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Die
Erfindung betrifft einen von einem ein- oder mehrphasigen Fluid (Gas
und/oder Flüssigkeit) durchströmbaren Mischer
aus insbesondere temperaturbeständigem Material zum Durchmischen (und/oder
Filtern) von Fluiden. Unter "Durchmischen" wird dabei eine Vergleichmäßigung
der Strömungsgeschwindigkeit über eine durchströmbare
Fläche und/oder eine Homogenisierung der Vermischung einer
Mehrphasenströmung über die durchströmbare Fläche
verstanden.
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Bekannte
Mischer für ein- oder mehrphasige Fluide bestehen aus gewellten
Stahlblechen oder keramischen Monolithen. Die Kanäle für
den Transport des Fluids werden meistens durch Wickeln oder Zusammenfassen
mehrerer Einheiten von Blechen oder keramischen Monolithen gebildet.
Die Kanäle verlaufen von einer Eintrittsfläche
des Mischers zu einer Austrittsfläche und können
sich kreuzen, um die Vermischung zu verbessern.
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Ein
derartiger Mischer ist aus
EP
1 012 127 B1 bekannt, bei dem der Körper des Mischers
aus einem porösen Material besteht, in dem Kanäle
ausgebildet sind. Es sind erste und zweite Kanäle vorgesehen,
die sich zumindest teilweise durchdringen. Eine Vermischung des
Fluids findet aufgrund der Porosität des Körpers,
welche die Kanäle miteinander verbindet, statt.
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Die
bekannten Mischer lassen sich nicht in beliebiger Länge
herstellen, so dass mehrere Mischereinheiten hintereinandergeschaltet
werden müssen, was die Herstellung aufwendiger und teurer macht.
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Darüber
hinaus ist der Verlauf der Strömung in den bekannten Mischern
im Hinblick auf den Kontakt zu der Kanalwand nicht optimal. In den
meisten Mischern bildet sich im Kanal nach einer kurzen Eindringtiefe,
die von dem hydraulischen Durchmesser des Kanals abhängig
ist, eine laminare Strömung aus. Im Eintrittsbereich herrscht
aufgrund der Einlaufströmung ein turbulenzartiger Zustand,
der für einen guten Stofftransport zur Kanalwand sorgt,
während tiefer im Mischer Gasmoleküle nur aufgrund
von Diffusionsvorgängen an die Oberfläche des
Mischers gelangen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen von einem Fluid durchströmbaren
Körper aus temperaturbeständigem Material zum
Mischen und/oder Filtern von Fluiden zu schaffen, bei dem die statische
Mischung von ein- oder mehrphasigen Fluidströmungen verbessert
und die Herstellung vereinfach ist.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Mischer
aus insbesondere temperaturbeständigem Material zum Durchmischen
einer insbesondere Mehrphasen-Gasströmung vorgeschlagen, der
versehen ist mit
- – einem Körper,
der eine Eingangs- und eine Ausgangsseite aufweist,
- – einer Vielzahl von Hauptkanälen, die sich
von der Eingangs- bis zur Ausgangsseite durch den Körper
erstrecken, und
- – einer Vielzahl von Nebenkanälen, die sich
durch den Körper erstrecken und die Hauptkanäle
kreuzen,
- – wobei die Hauptkanäle hydraulische Querschnitte
aufweisen, die größer sind als die hydraulischen
Querschnitte der Nebenkanäle.
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Nach
der Erfindung weist der Körper des Mischers aus insbesondere
temperaturbeständigem Material wie z. B. keramischem Material
zwei unterschiedliche Kanal- oder Porensysteme auf, nämlich Haupt-
und Nebenkanäle, die unterschiedliche hydraulische Querschnitte
aufweisen. Dabei können die Kanäle der beiden
Systeme geordnet z. B. parallel oder ungeordnet zueinander sein.
