Die Erfindung betrifft ein Mischverfahren zum Mischen von Medien, von denen mindestens eines leicht fliessfähig ist.
Gleichzeitig betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.
Die Erfindung betrifft eine sogenannte statische Mischvorrichtung, d. h. eine Vorrichtung ohne bewegliche mechanische Teile. Die bekannten Mischvorrichtungen dieser Art, die z. B.
auf dem Prinzip des Aufteilens der Strömung und ihrer Zusammenführung an versetzten Stellen, oder, wie z. B. Brennkammern, mit Drallströmungen, arbeiten, haben eine relativ grosse Erstreckung in Strömungsrichtung und/oder einen hohen Druckverlust.
Die Erfindung hat die Schaffung eines Mischverfahrens und einer Vorrichtung zum Ziel, welche mit möglichst kleinem Druckverlust auf kurzem Strömungsweg eine homogene Vermischung der Medien gestatten.
Das erfindungsgemässe Mischverfahren, durch welches dieses Ziel erreicht wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass das leicht fliessfähige Medium durch einen Kanal mit einer sprunghaften Änderung des Querschnittes geführt wird, an welcher eine Ablösung der Strömung von der Wand des Kanals erfolgt, und dass das beizumischende Medium in den Kanal spätestens in den an der Ausweitung entstehenden Wirbelbereich eingeführt wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen Strömungskanal für das leicht fliessfähige Medium, welcher eine sprunghafte Änderung des Strömungsquerschnittes aufweist, an welcher eine Ablösung der Strömung von der Wand des Kanals erfolgt, sowie durch eine Einführöffnung zur Einführung des beizumischenden Mediums in den Strömungskanal, die sich an einer Stelle befindet, welche, in Strömungsrichtung des leicht fliessfähigen Mediums betrachtet, spätestens im Wirbelbereich der Änderung liegt.
Bei vorliegenden Verfahren und der Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens wird von der Erkenntnis ausgegangen, dass nach einer sprunghaften Ausweitung des Querschnittes eines Strömungskanals nach einer gewissen Strecke das Geschwindigkeitsprofil im Kanal fast ideal ausgeglichen wird. Es entsteht eine praktisch konstante Geschwindigkeit im ganzen Querschnitt des Strömungskanales mit nur dünner Grenzschicht. Eine Strömungsuntersuchung zeigt, dass die Turbulenz der Strömung sehr gross ist. Der hohe Turbulenzgrad der Strömung und das ausgeglichene Geschwindigkeitsprofil weisen auf eine starke Austauschbewegung quer zur Strömungsrichtung hin. Diese intensive Austauschbewegung wird erfindungsgemäss zur Durchmischung der Medien genützt.
Dabei braucht nur das Erstmedium leicht fliessfähig zu sein, wobei es ein Gas oder eine Flüssigkeit sein kann. Das beizumischende Medium kann ebenfalls flüssig oder gasförmig sein. Es kann jedoch auch die Form von Tröpfchen oder Feststoffpartikeln in einem Trägergas oder Tröpfchen bzw. Feststoffpartikeln in einer Trägerflüssigkeit haben.
Nicht in Betracht gezogen werden dabei Mischvorgänge von zähflüssigen Medien, wie dicken Ölen, Pasten usw.
Die Erfindung wird anhand in der Zeichnung schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Mischvorrichtung mit eingezeichneten Diagrammen des Verlaufes der Strömungsgeschwindigkeit und der Konzentration der Medien über dem Querschnitt,
Fig. 2 eine Vorrichtung mit einer Serieschaltung von zwei Ausweitungen,
Fig. 3 eine Mischvorrichtung mit einer Blende,
Fig. 4 eine Mischvorrichtung mit einer Düse,
Fig. 5 ein Schema einer Vorrichtung mit einer durch eine konische Fläche gebildeten Ausweitung, wobei sich mehrere Einführöffnungen in der Fläche befinden,
Fig. 6 eine Vorrichtung mit einem Einführrohr, das sich, im
Gegensatz zur Fig. 1, nach der Ausweitung befindet und gegen die Strömung des leicht fliessfähigen Erstmediums gerichtet ist,
Fig.
7 eine Vorrichtung mit mehreren Mischkanälen in einem grösseren Kanal,
Fig. 8 eine Ansicht der Vorrichtung aus der Fig. 7 in der Richtung des Pfeiles P betrachtet und die
Fig. 9 eine andere Ausführungsform der Vorrichtung aus der Fig. 7.
