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Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gemischbildungseinrichtung zum
Mischen eines ersten Gases, eines zweiten Gases und eines Fluids,
insbesondere einer Flüssigkeit.
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Bei
einer Vielzahl von technischen Anwendungen wie z.B. chemischen Reaktions-
und Verfahrenstechniken, Verbrennungstechnik, usw., besteht ein
Bedarf, verschiedene Stoffströme
homogen zu vermischen. Ferner gibt es Einsatzbereiche, in denen Stoffströme unterschiedlicher
Aggregatzustände, insbesondere
flüssig-
und gasförmige
Stoffströme, vermischt
werden müssen
und die flüssigen
Komponenten in den gasförmigen
Zustand überführt werden müssen. Eine
derartige Mischung von verschiedenen Stoffströmen kann beispielsweise mittels
statischer Mischer, elektrisch beheizbarer Verdampfer oder Zerstäuberdüsen ausgeführt werden.
Die bekannten Gemischbildungseinrichtungen weisen jedoch ein relativ
großes
Bauvolumen auf. Dies resultiert in erster Linie daraus, dass die
zu einer Verdampfung und Durchmischung notwendigen Aufenthaltszeiten
der zu mischenden Medien relativ groß sind.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Gemischbildungseinrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den
Vorteil, dass sie sehr kompakt und einfach aufgebaut ist. Die erfindungsgemäße Gemischbildungseinrichtung
kann insbesondere ein erstes und ein zweites Gas verschiedener Temperatur
sowie ein Fluid, insbesondere eine Flüssigkeit, miteinander vermischen,
wobei, wenn das Fluid eine Flüssigkeit
ist, die Flüssigkeit
verdampft wird. Die Gemischbildungseinrichtung kann dabei besonders
kostengünstig
bereitgestellt werden und stellt eine exzellente homogene Mischung
von wenigstens zwei Stoffströmen
bereit. Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass die Gemischbildungseinrichtung eine Dosiereinrichtung
zum Zuführen
eines Fluids und einen ersten Mischbereich zum Mischen des Fluids
mit einem ersten Gas hoher Temperatur umfasst, um ein erstes Gas-Fluid-Gemisch
zu erzeugen. Ferner ist ein erster Kanal zur Zuführung des ersten Gas-Fluid-Gemischs
zu einem zweiten Mischbereich, in welchem eine Mischung mit einem
zweiten Gas mit niederer Temperatur als die Temperatur des ersten
Gases erfolgt. Ferner ist ein zweiter Kanal vorgesehen, welcher
benachbart zum ersten Kanal angeordnet ist und welcher das zweite
Gas zum zweiten Mischbereich führt
sowie eine Vorrichtung zur Erzeugung einer turbulenten Strömung, um
ein Vermischen des ersten Gas-Fluid-Gemischs und des zweiten Gases
miteinander am zweiten Mischbereich zu unterstützen. Erfindungsgemäß erfolgt
somit eine zweistufige Mischung, bei der zuerst das Fluid mit dem
ersten Gas hoher Temperatur vermischt wird und zu einem zweiten
Mischbereich geführt
wird, an welchem dieses erzeugte Gas-Fluid-Gemisch mit dem zweiten
Gas vermischt wird, so dass eine homogene Vermischung von drei Stoffströmen möglich ist. Es
sei angemerkt, dass die einzelnen drei Stoffströme selbst jeweils eine Mischung
sein können
oder nur aus einem einzelnen Stoff bestehen können. Das Fluid kann dabei
ein Gas oder eine Flüssigkeit
sein.
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Die
Unteransprüche
zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise
ist der zweite Kanal schneckenförmig
gebildet und der erste Kanal mündet
in den zweiten Kanal. Der zweite Kanal ist dabei weiter bevorzugt
an der Außenseite
des ersten Kanals angeordnet, so dass er diesen umschließt. Da die
Temperatur des ersten Gemischs im ersten Kanal höher liegt als die Temperatur
des Gases im zweiten Kanal, ergeben sich dadurch thermische Vorteile,
wobei das kühlere
zweite Gas durch das Gemisch aus wärmerem erstem Gas und Fluid
erwärmt
wird und andererseits eine thermische Abschirmung gegenüber einem Außenbereich
ermöglicht.