Die Kanäle verlaufen z. B. winklig zueinander und können
sich von der Eingangs- bis zur Ausgangsseite und/oder diese verbindenden
Außenseiten bis zur Ein gangs- und/oder Ausgangsseite erstrecken.
Die Kanäle können geradlinig oder beliebig gekrümmt
mit oder ohne geradlinigen Abschnitten verlaufen.
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Unter
"Kanal" im Sinne der Erfindung ist nicht notwendigerweise ein allseitig
von Wänden begrenzter Durchgang durch den Körper
gemeint. Ein Kanal nach der Erfindung kann also auch eine Aufeinanderfolge
von Löchern oder Öffnungen in den Wänden sein.
So ist es beispielsweise möglich, dass der Körper
ein erstes Kanalsystem (z. B. der Nebenkanäle) aufweist,
das Wandungen aufweist, welche mit miteinander fluchtenden Öffnungen
versehen sind, wobei einzelne Gruppen von Öffnungen in
den Wandungen benachbarter Kanäle des ersten Kanalsystems miteinander
fluchten und die Kanäle des zweiten Kanalsystems bilden.
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Die
Haupt- und/oder Nebenkanäle können grundsätzlich
jede beliebige Form und Erstreckung (Verlauf) aufweisen, also z.
B. gradlinig, schräg, gebogen etc. sein.
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Unter
"Kanal" im Sinne der Erfindung ist also ein den Mischerkörper
durchziehender Bereich gemeint, der für das durchströmende
Fluid einen geringen Strömungswiderstand darstellt als
die angrenzenden Bereiche des Mischerkörpers.
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Der
erfindungsgemäße Mischer weist eine verbesserte
(mikroskopische und makroskopische) Durchmischung und damit eine
verbesserte Homogenisierung eines Fluids (ein- oder mehrphasige Strömung)
auf. Besonders zweckmäßig ist die Verwendung eines
keramischen Schaums, in den sich kreuzende Neben- und Hauptkanäle
eingebracht sind.
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Aber
auch ein Körper, der übereinanderliegende gewellte
Folien (gegebenenfalls mit dazwischenliegenden ebenen Folien) aufweist,
die einen Stapel bilden oder zu einem Wickelkörper geformt sind,
kann als Mischerkörper eingesetzt werden. Die in die einzelnen
Lagen eingebrachten Öffnungen sind so angeordnet, dass
sie in winklig zur Wellung der Folien verlaufenden Richtungen fluch ten,
wenn die Folien übereinander gelegt oder gewickelt sind.
Die Folien können aus Metall bestehen. Alternativ kann ein
stranggepresster Körper aus z. B. keramischem Material
verwendet werden, wie er von Katalysatoren für Kraftfahrzeuge
her bekannt ist, in den quer zu diesen Kanälen verlaufende
weitere Kanäle eingebracht werden.
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Vorteilhafterweise
verlaufen die Nebenkanäle im wesentlichen parallel zueinander.
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Zweckmäßig
ist es, wenn die Nebenkanäle im wesentlichen parallel zur
Erstreckung des Körpers zwischen dessen Eingangs- und dessen
Ausgangsseite verlaufen.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist
vorgesehen, dass die Nebenkanäle ein im wesentlichen homogenes
Porensystem bilden, das feinzelliger ist und einen kleineren hydraulischen Durchmesser
bildet als das System der Hauptkanäle.
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Vorzugsweise
erstrecken sich die Hauptkanäle von der Eingangs- bis zur
Ausgangsseite.
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Zweckmäßig
ist es, wenn sich die Hauptkanäle in unterschiedlichen
Richtungen durch den Körper erstrecken.
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Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist vorgesehen, dass sich zumindest einer der Hauptkanäle
von der Eingangsseite zur die Eingangsseite mit der Ausgangsseite
verbindenden Seitenwand des Körpers und/oder von dieser
bis zur Ausgangsseite des Körpers erstreckt.
