DE19842622C1 - Turbulenzerzeuger - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen innerhalb eines von einem Fluid durchströmten Strömungsraums (7) angeordneten Turbulenzerzeuger (3), der aus einer wellenförmig ausgebildeten Schicht besteht, wobei der von dem Fluid umströmbare Bereich der Schicht Durchbrechungen (D) aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Turbulenzerzeuger nach dem Oberbegriff des Patentan
spruchs 1.
Turbulenzerzeuger kommen allgemein in Strömungsmodulen zum Einsatz, die
innerhalb von Strömungsräumen oder Strömungskammern von einem oder mehre
ren Medien durchströmt werden. Die Strömungsmodule sind zum Beispiel in Form
von Plattenmodulen, ähnlich einem Plattenwärmetauscher ausgebildet. Der Turbu
lenzerzeuger ist innerhalb der Strömungskammern angeordnet und in bekannten
Ausführungen insbesondere als ebenes Drahtgeflecht, Drahtgitter oder Streckmetall
struktur ausgebildet.
Um mit diesen bekannten Turbulenzerzeugern eine Gleichverteilung des Fluids über
deren gesamte Breite zu erzeugen, ist es nötig, vor dem Turbulenzerzeuger spezielle
Verteilungsvorrichtungen anzuordnen. Dies führt allerdings zu hohen Druckverlusten.
Aus der DE 44 21 025 A1 ist darüber hinaus ein bandförmiger Verwirbelungskörper
in Wellenform bekannt, der in dem von einem Fluid umströmten Bereich Durchbre
chungen aufweist.
Mit den obengenannten Turbulenzerzeugern ist es nur bedingt möglich, Kräfte
senkrecht zur Turbulenzerzeugerebene zu übertragen. Das bedeutet insbesondere,
daß der Turbulenzerzeuger nur eingeschränkt zur Stabilität des gesamten Strö
mungsmoduls beitragen kann.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Turbulenzerzeuger zu schaffen, der
neben einer guten Turbulenzerzeugung und geringem Druckverlust folgende vorteil
hafte Eigenschaften aufweist:
- - gute Kraftübertragung senkrecht zur Ebene des Turbulenzerzeugers, sowie
- - gleichmäßige Verteilung des Fluidstroms in der Ebene des Turbulenzerzeugers.
Diese Aufgabe wird mit dem Turbulenzerzeuger nach Anspruch 1 gelöst. Eine vorteilhafte
Ausführung ist Gegenstand eines weiteren
Anspruchs.
Der erfindungsgemäße Turbulenzerzeuger besteht aus einer wellenförmig ausgebil
deten Schicht, die Durchbrechungen aufweist.
Die einzelnen, aufeinanderfolgenden Wellenbäuche im Profil der wellenförmigen
Schicht können dabei z. B. sinusförmig, halbkreisförmig oder sonstwie gekrümmt sein.
Der Begriff wellenförmig im Sinne dieser Erfindung umfaßt jedoch auch Profile mit
Wellenbäuchen aus einem Dreieck, Trapez oder andere, Knicke aufweisende
geometrische Formen. Insbesondere sind auch Wellenprofile mit unterschiedlichen
Formen und Abmessungen der Wellenbäuche möglich.
Die Durchbrechungen können kreisförmig, oval oder eine beliebige sonstige Form
aufweisen. Besonders vorteilhaft wird die Form eines regelmäßigen Sechsecks
gewählt. Diese spezielle Form der Durchbrechungen hat den Vorteil der besseren
Herstellbarkeit, insbesondere wenn man als Fertigungsverfahren die Kaltumformung
wählt.
Um die Steifigkeit des Turbulenzerzeugers weiter zu erhöhen, ist er aus mehreren
Teilbereichen gebildet, wobei die Wellenkämme der zueinander benachbarten
Teilbereiche einen Winkel ungleich Null, 180 oder 360 Grad bilden, also zueinander
nicht parallel sind.
Zwei aneinanderstoßende Wellenkämme aus benachbarten
Teilbereichen bilden jeweils eine Spitze. Diese Spitzen werden erfindungsgemäß
in die Hauptströmrichtung des Fluids ausgerichtet. Durch diese Anordnung wird
die gleichmäßige Verteilung des Fluides über den gesamten Bereich des Turbulenz
erzeugers weiter verbessert.
Die Erzeugung von Turbulenzen in der Ebene des Turbulenzerzeugers ist sehr gut.