Die Fig. 1 zeigt eine Mischvorrichtung mit einem Strömungskanal 1, der einen Abschnitt 2 mit kleinerem Querschnitt und einem Abschnitt 3 mit grösserem Querschnitt aufweist. Zwischen den Abschnitten 2 und 3 befindet sich eine sprunghafte Ausweitung 4, die durch eine Ringfläche 5 gebildet wird, welche senkrecht zur Achse A des Kanals und somit auch zur Strömungsrichtung S des leicht fliessfähigen Mediums steht. Der innere Umfang der Ringfläche 5 ist durch eine scharfe Kante 6 begrenzt, der äussere Umfang bildet eine ebenfalls scharfkantige Hohlkehle 7.
In den Abschnitt 2 mit kleinerem Querschnitt ist ein Zuführrohr 8 eingeführt, das eine Ausgangsöffnung 10 aufweist, die bezüglich der Strömungsrichtung S stromabwärts gerichtet ist.
Im Betrieb durchströmt das leicht fliessfähige Erstmedium den Kanal 1 in der Richtung des Pfeiles S. Nach der sprunghaften Ausweitung 4 bildet sich eine Totzone 11, welche die Entstehung eines Wirbelbereiches mit hohem Turbulenzgrad nach der Ausweitung zur Folge hat. In der Wirbelströmung, welche durch einen Ausgleich des Geschwindigkeitsprofiles im ganzen Querschnitt des Abschnittes 3 gekennzeichnet ist, besteht eine starke Austauschbewegung in der Querrichtung zur Achse A des Kanals, die erfindungsgemäss zur Durchmischung ausgenützt wird.
Das beizumischende Medium, das, wie erwähnt, eine Flüs sigkeit, ein Gas, ein Aerosol, eine Emulsion, ein Staub in Trägergas oder eine Suspension sein kann, wird durch das Rohr 8 zugeführt und tritt durch die Öffnung 10 in den Abschnitt 2 des Kanals 1.
In der Fig. 1 sind die Verläufe der Geschwindigkeiten der einzelnen Medien über den Querschnitt des Kanals eingezeichnet. So zeigt das Diagramm I den Verlauf der Geschwindigkeit des Erstmediums im Abschnitt 2 vor der Ausweitung 4. Der Geschwindigkeitsverlauf weist an seinem Rand eine verhältnismässig breite Grenzschicht auf. Das Diagramm II zeigt das Konzentrationsprofil des beizumischenden Mediums kurz nach der Einführöffnung 10. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, verläuft die Strömung dieses Mediums nur in einem kleinen Teil des Querschnittes.
Das Diagramm III zeigt die Geschwindigkeit und somit die Verteilung des Erstmediums über dem Querschnitt in der Wirbelzone nach der Ausweitung 4. Das Diagramm zeigt, dass die Geschwindigkeit in der Richtung der Achse A des Kanals 1 über den ganzen Querschnitt sehr ausgeglichen ist, und dass nur eine sehr schmale Grenzschicht besteht. Schliesslich zeigt das Diagramm IV das Konzentrationsprofil und somit die Verteilung des beigemischten Mediums über den Querschnitt.
Man sieht, dass in der gegebenen Entfernung das beigemischte Medium gleichmässig über den Querschnitt verteilt ist.
Versuche haben gezeigt, dass der Geschwindigkeitsverlauf nach dem Diagramm III an einer Stelle erreicht wird, die von der Ausweitung um das Vier- bis Fünffache der grössten Dimension des Kanals in Querrichtung entfernt isf. Bei runden Kanälen ist diese Dimension der Durchmesser D (Fig. 1).
Theoretisch ist die Einführung des beizumischenden Mediums in diesem Bereich und auch noch weiter möglich, da die Wirbelströmung für die Vermischung sorgt. Um einen kurzen Kanal zu erhalten, wird man jedoch praktisch nicht über zwei D hinausgehen.
Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Mischvorrichtung, bei welcher dem Abschnitt 3 des Kanals noch ein Abschnitt 3' nachgeschaltet ist, der sich nach einer Ausweitung 4' befindet. Die Zufuhr des beizumischenden Mediums erfolgt in diesem Fall durch Leitungen 8 und 8' mit Mündungen 10 und 10'. Die Mündungen befinden sich dabei kurz nach den Ausweitungen 4 und 4', so dass das beizumischende Medium jeweils in den Wirbelbereich 11 bzw. 11' gelangt.