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Zweckmäßig
ist es ferner, wenn die Nebenkanäle Kanalwände
aufweisen, durch die benachbarte Nebenkanäle voneinander
getrennt sind, und dass die Hauptkanäle durch jeweils miteinander fluchtende
Löcher in den Kanalwänden der Nebenkanäle
definiert sind.
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Vorteilhafterweise
kreuzen sich die Hauptkanäle untereinander.
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Gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der
Körper eine Vielzahl von übereinander angeordneten
Lagen aus gewellten Folien mit wechselweise nebeneinander liegenden
Erhebungen und Vertiefungen auf, die sich winklig zum Verlauf zweier
gegenüberliegender Ränder der Folien erstrecken,
wobei diese Ränder der übereinander angeordneten
Folien die Eingangs- und die Ausgangseite des Körpers bilden,
und dass in die Folien miteinander fluchtende Löcher eingebracht
sind, wobei diese fluchtenden Löcher jeweils einen Hauptkanal
definieren.
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Vorteilhafterweise
ist zwischen benachbarten gewellten Folien jeweils eine ebene Folie
angeordnet ist.
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Zweckmäßig
ist es darüber hinaus, wenn die übereinanderliegenden
Lagen von gewellten Folien durch Wickeln einer gewellten Folie erzeugt
sind.
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Bei
einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist vorgesehen, dass der Körper aus übereinanderliegenden
gewellten Folienlagen durch gegensinniges Umbiegen um zwei zueinander
beabstandete und parallele Biegeachsen hergestellt ist.
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Vorteilhafterweise
weist der Körper ein porösen Material auf, in
dem die Haupt- und die Nebenkanäle ausgebildet sind.
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Zweckmäßig
ist es, wenn der Körper Nebenstromkanäle aufweist,
die im Bereich einer die Eingangsseite mit der Ausgangsseite verbindenden
Außenseite des Körpers münden.
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Der
zuvor beschriebene erfindungsgemäße Mischer weist
also einen zwei- oder dreidimensionalen Körper auf, der
z. B. einem nachfolgenden Katalysator vorgeschaltet und/oder selbst
Träger einer katalytischen Beschichtung sein kann. Die
Durchströmbarkeit des Körpers beruht auf zumindest
zwei verschiedenen Strömungssystemen mit unterschiedlichen
mittleren hydraulischen Durchmessern, nämlich einem ersten
System mit einem kleineren mittleren hydraulischen Durchmesser,
z. B. einem Porensystem, das für die kleinräumige
Vermischung der Fluidkomponenten und -phasen verantwortlich ist und/oder
als wesentlicher Oberflächenträger für
eine etwaige katalytische Beschichtung dient, sowie einem zweiten
System mit einem größeren mittleren hydraulischem
Durchmesser, z. B. einem zweckmäßig gestalteten
Kanalsystem, das hauptsächlich für die großräumige
Vermischung verantwortlich ist. Dabei kann das Kanalsystem selbst
aus einem (im allgemeinen gröberen) Porenwerkstoff aufgebaut
sein. Es können weitere Kanalsysteme aus unterschiedlich
groben Porenwerkstoffen vorliegen. Weiterhin kann das Kanalsystem
durch feinporige Zonen unterbrochen sein. Alle diese Eigenschaften
können in diskreten Zuständen oder in ganz oder
teilweise kontinuierlich variablen Zuständen vorliegen.
Die hydraulischen Durchmesser der beiden Kanalsysteme sind frei
einstellbar, so dass über entsprechend eingestellte, aufeinander
abgestimmte Strömungswiderstände die Strömung
durch diese Kanalsysteme vorbestimmt werden kann. Die Haupt- und/oder
Nebenkanäle können ihrerseits mit Porenmaterial
gefüllt sein, wobei dieses Porenmaterial einen geringeren
Druckverlust verursacht als der Porenwerkstoff, aus dem der Mischerkörper
besteht.