Die Druckverluste sind geringer als bei den bekannten Turbulenzerzeugern. Die
Kraftübertragung senkrecht zur Turbulenzerzeugerebene ist gegenüber bekannten
Vorrichtungen verbessert. Dies gilt insbesondere dann, wenn man den erfindungs
gemäßen Turbulenzerzeuger mittels Kaltumformung und der damit einhergehenden
Kaltverfestigung herstellt. Außerdem wird mit dem erfindungsgemäßen Turbulenzer
zeuger eine gleichmäßige Verteilung des Fluids über den gesamten Bereich des
Turbulenzerzeugers erreicht. Dadurch kann die strömungstechnisch aktive Fläche
des Bauteils erhöht werden.
Die Anwendungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers liegen
überall dort, wo Strömungsmodule mit guten Verteilungseigenschaften bei geringem
Druckverlust ebenso gefordert wird wie die Kraftübertragung senkrecht zur Turbulen
zerzeugerebene sowie eine gute Effizienz. Spezielle Anwendungsmöglichkeiten
liegen in direktbeheizten Modulen sowie Gas/Gaswärmetauschern,
Gas/Flüssigwärmetauschern sowie Verdampfern, insbesondere auch zur Anwendung
in Brennstoffzellensystemen.
Die Erfindung wird anhand beispielhafter Ausführungen unter Bezugnahme auf
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein Strömungsmodul mit erfindungsgemäßem Turbulenzerzeuger;
Fig. 2 eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers;
Fig. 3 eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers;
Fig. 4 verschiedene Wellenprofile eines erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers.
Ein Beispiel für ein Strömungsmodul ist eine direktbeheizte Gaserzeugungseinheit 1,
wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, innerhalb eines Brennstoffzellensystems.
Zweck dieser Einheit ist es, das später für die Brennstoffzellenreaktion benötigte Gas
durch Verdampfen aus dem flüssigen Zustand bereitzustellen. Das Fluid wird dabei
von dem Zustand flüssig-unterkühlt in den Zustand dampfförmig-überhitzt überführt.
Die Gaserzeugungseinheit 1 ist in beispielhaften Ausführungen als Plattenmodul
aufgebaut, wobei altemierend Verdampferräume 5 und Katalysatorbrennräume 7
angeordnet sind. Die einzelnen Platten, die Verdampferraum 5 und Katalysatorbrenn
raum 7 voneinander trennen, sind in der Form eines Stapels (englisch stack) ange
ordnet. Dabei können die einzelnen Platten zum Beispiel miteinander verlötet
werden. Vorteilhaft können die Lötschichten galvanisch aufgebracht werden. Die
Verdampferräume 5 werden von dem zu verdampfenden Medium durchströmt. Die
für die Verdampfung benötigte Wärme wird durch eine katalytische Reaktion inner
halb der benachbarten Katalysatorbrennräume 7 erzeugt. Dazu ist in den Brennräu
men ein Katalysatormaterial vorhanden. Zum Beispiel können die Wände der Brenn
räume 7 mit dem Katalysator beschichtet sein. Möglich ist aber auch die Einbringung
von Schüttgut. Der Katalysator reagiert mit einem Reaktionsmedium, der die Brenn
räume 7 durchströmt.
Um die größtmögliche Betriebssicherheit der Gaserzeugungseinheit 1 zu erreichen,
ist es notwendig, den Reaktionsgasstrom über die gesamte mit Katalysator be
schichtete Fläche gleichmäßig zu verteilen. Um die größtmögliche Kompaktheit des
Bauteils zu erreichen, muß die Wärmeübertragungsfläche der einzelnen Platten
maximal sein. Ferner ist es für die Fertigung von gelöteten Komponenten wichtig,
einen definierten Druck auf die Lötstellen zu übertragen. Darüberhinaus sollte der
Druckverlust des Reaktionsmediums im Katalysatorbrennraum 7 möglichst gering
sein.