Dadurch können
Wärmeverluste
an die Umgebung minimiert werden. Die schneckenförmige Ausbildung ermöglicht ferner
einen besonders kompakten Aufbau.
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Besonders
bevorzugt ist die Vorrichtung zur Erzeugung einer turbulenten Strömung an
einem Mündungsbereich
des ersten Kanals in den zweiten Kanal angeordnet. Dadurch wird
wenigstens eine der Strömungen
in Turbulenz versetzt, so dass eine sehr gute Durchmischung der
im ersten Kanal und im zweiten Kanal geführten Stoffströme ermöglicht wird.
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Weiter
bevorzugt ist eine Zufuhrleitung für das erste Gas und eine Zufuhrleitung
für das
zweite Gas senkrecht zum ersten Kanal angeordnet. Dadurch kann die
Gemischbildungseinrichtung sehr kompakt aufgebaut werden. Darüber hinaus
kann ferner sichergestellt werden, dass eine Umlenkung des Stoffstroms
im ersten Mischbereich, in welchem das Fluid zum ersten Gas zugeführt wird,
erreicht wird. Ein Zufuhrkanal und ein Abfuhrkanal sind dabei besonders
bevorzugt parallel nebeneinander angeordnet.
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Vorzugsweise
ist ein Abfuhrkanal für
das erzeugte Gemisch aus den drei Stoffströmen senkrecht zum zweiten Kanal
angeordnet. Hierdurch kann ebenfalls ein sehr kompakter Aufbau realisiert
werden.
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Weiter
bevorzugt ist der Abfuhrkanal im Wesentlichen derart angeordnet,
dass die Strömung
im zweiten Kanal um den Abfuhrkanal herumgeführt ist. Somit ist der Abfuhrkanal
im Wesentlichen mittig angeordnet.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Abfuhrkanal
ein Rohr, welchem das aus den drei Stoffströmen erzeugte Gemisch tangential
zugeführt
wird. Hierdurch kann ein Drall erzeugt werden. Dieser Drall kann
beispielsweise bei einer Anwendung, in welcher sich der Rohrquerschnitt
des Abfuhrkanals im weiteren Verlauf erweitert und beispielsweise
ein Katalysator angeordnet ist, von Vorteil, da sich dann das Gemisch
homogen über
den Querschnitt des Katalysators verteilt.
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Vorzugsweise
ist der zweite Kanal derart ausgebildet, dass sich der zweite Kanal
bis zur Vorrichtung zur Erzeugung einer turbulenten Strömung kontinuierlich
erweitert.
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Weiter
bevorzugt weist der erste Kanal nach der Bildung des Gemischs zwischen
dem ersten Gas und dem Fluid im ersten Mischbereich einen sich verjüngenden
Bereich auf, an welchen sich ein sich erweiternder Bereich anschließt. Hierdurch
kann zuerst eine Beschleunigung des Gemisches aus erstem Gas und
Fluid erzeugt werden und zu einer fortgeführten guten Durchmischung zwischen
erstem Gas und Fluid führen.
Ferner kann dadurch, wenn das Fluid beispielsweise eine Flüssigkeit
ist, das Verdampfen der Flüssigkeit
im ersten Gas unterstützt werden.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Gemischbildungseinrichtung
ferner eine Kühleinrichtung,
welche an der Dosiereinrichtung angeordnet ist, um die Dosiereinrichtung
zu kühlen.
Hierdurch ist es möglich,
dass eine einfach aufgebaute Dosiereinrichtung, wie beispielsweise
ein Einspritzventil o.Ä.,
verwendet werden kann, um dass Fluid zuzuführen.
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Vorzugsweise
ist das Fluid eine Flüssigkeit, insbesondere
ein Kraftstoff, wie z.B. Benzin oder Diesel.
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Weiter
bevorzugt ist das erste Gas hoher Temperatur ein Abgas eines Motors
oder Abgas eines separaten Brenners und das zweite Gas mit einer
niederen Temperatur als das erste Gas ist Luft oder Sauerstoff auf
Umgebungstemperatur.