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Neben
der Verwendung von Schaumwerkstoffen (z. B. keramischen Schäumen)
mit zusätzlichen Löchern bzw. Bohrungen lässt
sich ein erfindungsgemäßer Mischer auch mit einem
aus keramischen oder metallischen Platten (Folien) hergestellten
Porenkörper verwirklichen. Die z. B. gewellten Platten
(mit z. B. winklig zueinander verlaufenden Wellungen benachbarter
Platten) können dabei geschichtet und übereinander
gestapelt aufgebaut oder gewickelt sein.
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Wird
der Mischer bzw. Katalysator nicht als Körper erzeugt,
sondern aus flächigen Grundelementen gefügt (z.
B. aus Platten oder Scheiben zusammengesetzt oder aus Folien gewickelt),
so kann das Kanalsystem für die großräumige
Vermischung durch Öffnungen (z. B. Ausstanzungen) in den
Grundelementen erzeugt werden, die derartig angeordnet sind, dass
Gruppen von Öffnungen im gefügten Zustand der
Platten oder Scheiben jeweils miteinander fluchten und damit zusammenhängende
Kanalsysteme der gewünschten Geometrie ergeben. Dabei unterscheidet
sich der erfindungsgemäße Körper von bekannten
Geometrien durch geordnete durchgehende Kanäle in einer
anderen Richtung als der durch die Platten als solche vorgegebenen
Hauptströmungsrichtung. Diese durchgehenden Kanäle können
z. B. durch Stanzen von Löchern in den für den
Porenkörper verwendeten Halbzeuge (Bleche) gebildet werden.
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Alternativ
können als Basis für die Herstellung eines erfindungsgemäßen
Mischers handelsübliche Parallelkanalmonolithe verwendet
werden, wie sie von Kfz-Katalysatoren her bekannt sind. In ihren heute
bekannten Ausführungsformen verfügen diese aus
keramischen Materialien im Extrusionsverfahren hergestellten Parallelkanalmonolithe
weder über Maßnahmen zur kleinräumigen
Mischung (Verbindungen benachbarter Kanäle) noch über
Maßnahmen zur großräumigen Vermischung
von Fluidströmen. Auch in diesem Fall ist es möglich,
einfache Kanalstrukturen zur Förderung der großräumigen
Mischung zu erzeugen.
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Zu
diesem Zweck kann mit geeigneten Werkzeugen der bereits extrudierte
(Grund-)Körper (im Grünzustand oder auch im gesinterten
Zustand) mit (geradlinigen) Durchbohrungen versehen werden, die
in einem beliebigen räumlichen Winkel zur Erstreckung der
bei der Extrusion erzeugten Kanäle des Grundkörpers
angeordnet sein können. Soweit solche Bohrungen die nicht
durchströmte Außenkontur des Körpers
durchbrechen, können sie mit Keramikmaterial verstopft
werden (entsprechend z. B. den keramischen Partikelfiltern) oder
auch bei späteren "Canning", d. h. Umgeben mit einem Gehäuse,
des Grundkörpers automatisch verschlossen werden.
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Geeignete
Werkzeuge zum Bohren von keramischen Werkzeugen sind bekannt. Diesen
Werkzeugen ist gemeinsam, dass sie den Werkstoff nicht schneiden
sondern kleinräumig brechen. Eine solche Bearbeitung führt
nicht zu Schäden im benachbarten Material.
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Die
so erzeugten Bohrungen sind geeignet, die großräumige
Vermischung mit gleicher Güte wie bei den anderen vorgeschlagenen
Verfahren zu gewährleisten. Selbst die kleinräumige
Vermischung wird in gewissem Maße gefördert, da
Verbindungen zwischen benachbarten Kanäle existieren.
