DE19860240A1 - Vorrichtung zum Mischen zweier Fluidkomponenten - Google Patents

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

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen zweier Fluidkomponenten Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Gemisch sehr homogen und dabei großflächig zu erzeugen.

Zur Lösung dies er Aufgabe ist die Vorrichtung zum Mi­ schen zweier Fluidkomponenten erfindungsgemäß dadurch ge­ kennzeichnet,

• - daß eine Kammer vorgesehen ist, die durch eine Mehrzahl von im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene im wesentlichen parallel zueinander ausge­ richteten Rohren in einen ersten und einen zweiten Raum unterteilt ist,
• - daß der erste Raum der Kammer an eine Zuführungs­ einrichtung für die eine Fluidkomponente ange­ schlossen ist,
• - daß die Rohre an eine Zuführungseinrichtung für die andere Fluidkomponente angeschlossen sind,
• - daß zwischen benachbarten Rohren mindestens ein Ab­ standshalter 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 Aus­ tritt 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 ange­ ordneten 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, be­ dingt durch die Zuordnung der ersten zu den zweiten Öffnun­ gen, 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 Flächenbren­ ner, katalytische Reaktoren und dergleichen. Diese bilden die obere Abdeckung der Kammer und werden mit dem homogenen Gemisch großflächig beaufschlagt. Verwiesen sei beispiels­ weise auf katalytische Brenner, wie sie in der Brennstoff­ zellentechnik 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 Rohr­ längsrichtung gegeneinander versetzt.

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

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

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorge­ schlagen, daß die einander gegenüberliegenden Wände benach­ barter Rohre eben ausgebildet sind und, ausgehend vom zuge­ hörigen Abstandshalter, in den unteren Raum der Kammer hin­ ein divergieren. Dies führt auf der Zuströmseite des Ab­ standshalters, d. h., auf der Zuströmseite der ersten Öffnun­ gen zu einer düsenförmigen Gestaltung, in deren engstem Querschnitt die ersten Öffnungen angeordnet sind. Die Strö­ mung der einen Fluidkomponente wird also beschleunigt. Di­ rekt 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 Fluid­ komponenten an der Mischstelle vorzugsweise zumindest ange­ nähert gleiche Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen. Das Mi­ schungsverhältnis wird eingestellt durch das Flächenverhält­ nis der ersten zu den zweiten Öffnungen, und zwar unter Be­ rücksichtigung von Dichte und Temperatur der Fluidkomponen­ ten.

Die oberhalb jedes Abstandshalters befindliche Misch­ zone wird dadurch optimiert, daß die einander gegenüberlie­ genden 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 Quer­ schnitt der Rohre im wesentlichen vier- oder sechseckig aus­ zubilden.

Weitere vorteilhafte Merkmale ergeben sich aus den Un­ teransprüchen, und zwar im Zusammenhang mit einer Optimie­ rung des Mischvorgangs durch entsprechende gegenseitige Zu­ ordnung der Öffnungen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegen­ den Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Einzelheit aus Fig. 1 in Vorderansicht;

Fig. 3 eine Einzelheit aus Fig. 1 in Draufsicht.

Nach Fig. 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 Rezirkulationsgas der Brennstoffzelle beaufschlagt. Die Vorrichtung dient dazu, die beiden Fluid­ komponenten Gas und Luft/Zirkulationsgas homogen miteinander zu mischen, und zwar unter Erzeugung eines großflächigen Ge­ misches, welches einem Katalysatorbrenner zugeführt wird. Dieser bildet den oberen Abschluß der Kammer 1.

Fig. 2 zeigt zwei benachbarte Rohre 2 in Vorderan­ sicht. Die beiden Rohre sind durch einen Abstandshalter 5 miteinander verbunden. Der Abstandshalter 5 weist erste Öff­ nungen 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 dü­ senförmige 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 Öff­ nungen 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 Abstandshal­ ters 5 kreuzen. Die Durchmischung ist entsprechend intensiv, so daß sich auf großer Fläche ein sehr homogenes Gemisch er­ gibt.

Fig. 3 zeigt die Anordnung nach Fig. 2 in Draufsicht. Die im Abstandshalter 5 ausgebildete Reihe der ersten Öff­ nungen 6 wird beidseitig von je einer Reihe der zweiten Öff­ nungen 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 Öff­ nungen 9 der einen äußeren Reihe die zweiten Öffnungen 9 der anderen äußeren Reihe überlappen, und zwar unter gleichzei­ tiger Überlappung der ersten Öffnungen 6 in der mittleren Reihe. Die Anordnung ist symmetrisch getroffen. Es wurde ge­ funden, daß auf diese Weise optimale Mischergebnisse erziel­ bar sind, und zwar über der gesamten Fläche der Kammer 1.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmög­ lichkeiten gegeben. So können die Rohre, abweichend von der dargestellten sechseckigen Form, einen vierecken Querschnitt aufweisen. Eine fünfeckige Form mit einer oberen Spitze und einem unteren horizontalen Abschluß ist gleichermaßen mög­ lich. Anstelle schlitzförmiger Öffnungen kann mit kreisför­ migen oder ovalen Öffnungen gearbeitet werden. Auch lassen sich unterschiedliche Öffnungsformen miteinander kombinie­ ren. Der untere Raum kann sich durchgehend unterhalb der Rohrmatrix erstrecken oder in einzelne Abschnitt 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 er­ zeugten Gemisches läßt sehr gleichmäßige Verbrennungsvorgän­ ge und katalytische oder nicht-katalytische Reaktionen zu.

Bei Anwendung auf einen Flächenbrenner ist die im we­ sentlichen horizontale Ausrichtung der Kammer besonders vor­ teilhaft. Bei sonstigen Reaktionen kann die Orientierung der Kammer nach Bedarf geändert werden.

Claims (11)

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 ausge­ richteten Rohren (2) in einen ersten (3) und einen zweiten Raum (4) unterteilt ist,
• - daß der erste Raum (3) der Kammer (1) an eine Zu­ führungseinrichtung 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 Öff­ nungen (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 gekennzeich­ net, 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 gekenn­ zeichnet, daß die zweiten Öffnungen (9) benachbarter Rohre (2) sowohl relativ zueinander als auch relativ zu den zuge­ hörigen ersten Öffnungen (6) geneigt angeordnet sind.

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

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

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

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

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

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch 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 gekenn­ zeichnet, daß die Rohre (2) einen im wesentlichen sechsecki­ gen Querschnitt aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Rohre (2) einen im wesentlichen vier­ eckigen Querschnitt aufweisen.