Durch die Zuführkanäle 8 und 8' kann das gleiche Medium zugeführt werden, so dass die Strömung des Erstmediums stufenweise angereichert wird. Es können jedoch auch durch die beiden Kanäle 8 und 8' verschiedene Medien zugeführt werden.
Die Fig. 3 zeigt eine einfache Ausführungsform der Erfindung, bei welcher in einem Kanal 1 eine Blende 20 angeordnet ist. Die Blende enthält eine scharfkantige Blendenöffnung 21, die gemäss der Darstellung bezüglich der Achse A des Kanals exzentrisch angeordnet ist. An der Stelle, wo die Totzone 11 ihre grösste Ausdehung hat, befindet sich die Mündung 10 des Zuführkanals 8. Die Wirkungsweise ist im übrigen gleich wie bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2.
Die Ausführungsform nach der Fig. 4 unterscheidet sich von der nach der Fig. 3 dadurch, dass die Verengung im Kanal 1 durch eine Düse 30 gebildet wird. Die Düse 30 hat eine Düsenöffnung 31 mit einer abgerundeten vorderen Kante 32 und einer scharfen hinteren Kante 33. Im vor der Düse 30 befindlichen Abschnitt des Kanals 1 befinden sich die Mündungen 8 mehrerer Zuführkanäle 10.
Die Ausführungsform nach der Fig. 4 hat gegenüber der nach der Fig. 3 den Vorteil, dass der Strömungswiderstand der Vorrichtung kleiner ist. Die abgerundete Kante 32 gestattet nämlich eine Verengung des Strömungsquerschnittes und einen Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit mit kleineren Verlusten, als dies bei der scharfkantigen Düse 20 nach der Fig. 3 möglich ist.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 5 ist die Ausweitung durch eine schräge, im vorliegenden Fall konische Fläche 40 gebildet, die zur Achse A des Kanals 1 unter einem Winkel a steht. Der Winkel a muss zur Erzielung einer einwandfreien Ablösung der Strömung in den meisten Fällen grösser als 30 sein.
Bei der Ausführungsform nach der Fig. 5 erfolgt die Zufuhr des beizumischenden Mediums bzw. der beizumischenden Medien durch Öffnungen 10, die sich in der Fläche 40 befinden.
Die Ausführungsform nach der Fig. 6 unterscheidet sich von der nach der Fig. 1 dadurch, dass die Strömung des beizumischenden Mediums aus der Öffnung 10 gegen die Strömungsrichtung S des Erstmediums verläuft. Der Verlauf der Strömung des beizumischenden Mediums ist in der Fig. 6 durch Pfeile M angedeutet. Durch die Anordnung der Einführ öffnung 10 in Gegenrichtung zur Strömung S des Mediums kann unter Umständen bei gewissen Arten von Medien, wie z. B. staubförmigen oder bei Suspensionen mit schwereren Teilchen, eine bessere Vermischung und auf kürzerer Strecke als bei den übrigen Ausführungsformen erhalten werden.
Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Mischvorrichtung, bei welcher ein grösserer Strömungskanal 70 durch Trennwände 71 in eine Mehrzahl von Mischkanälen 1 unterteilt ist. An den Eingangsseiten der Kanäle 1 befinden sich Düsen 72, welche mit ihren scharfkantigen Enden die Ausweitungen 4 bilden. Zur Zufuhr des beizumischenden Mediums ist ein Zuführrohr 73 vorgesehen, das seitliche Stutzen mit Einführöffnungen 10 aufweist.
Die Einführöffnungen 10 sind, wie bei der Ausführungsform nach der Fig. 1, in der Strömungsrichtung S des Erstmediums gerichtet.
Bei dieser Ausführungsform wird eine gleichmässige Verteilung des beizumischenden Mediums auf einer besonders kurzen Strecke erhalten. Das beizumischende Medium wird nämlich, wie dargestellt, gleichzeitig an neun gleichmässig über den Querschnitt des Kanals 70 verteilten Stellen zugeführt.
Da die Länge L eines Mischkanals 1 etwas mehr als das Vierfache seiner Dimension D in Querrichtung zur Strömungsrichtung S des Erstmediums betragen soll, ergibt sich für den Mischvorgang eine wesentlich kürzere Länge L als wenn im Kanal 70 eine einzige Düse nach der Fig. 4 angeordnet wäre.
Die Ausführungsform nach der Fig. 9 unterscheidet sich von der nach den Fig. 7 und 8 einzig dadurch, dass die Zufuhr des beizumischenden Mediums durch Einführöffnungen 10 erfolgt, die sich in den Wänden der Düsenkanäle 74 von Düsen 72 befinden. Die Zufuhr des beizumischenden Mediums zu den Einführöffnungen 10 erfolgt durch einen Kanal 75, der in nicht dargestellter Weise nach aussen geführt ist.
