiden Seitenflächen (11, 13) eine Verbindungskante (16) miteinander umfassen, die vorzugsweise senkrecht zur Wand (22) verläuft und die von der Strömung zuerst beaufschlagte Kante (16) ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine Dachfläche aus zwei Teildachflächen (1, 2) besteht, wobei die längsgerichteten Kanten der Teildachflächen (1, 2) bündig sind mit den Kanten (12, 14) der Seitenflächen (11, 13) und die Teildachflächen über eine Verbindungskante (10) miteinander verbunden sind,

dass die stromabwärts liegenden Hinterkanten (5, 6) der Teildachflächen (1, 2) mit der Trennwand (22) einen Winkel (γ) einschliessen, wodurch die Hinterkanten (5, 6) in Bezug auf die Seitenflächen (11, 13) im wesentlichen auf die andere Seite der Trennwand (22) zu liegen kommen,

und dass eine Bodenfläche aus zwei Teilbodenflächen (3, 4) besteht, die über eine Verbindungskante (30) miteinander und über die Hinterkanten (5, 6) mit den Teildachflächen verbunden sind.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bodenfläche (3, 4) die Trennwand (22) ist und dass der Wirbelgenerator (9, 9') bestehend aus zwei Seitenflächen (11, 13) und zwei Teildachflächen (1, 2) auf der Trennwand angeordnet ist.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Hinterkanten (5, 6) der Teildachflächen (1, 2) in einer Ebene senkrecht zu einer Symmetrieachse (17) angeordnet sind.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden den Pfeilwinkel (α) einschliessenden Seitenflächen (11, 13) sowie die Teildachflächen (1, 2) des Wirbel-Generators (9) symmetrisch zu einer Symmetrieebene, gebildet durch eine Symmetrieachse (17) und die Verbindungskante (16), angeordnet sind.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungskante (16) und/oder die längsgerichteten Kanten (12, 14) der Dachfläche zumindest annähernd scharf ausgebildet sind.
Mischvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennwand (22) in einem doppelkanaligen Behältnis angeordnet ist unter Bildung von zwei Teilkanälen (41,42), und dass in jedem Teilkanal die gleiche Anzahl von Wirbel-Generatoren (9, 9') angeordnet ist, und dass die Wirbel-Generatoren beidseitig an der Trennwand (22) befestigt sind.
Mischvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis Höhe (h1, h2) des Wirbel-Generators (9, 9') zur Höhe (H1, H2) des Teilkanals (41, 42) so gewählt ist, dass der erzeugte Wirbel unmittelbar stromabwärts des Wirbel-Generators die volle Teilkanalhöhe (H1, H2) oder die volle Höhe des Kanals (H1+H2) ausfüllt.