Um diese Forderungen zu erfüllen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung in die
Katalysatorbrennräume 7 jeweils ein erfindungsgemäßer Turbulenzerzeuger 3
eingebracht, der in den Fig. 2 bis 4 noch näher beschrieben wird. Dabei können die
Platten, die Brennräume 7 und Verdampferräume 5 trennen, unmittelbar auf den
Wellenbäuchen des Turbulenzerzeugers aufliegen, wie in Fig. 1 dargestellt. Durch
die hohe Steifigkeit der erfindungsgemäßen Turbulenzerzeuger 3 können diese
wesentlich zur Stabilität des gesamten Plattenmoduls beitragen.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführung des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers 3,
der insbesondere aus einem metallischen Werkstoff gefertigt sein kann. Wie man aus
Fig. 2a erkennt, besteht er hier aus zwei Teilbereichen 10, 20. Jede der Teilbereiche
10, 20 ist durchgängig als wellenförmige Schicht ausgebildet. Über den gesamten
Bereich des Turbulenzerzeugers sind - in Fig. 2a nicht dargestellt - Durchbrechungen
D (siehe Fig. 2b, c) vorhanden, durch die das Fluid hindurchströmen kann. Durch die
Durchbrechungen D werden unterschiedliche lokale statische Drücke erzeugt, was
die Turbulenz erhöht.
Beide Teilbereiche 10, 20 des Turbulenzerzeugers sind in dieser Ausführung nach Art
einer ebenen Welle ausgebildet, d. h. die Wellenkämme WK innerhalb desselben
Teilbereichs 10, 20 sind parallel zueinander, wobei der Abstand benachbarter Wellen
kämme konstant ist. Wie aus der Fig. 2a ebenfalls zu erkennen ist, verlaufen die
Wellenkämme des Teilbereichs 10 bezogen auf die Wellenkämme des Teilbereichs
20 unter einem bestimmten Winkel α ungleich 0, 180 oder 360°, im vorliegenden Fall
ca. 90°. Jeweils zwei aneinanderstoßende Wellenkämme WK aus den verschiedenen
Teilbereichen bilden eine Spitze. Die neben- bzw. hintereinanderliegenden Spitzen
bilden somit eine Art Fischgrätenmuster.
Wählt man für die Zufuhr des Fluids den zentralen Bereich E (Fig. 2a) an der Grund
seite des Turbulenzerzeugers 3, und für die Abfuhr den zentralen Bereich A der
gegenüberliegenden Seite, so ergibt sich, daß diese Spitzen gerade in die Haupt
stromrichtung des Fluids ausgerichtet sind. Diese Anordnung hat wesentliche Vorteile
hinsichtlich der Verteilung des Fluids über den Turbulenzerzeuger. Dadurch werden
nämlich auch die äußersten Bereiche AB des Turbulenzerzeugers links und rechts
des Zufuhrbereichs E von dem Fluid überströmt.
Fig. 2b zeigt einen Schnitt entlang A-A (Maßstab 1 : 10) innerhalb des Teilbereichs 20
des Turbulenzerzeugers 3 nach Fig. 2a. Es handelt sich um ein periodisches,
wellenförmiges Profil. PM bezeichnet den Punkt der maximalen Erhebung. Bei einer
dreidimensionalen Darstellung der Welle wird dieser Punkt PM zu einem Wellen
kamm. Als Wellenbauch wird jeweils eine Halbwelle bezeichnet.
Die Durchbrechungen D sind in Fig. 2b ebenfalls eingezeichnet. Sie sind in dieser
Ausführung jeweils zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenbäuchen angeordnet.
Fig. 2c zeigt einen Abschnitt des Turbulenzerzeuger in Draufsicht, bei der die
Durchbrechungen D beispielhaft eingezeichnet sind. Die Durchbrechungen können,
wie in Fig. 2c gezeigt, insbesondere regelmäßig, zum Beispiel in Spalten und Zeilen,
über den Turbulenzerzeuger verteilt sein.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Turbulenzerzeugers.
Wie man aus der Fig. 3a erkennt, umfaßt er vier Teilbereiche 10, 20, 30, 40. Jeder
dieser Teilbereiche ist als wellenförmige Schicht ausgebildet. Die Wellenkämme WK
jeweils benachbarter Bereiche weisen eine bestimmten, von 0, 180 oder 360°
verschiedenen Winkel α zueinander auf. In der in Fig. 3a dargestellten Ausführung
ergibt sich insgesamt ein M- (oder je nach Blickrichtung W-) förmiger Verlauf der
Wellenkämme über die Breite des Turbulenzerzeugers. Über den gesamten, von
dem Fluid überströmbaren Bereich des Turbulenzerzeugers sind Durchbrechungen D
angeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Durchbrechungen D nicht in
Fig. 3a, aber in Fig. 3b und 3c eingezeichnet. Bei der hier gezeigten Ausführung
kann das Fluid vorteilhaft an den beiden Bereichen E1, E2 an der Grundseite des
Turbulenzerzeugers erfolgen. Die Abfuhr des Fluids erfolgt im zentralen Bereich A
der gegenüberliegenden Seite. Somit verlaufen die aus den aneinanderstoßenden
Wellenkämmen WK der Bereiche 10, 20 gebildeten Spitzen sowie die aus den
aneinanderstoßenden Wellenkämmen der Bereiche 30, 40 gebildeten Spitzen jeweils
in Hauptströmrichtungen des Fluids.