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Als
temperaturbeständiger poröser Körper kann
der statische Mischer beispielsweise als chemischer Mischer von
heißen Fluiden eingesetzt werden. Eine weitere mögliche
Anwendung ist das Filtern von Fluiden als Tiefenfilter, in dem sich
die Partikel an den Porenwänden absetzen. Das zweiklassige Porensystem
bevorzugt den Mischer insbesondere für Kombinationen beider
genannten Anwendungen. Weitere Anwendungen sind der Brennraum eines
Porenbrenners sowie der Wärmespeicher in einem regenerativen
Strahlungsbrenner. Ferner kann der Mischer in der Abgasnachbehandlung
bei Dieselmotoren mittels Harnstoff eingesetzt werden. Die Harnstoffeinspritzung
erfolgt in einen Teilabschnitt der Frontfläche eines nach
dem Prinzip des statischen Mischers aufgebauten Hydrolysekatalysators
ohne Abgrenzung von Strömungsgebieten durch feste Wände.
Das feinzellige Porensystem des statischen Mischers wirkt auf Grund
des Kapillareffekts als Verteiler für die flüssige
Phase der Fluidströmung. Weiterhin wird aus Harnstoff und
Wasser im vorderen Bereich des Mischers NH3 gebildet,
das im hinteren Teil mit dem im Abgas befindlichen NOx vermischt
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Im Einzelnen zeigen dabei:
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1 eine
perspektivische Darstellung eines Mischerkörpers gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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2 und 3 perspektivische
Darstellungen zweier weiterer Ausführungsbeispiele der
Erfindung mit einer ersten Gruppe von Parallelkanälen und
einer zweiten Gruppe von zu den Parallelkanälen unterschiedlich
ausge richteten zweiten Kanälen mit gegenüber den
Parallelkanälen größeren hydraulischen
Querschnitten und
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4 ein
weiteres Ausführungsbeispiel eines Mischers mit einem Wickelkörper
aus einer oder mehreren gewellten und gelochten Folien.
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In 1 ist
ein Mischer 10 gezeigt, dessen Körper 12,
der aus einer Vielzahl von alternierend angeordneten gewellten Folien 14 und
ebenen Folien 16 zusammengesetzt ist, die aufeinanderliegen
und einen Stapel bilden. Die Seiten 18 und 20 bilden
z. B. die Eingangs- und Ausgangseiten des Körpers 12,
zu denen die sich zwischen den gewellten Folien 14 und den
ebenen Folien 16 bildende Kanäle 22 hin
offen sind. Quer zu diesen Kanälen 22 erstrecken
sich eine Gruppe zweiter Kanäle 24, die durch
miteinander fluchtende Öffnungen 26 in den gewellten
und ebenen Folien 14,16 gebildet sind. Der hydraulische Querschnitt
der Kanäle 24 ist dabei größer
als der der Kanäle 22.
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In
den 2 und 3 weisen die Körper 12 einen
(keramischen) Parallelkanalmonolithen auf, der von den parallelen
Kanälen 22 durchzogen ist, die sich von der Eingangs-
bis zur Ausgangsseite 18, 20 erstrecken. Winklig
zu diesen Kanälen 22 verlaufen (Haupt-)Kanäle
bzw. zweite Kanäle 24, die einen größeren
hydraulischen Querschnitt aufweisen als der (ersten oder Neben-)Kanäle 22.
In 2 verlaufen die zweiten Kanäle 24 von
der Oberseite 28 bis zur Unterseite 32 des Körpers 12,
während die Kanäle 24 bei dem Mischer
gemäß 3 von links nach rechts (bezogen
auf die Zeichenebene) verlaufen.
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4 zeigt
einen Mischer, der einen Wickelkörper 12 aufweist,
welcher durch Aufwickeln eines Paares aus einer gewellten Folie 14 und
einer ebenen Folie 16 erzeugt ist. In den Folien 14,16 befinden sich
Löcher bzw. Öffnungen 26, die im gewickelten Zustand
der Folien gruppenweise miteinander fluchten und die zweiten Kanäle 24 bilden,
die die durch die Wellung der gewellten Folie 14 definierten
ersten Kanäle 22 durchkreuzen und einen größeren
hydraulischen Querschnitt als die Kanäle 22 aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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