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Weiter
bevorzugt weist die Gemischbildungseinrichtung einen Aufbau derart
auf, dass der erste Kanal über
einen Winkel von ca. 180° um
den Abfuhrkanal herum angeordnet ist und der zweite Kanal über einen
Winkel von ca. 360° um
den Abfuhrkanal herum angeordnet ist. Hierdurch kann eine sehr gute
Strömungsführung der
Stoffströme
ermöglicht werden,
um eine ausreichende Vermischung der Stoffströme zu ermöglichen und ferner ein sehr
gutes Einleiten des gebildeten Gemisches in den Abfuhrkanal realisiert
werden. Darüber
hinaus kann durch Wahl eines Öffnungswinkels
für einen
Bogenbereich im Abfuhrkanal, in welchen der erste Kanal mündet, ein
im Abfuhrkanal erzeugter Drall reguliert werden.
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Die
vorliegende Gemischbildungseinrichtung wird besonders bevorzugt
zur Reformierung flüssiger Kohlenwasserstoffe
zur Erzeugung eines H2- und CO-reichen Synthesegases
für ein
Kraftfahrzeug verwendet. Bei dieser Anwendung ist das erste Gas
ein Motorabgas oder ein Abgas eines separaten Brenners mit hoher
Temperatur, das Fluid ein flüssiger Kraftstoff,
wie z.B. Benzin oder Diesel, und das zweite Gas mit geringerer Temperatur
Luft. Alternativ kann die erfindungsgemäße Gemischbildungseinrichtung
auf bei einer Abgasnachbehandlung zur Erzeugung eines Luft-Abgas-Kraftstoffgemischs
für eine
Regeneration von NOx-Speicherkatalysatoren oder Partikelfiltern
in Fahrzeugen verwendet werden.
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Zeichnung
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Nachfolgend
wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im
Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer Gemischbildungseinrichtung gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 1 eine Gemischbildungseinrichtung 1 gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der Erfindung im Detail beschrieben.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, umfasst die Gemischbildungseinrichtung 1 eine Dosiereinrichtung 5, welche
ein Fluid 4 in einen ersten Mischbereich 10 zuführt. Das
Fluid 4 ist ein flüssiger
Kraftstoff, z.B. Benzin oder Diesel, und die Dosiereinrichtung 5 ist ein
Einspritzventil. Die Zuführung
des Fluids 4 durch die Dosiereinrichtung 5 wird
durch den Pfeil A angedeutet. Benachbart zur Dosiereinrichtung 5 sind
ferner Kühlleitungen 13a, 13b vorgesehen,
um eine einfache Ausgestaltung der Dosiereinrichtung 5 zu
ermöglichen.
Als Kühlmittel
kann beispielsweise eine Versorgungsluft eines Brenners, Kühlwasser
eines Verbrennungsmotors oder auch eine Durchleitung des unter Druck
stehenden Fluids 4 vor der Einspritzung sein.
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Die
erfindungsgemäße Gemischbildungseinrichtung 1 umfasst
ferner ein erstes Zufuhrrohr 8a, durch welches ein erstes
Gas 2 hoher Temperatur zugeführt wird. Das erste Gas 2 ist
beispielsweise ein heißes
Abgas eines Motors oder eines separaten Brenners. Ein Wärmeinhalt
des ersten Gases 2 muss dabei so groß sein, dass wenn das Fluid 4 ein
flüssiges
Medium ist, eine Verdampfung des flüssigen Mediums im ersten Mischbereich 10 möglich ist.