Fig. 3b zeigt einen Schnitt entlang A-A innerhalb des Teilbereichs 30 des Turbulenz
erzeugers nach Fig. 3a. Man erkennt das wellenförmige Profil der Turbulenzerzeu
gerschicht, das der in Fig. 2 gezeigten Ausführung entspricht.
Fig. 3c zeigt einen Abschnitt des Turbulenzerzeugers in Draufsicht, bei der die
Durchbrechungen D beispielhaft eingezeichnet sind.
Fig. 4 zeigt beispielhaft mehrere periodische Wellenprofile, die bei dem erfindungs
gemäßen Turbulenzerzeuger verwendet werden können. Fig. 4a zeigt eine Zick-
Zacklinie, bei dem die aufeinanderfolgenden Wellenbäuche als Dreiecke ausgebildet
sind. In Fig. 4b und 4c sind die Wellenbäuche als Quadrat oder Trapez ausgebildet.
Die Fig. 4d bis 4g zeigen weitere Wellenprofile, die anders als die in den Fig. 4a bis
4c gezeigten Ausführung keine Knicke aufweisen. Die Profile von Fig. 4d bis 4g
unterscheiden sich untereinander insbesondere in der Wellenlänge und in der
Amplitude.
Alle dargestellten Wellenprofile weisen bei allen Wellenbäuchen konstante Amplitu
den auf, was hinsichtlich der Herstellbarkeit der Profile Vorteile bringt. Es ist jedoch
auch möglich, die Amplitude zu variieren, in dem z. B. die Wellenbäuche mit der
laufenden Nummer n, n + 2, n + 4 eine bestimmte, konstante Amplitude aufweisen, und
die übrigen Wellenbäuche n + 1, n + 3, usw. eine davon verschiedene, aber ebenfalls
konstante Amplitude aufweisen. Auf analoge Weise können auch die Formen der
Wellenbäuche variiert werden.
An den Profilen sind Durchbrechungen D eingezeichnet, die hier aus Gründen der
Übersichtlichkeit jeweils nur über einen kurzen Abschnitt des Profils eingezeichnet
sind. Es wird darauf hingewiesen, daß die Durchbrechungen in der Regel über den
gesamten Profilbereich vorhanden sind.
Claims (2)
1. Turbulenzerzeuger (3), angeordnet innerhalb eines von einem Fluid durch
strömten Strömungsraums (7), und bestehend aus einer wellenförmig ausgebil
deten Schicht, wobei der von dem Fluid umströmbare Bereich der Schicht
Durchbrechungen (D) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
- 1. die Schicht aus mindestens zwei Teilbereichen (10, 20, 30, 40) besteht, wobei die Wellenkämme (WK) der zueinander benachbarten Teilbereiche einen Win kel (α) ungleich Null, 180 oder 360 Grad bilden, und
- 2. jeweils zwei Wellenkämme (WK) aus benachbarten Teilbereichen (10, 20; 30, 40) der Schicht eine Spitze bilden, die in eine der Hauptströmrich tungen des Fluids gerichtet ist.
2. Turbulenzerzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch
brechungen (D) die Form eines regelmäßigen Sechsecks aufweisen.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE1998142622 DE19842622C1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Turbulenzerzeuger |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1998142622 DE19842622C1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Turbulenzerzeuger |
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DE1998142622 Expired - Fee Related DE19842622C1 (de) | 1998-09-17 | 1998-09-17 | Turbulenzerzeuger |
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Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19842622C1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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-
1998
- 1998-09-17 DE DE1998142622 patent/DE19842622C1/de not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: XCELLSIS GMBH, 70567 STUTTGART, DE |
|
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: BALLARD POWER SYSTEMS AG, 70567 STUTTGART, DE |
|
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: NUCELLSYS GMBH, 73230 KIRCHHEIM, DE |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110401 |