The invention relates to a mixing method for mixing media, at least one of which is easy to flow.
At the same time, the invention relates to a device for carrying out the method.
The invention relates to a so-called static mixer, i. H. a device with no moving mechanical parts. The known mixing devices of this type which, for. B.
on the principle of dividing the flow and bringing it together at staggered points, or, e.g. B. combustion chambers, with swirl flows, work, have a relatively large extent in the direction of flow and / or a high pressure loss.
The invention aims to create a mixing method and a device which allow the media to be mixed homogeneously over a short flow path with the lowest possible pressure loss.
The mixing method according to the invention, by means of which this goal is achieved, is characterized in that the easily flowable medium is passed through a channel with an abrupt change in the cross section at which the flow is detached from the wall of the channel, and that the medium to be admixed is introduced into the canal at the latest in the area of the vertebrae that is created by the expansion.
The inventive device for performing the method is characterized by a flow channel for the easily flowable medium, which has an abrupt change in the flow cross-section at which the flow is detached from the wall of the channel, as well as by an inlet opening for introducing the medium to be admixed into the Flow channel that is located at a point which, viewed in the direction of flow of the easily flowable medium, lies at the latest in the vortex area of the change.
The present method and the device for carrying out the method are based on the knowledge that after a sudden expansion of the cross section of a flow channel after a certain distance, the speed profile in the channel is almost ideally balanced. A practically constant velocity arises in the entire cross-section of the flow channel with only a thin boundary layer. A flow investigation shows that the turbulence of the flow is very high. The high degree of turbulence in the flow and the balanced velocity profile indicate a strong exchange movement across the direction of flow. According to the invention, this intensive exchange movement is used to mix the media.
Only the primary medium needs to be easily flowable, and it can be a gas or a liquid. The medium to be admixed can also be liquid or gaseous. However, it can also be in the form of droplets or solid particles in a carrier gas or droplets or solid particles in a carrier liquid.
Mixing processes of viscous media such as thick oils, pastes etc. are not taken into account.
The invention is explained with reference to exemplary embodiments shown schematically in the drawing. Show it:
1 shows a section through a mixing device according to the invention with drawn diagrams of the course of the flow velocity and the concentration of the media over the cross section,
2 shows a device with a series connection of two expansions,
3 shows a mixing device with a diaphragm,
4 shows a mixing device with a nozzle,
5 shows a diagram of a device with an expansion formed by a conical surface, with several insertion openings being located in the surface,
Fig. 6 shows a device with an insertion tube which, in
In contrast to Fig. 1, located after the expansion and is directed against the flow of the easily flowable first medium,
Fig.
7 a device with several mixing channels in a larger channel,
FIG. 8 is a view of the device from FIG. 7 viewed in the direction of arrow P, and FIG
FIG. 9 shows another embodiment of the device from FIG. 7.
1 shows a mixing device with a flow channel 1, which has a section 2 with a smaller cross section and a section 3 with a larger cross section. Between the sections 2 and 3 there is a sudden expansion 4, which is formed by an annular surface 5 which is perpendicular to the axis A of the channel and thus also to the flow direction S of the easily flowable medium. The inner circumference of the annular surface 5 is delimited by a sharp edge 6, and the outer circumference forms a groove 7 which is also sharp-edged.
In the section 2 with a smaller cross-section, a feed pipe 8 is inserted, which has an outlet opening 10 which is directed downstream with respect to the flow direction S.
During operation, the easily flowable primary medium flows through the channel 1 in the direction of the arrow S. After the sudden expansion 4, a dead zone 11 forms, which results in the creation of a vortex area with a high degree of turbulence after the expansion. In the eddy flow, which is characterized by a compensation of the velocity profile in the entire cross-section of section 3, there is a strong exchange movement in the transverse direction to axis A of the channel, which according to the invention is used for mixing.
The medium to be admixed, which, as mentioned, can be a liquid, a gas, an aerosol, an emulsion, a dust in a carrier gas or a suspension, is fed through the pipe 8 and passes through the opening 10 into the section 2 of the channel 1.
In Fig. 1, the curves of the speeds of the individual media are shown over the cross section of the channel. Diagram I shows the course of the speed of the first medium in section 2 before the expansion 4. The speed course has a comparatively wide boundary layer at its edge. Diagram II shows the concentration profile of the medium to be admixed shortly after the inlet opening 10. As can be seen from the diagram, the flow of this medium runs only in a small part of the cross section.