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Die
Gemischbildungseinrichtung 1 umfasst ferner einen ersten
Kanal 6, welcher mit dem ersten Mischbereich 10 verbunden
ist, und einen zweiten Kanal 7, welcher mit einem zweiten
Zufuhrrohr 8b verbunden ist, durch welches ein zweites
Gas 3 zugeführt
wird. Wie aus 1 ersichtlich ist, ist der erste
Kanal 6 innerhalb des zweiten Kanals 7 geführt, wobei
der zweite Kanal 7 im Wesentlichen schneckenförmig angeordnet
ist. Der erste Kanal 6 mündet in einem zweiten Mischbereich 11,
in welchem der durch den ersten Kanal 6 zugeführte Stoffstrom
mit dem durch den zweiten Kanal 7 zugeführten Stoffstrom, d.h. dem
zweiten Gas 3 vermischt wird. Der erste Kanal 6 ist
dabei um einen Winkel von ca. 180° um
ein Abfuhrrohr 9 herum gebildet und der zweite Kanal 7 ist
in einem Winkel von ca. 360° um das
Abfuhrrohr 9 gebildet und mündet in einem Öffnungsabschnitt 12 des
Abfuhrrohres 9 in dieses. Der Öffnungsabschnitt 12 ist
ein über
einen Winkel α gebildeter
offener Bereich des Abfuhrrohres 9. Die Zuführung des
ersten Gemisches aus dem ersten Gas 2 und dem Fluid 4 aus
dem ersten Mischbereich 10 in den ersten Kanal 6 wird
durch den Pfeil B angedeutet und die Zuführung des zweiten Gases 3 in
den zweiten Kanal 7 wird durch den Pfeil C angedeutet. Zwischen
dem ersten Kanal 6 und dem zweiten Kanal 7 ist
eine gemeinsame Wand 16 gebildet, welche gute Wärmeübertragungseigenschaften
aufweist. Der erste Kanal 6 weist einen sich verjüngenden
Bereich 6a und einen sich daran anschließenden erweiternden
Bereich 6b auf. Ein Bereich mit minimalem Querschnitt im
ersten Kanal 6 ist durch das Bezugszeichen 6c gekennzeichnet.
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Im
Mündungsbereich
des ersten Kanals 6 in den zweiten Kanal 7 ist
ferner eine Vorrichtung 15 zur Erzeugung einer turbulenten
Strömung
vorgesehen. Die Vorrichtung 15 zur Erzeugung einer turbulenten Strömung ist
in diesem Ausführungsbeispiel
lediglich ein abgewinkelter Endbereich der Wand 16 zwischen dem
ersten Kanal 6 und dem zweiten Kanal 7, welcher
dazu führt,
dass das zweite Gas 3 aufgrund der erfolgten Querschnittsverengung
im zweiten Kanal 7 eine starke Turbulenz erfährt, wodurch
in einem zweiten Mischbereich 11 nahe der Mündung des
ersten Kanals 6 in den zweiten Kanal 7 eine sehr
gute Durchmischung zwischen den zum zweiten Mischbereich 11 zugeführten Stoffströmen erfolgt.
Die nun aus drei Stoffströmen
bestehende Mischung wird, wie durch den Pfeil D angedeutet, durch
den Öffnungsabschnitt 12 in
das Abfuhrrohr 9 zugeführt.
Abhängig
vom Öffnungswinkel α des Öffnungsabschnitts 12 wird
im Abfuhrrohr 9 ein Drall E erzeugt, welcher insbesondere
für die
nachfolgende Verwendung des Gemisches von Bedeutung ist. Durch eine Variation
des Öffnungswinkels α kann der
Drall verstärkt
oder abgeschwächt
werden, wobei beispielsweise, wenn dem Abfuhrrohr 9 ein
Katalysator nachgeordnet ist, sich der Querschnitt des Abfuhrrohres 9 erweitert,
das Gemisch homogen über
den Querschnitt des Katalysators verteilt werden kann.
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Die
Gemischbildungseinrichtung 1 kann beispielsweise als Gussteil
hergestellt werden, wobei ein Gehäuse 14 in Längsrichtung
zweigeteilt ist, wie durch den Schnitt in 1 angedeutet.
Das erste Zufuhrrohr 8a, das zweite Zufuhrrohr 8b und
das Abfuhrrohr 9 sind dabei senkrecht zur Ebene, in welcher die
Durchmischung der drei Stoffströme
erfolgt, angeordnet. Es sei angemerkt, dass die Anordnung der Zufuhrrohre
und des Abfuhrrohrs auch anders, z.B. Schräg, sein kann. Die erfindungsgemäße Gemischbildungseinrichtung
kann insbesondere in Fahrzeugen zur Reformierung von flüssigen Kohlenwasserstoffen
zur Erzeugung eines H2- und CO-reichen Synthesegases
sowie zur Abgasnachbehandlung verwendet werden. Durch die erfindungsgemäße schneckenförmige Anordnung
des ersten Kanals 6 und des zweiten Kanals 7 mit
dem im Wesentlichen mittig angeordneten Abfuhrrohr 9 kann
ein sehr kompakter Aufbau realisiert werden. Der kompakte Aufbau
wird ferner durch die zur Strömungsebene
senkrechte Anordnung des ersten und zweiten Zufuhrrohres 8a, 8b und
des Abfuhrrohres 9 verstärkt. Ferner ist die erfindungsgemäße Gemischbildungseinrichtung 1 zur
Mischung von unterschiedlichsten Stoffen geeignet, ohne dass Umbaumaßnahmen
notwendig sind. Die Gemischbildungseinrichtung kann dabei sowohl
auf Ströme
unterschiedlicher Aggregatzustände,
insbesondere gasförmig-flüssig, oder
Stoffströme gleicher
Aggregatzustände,
insbesondere nur gasförmig,
homogen miteinander vermischen. Eine andere Anwendungsmöglichkeit
sind beispielsweise Brennstoffzellenanlagen oder andere chemische Systeme.
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Die
Funktion der erfindungsgemäßen Gemischbildungseinrichtung 1 ist
dabei wie folgt. Ein erstes Gas 2 hoher Temperatur wird
durch das erste Zufuhrrohr 8 in den ersten Mischbereich 10 zugeführt. Mittels
der Dosiereinrichtung 5 wird eine Flüssigkeit in den ersten Mischbereich 10 eingespritzt. Aufgrund
der hohen Temperatur des ersten Gases 2 verdampft diese
Flüssigkeit
beim Einspritzen, so dass zwei gasförmige Stoffe im ersten Mischbereich 10 vermischt
werden. Dieses erste Gemisch wird, wie durch den Pfeil B angedeutet,
in den ersten Kanal 6 zugeführt und im sich verjüngenden
Bereich 6a beschleunigt. Hierdurch wird eine weitere Vermischung des
ersten Gemisches erreicht. Ein zweites Gas wird durch das zweite
Zufuhrrohr 8b zugeführt
und trifft am zweiten Mischbereich 11 auf den Stoffstrom
aus dem ersten Kanal 6. Hierbei wird das zweite Gas 3, welches
ein niedrere Temperatur als das erste Gas aufweist, während der
Zuführung
zum zweiten Mischbereich 11 durch die benachbarte Führung des wärmeren Stoffstroms
im ersten Kanal schon teilweise erwärmt. Die Vorrichtung 15 zur
Erzeugung einer turbulenten Strömung
stellt sicher, dass das zugeführte
zweite Gas 3 als turbulente Strömung zum zweiten Mischbereich 11 zugeführt wird,
um eine sehr gute Vermischung mit dem ersten Gemisch aus dem ersten
Kanal 6 zu ermöglichen.
Das nun aus drei Medien bestehende Endgemisch wird, wie durch den Pfeil
D angedeutet, in das Abfuhrrohr 9 zugeführt, wobei eine Außenwand
dieses Gehäusebereichs tangential
in das Abfuhrrohr 9 übergeht.
Dadurch kann im Abfuhrrohr 9 ein Drall E erzeugt werden,
welcher für
eine anschließende
Nutzung des Endgemisches verwendet werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Gemischbildungseinrichtung
kann dabei auf Prallkörper
oder Ähnliches zur
Durchmischung von Stoffströmen
verzichten, wodurch ein geringerer Druckverlust möglich wird.
Ferner gewährleistet
die Strömungsführung der
wärmeren
Stoffströme
im Inneren der Gemischbildungseinrichtung einen reduzierten Wärmeverlust.
Das Gehäuse 14 der
Gemischbildungseinrichtung kann beispielsweise als Gusseisenbauteil
kostengünstig
in Serie hergestellt werden. Ferner kann das erste Gas 2 hoher
Temperatur zur Verdampfung der Flüssigkeit 4 verwendet
werden. Durch die Erzeugung des Dralls E kann ferner noch eine verbesserte
Homogenisierung des Gemischs erreicht werden.