Diagram III shows the speed and thus the distribution of the first medium over the cross section in the vortex zone after expansion 4. The diagram shows that the speed in the direction of axis A of channel 1 is very balanced over the entire cross section, and that only there is a very narrow boundary layer. Finally, diagram IV shows the concentration profile and thus the distribution of the added medium over the cross section.
You can see that at the given distance, the added medium is evenly distributed over the cross-section.
Tests have shown that the speed curve according to diagram III is reached at a point that is away from the expansion by four to five times the largest dimension of the channel in the transverse direction. In the case of round ducts, this dimension is the diameter D (Fig. 1).
Theoretically, it is possible to introduce the medium to be admixed in this area and even further, since the eddy current ensures mixing. In practice, however, one will not go beyond two D's to obtain a short channel.
Fig. 2 shows an embodiment of the mixing device in which the section 3 of the channel is followed by a section 3 'which is located after an expansion 4'. In this case, the medium to be admixed is supplied through lines 8 and 8 'with outlets 10 and 10'. The orifices are located shortly after the widenings 4 and 4 ', so that the medium to be mixed gets into the vortex area 11 or 11'.
The same medium can be supplied through the supply channels 8 and 8 ', so that the flow of the first medium is enriched in stages. However, different media can also be supplied through the two channels 8 and 8 '.
FIG. 3 shows a simple embodiment of the invention in which a diaphragm 20 is arranged in a channel 1. The diaphragm contains a sharp-edged diaphragm opening 21 which, according to the illustration, is arranged eccentrically with respect to the axis A of the channel. The opening 10 of the feed channel 8 is located at the point where the dead zone 11 has its greatest extent. The mode of operation is otherwise the same as in the embodiments according to FIGS. 1 and 2.
The embodiment according to FIG. 4 differs from that according to FIG. 3 in that the constriction in channel 1 is formed by a nozzle 30. The nozzle 30 has a nozzle opening 31 with a rounded front edge 32 and a sharp rear edge 33. In the section of the channel 1 in front of the nozzle 30, the mouths 8 of a plurality of feed channels 10 are located.
The embodiment according to FIG. 4 has the advantage over that according to FIG. 3 that the flow resistance of the device is smaller. The rounded edge 32 allows the flow cross-section to be narrowed and the flow velocity to increase with smaller losses than is possible with the sharp-edged nozzle 20 according to FIG. 3.
In the embodiment according to FIG. 5, the expansion is formed by an inclined, in the present case conical, surface 40 which is at an angle α to the axis A of the channel 1. The angle a must in most cases be greater than 30 in order to achieve a perfect separation of the flow.
In the embodiment according to FIG. 5, the medium to be admixed or the media to be admixed is supplied through openings 10 which are located in the surface 40.
The embodiment according to FIG. 6 differs from that according to FIG. 1 in that the flow of the medium to be admixed out of the opening 10 runs counter to the flow direction S of the first medium. The course of the flow of the medium to be admixed is indicated by arrows M in FIG. By arranging the insertion opening 10 in the opposite direction to the flow S of the medium, certain types of media, such as. B. dusty or suspensions with heavier particles, better mixing and a shorter distance than in the other embodiments can be obtained.
7 and 8 show a mixing device in which a larger flow channel 70 is divided into a plurality of mixing channels 1 by partition walls 71. On the inlet sides of the channels 1 there are nozzles 72 which, with their sharp-edged ends, form the widenings 4. To supply the medium to be mixed in, a supply pipe 73 is provided, which has lateral connecting pieces with insertion openings 10.
As in the embodiment according to FIG. 1, the insertion openings 10 are directed in the direction of flow S of the first medium.
In this embodiment, a uniform distribution of the medium to be mixed is obtained over a particularly short distance. The medium to be admixed is namely, as shown, supplied at the same time to nine points evenly distributed over the cross section of the channel 70.
Since the length L of a mixing channel 1 should be slightly more than four times its dimension D in the transverse direction to the direction of flow S of the first medium, the mixing process is much shorter than if a single nozzle according to FIG .
The embodiment according to FIG. 9 differs from that according to FIGS. 7 and 8 only in that the medium to be admixed is supplied through inlet openings 10 which are located in the walls of the nozzle channels 74 of nozzles 72. The medium to be admixed is supplied to the introduction openings 10 through a channel 75 which is led to the outside in a manner not shown.