DE602004003491T2

DE602004003491T2 - Kompakter mixer für fluidströmungshomogenisierung

Info

Publication number: DE602004003491T2
Application number: DE602004003491T
Authority: DE
Inventors: Maarten Bracht; Mathijs Joseph Caanen; Kelvin John Hendrie; Sander Kaart; Jurjen Wietze Van Der Meer; Benedict Ignatius Maria Ten Bosch
Original assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Current assignee: Shell Internationale Research Maatschappij BV
Priority date: 2003-05-19
Filing date: 2004-05-17
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2024-05-18
Also published as: JP4417385B2; EP1626804B1; EP1626804A1; DE602004003491D1; WO2004101125A1; US20070070807A1; JP2007503999A

Description

Die Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung zur Homogenisierung von Temperaturen und/oder Konzentrationen in einer Fluidströmung, ein in solch einer Mischvorrichtung zu verwendendes Modul, eine Vorrichtung zur Bildung von Syngas, die solch eine Mischvorrichtung, die mit einer Quencheinrichtung verbunden ist, umfasst, und einen Energieerzeuger, der eine Brennstoffzelle und solch eine Vorrichtung umfasst.
Die US 6 000 841 offenbart einen statischen Mischer, der einen in Längsrichtung verlängerten Kanal und einen zentralen Körper sowie innerhalb des Kanals angeordnete Vorsprünge umfasst, wobei sich die Vorsprünge radial und nach innen von der Kanalwand erstrecken. Die Vorsprünge leiten die Fluidströmung in Längsrichtung in einer radialen Richtung um. Außerdem werden in der Fluidströmung, die an den Vorsprüngen vorbei geströmt ist, ein Paar Randwirbel erzeugt. In Folge dessen wird die Fluidströmung in dem Abschnitt des Kanals, der sich unterstromig von den Vorsprüngen und dem zentralen Körper erstreckt, gemischt. Dieser Mischer weist eine sehr große axiale Abmessung im Verhältnis zu seinem Gesamtquerschnitt auf.
Die US 4 313 680 offenbart einen Reaktor zum Mischen von Fluidkomponenten bei relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten. Der Reaktor umfasst eine Reaktionskammer, die eine Vielzahl von beabstandeten, strömungsumwandelnden Elementen enthält, um die Strömung von Fluidkomponenten entlang der Mittelachse der Reaktionskammer zu leiten. Diese strömungsumwandelnden Elemente umfassen eine zentrale Öffnung. Der Reaktor umfasst ferner ein strömungsleitendes Element, das unterstromig von jedem strömungsumwandelnden Element angeordnet ist, um den Fluidströmungskörper zu teilen und unter rechten Winkeln von der Mittelachse der Reaktionskammer zu leiten. Diese strömungsleitenden Elemente definieren einen exzentrischen Durchgang in der Reaktionskammer. Auch dieser Reaktor weist eine große axiale Abmessung im Verhältnis zu seinem Gesamtquerschnitt auf.
Die US 2003/0 007 419 offenbart eine Fluidströmungsverlagerungsvorrichtung zum Zerstreuen von Temperaturgradienten, die in einer laminaren Strömung durch Wärmetauscher und Reaktoren auftreten. Der Strömungsverlagerer umfasst einen Kanal und enthält eine Platte, die quer zu der Länge des Kanals angeordnet ist und ein äußeres Profil aufweist, das mit dem inneren Profil des Kanals übereinstimmt, um einen abgedichteten Sitz zu bilden. Anordnungen von Schlitzen erstrecken sich um die Platte herum, um gleichzeitig den Fluidkern zu dem inneren Profil des Kanals und die äußere Umfangsströmung in Richtung des Fluidkerns zu leiten. Die Schlitze sind versetzt, um eine Trennung des Fluidkerns und des Fluids am äußeren Umfang während einer Verlagerung beizubehalten.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Mischer nach dem Stand der Technik zu verbessern. Im Spezielleren besteht das Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine relativ kompakte Mischvorrichtung bereitzustellen.
Demgemäß betrifft die Erfindung eine Mischvorrichtung (6) zur Homogenisierung von Temperaturen und/oder Konzentrationen in einer Fluidströmung, die ein Hohlelement (9) zum Leiten der Fluidströmung aufweist, wobei das Hohlelement (9) umfasst:

(a) einen ersten Einsatz (11), der innerhalb des Hohlelements (9) angeordnet ist und einen exzentrischen Durchgang (12) definiert;
(b) einen zweiten Einsatz (13), der innerhalb des Hohlelements (9) oberstromig von dem ersten Einsatz angeordnet ist, wo bei der zweite Einsatz (13) eine zentrale Öffnung (14) umfasst;
(c) einen dritten Einsatz (16), der in dem Hohlelement (9) unterstromig von dem ersten Einsatz (11) und dem zweiten Einsatz (13) angeordnet ist, wobei der dritte Einsatz (16) zumindest zwei Öffnungen (17) umfasst, die gleichmäßig um einen konzentrischen Kreis innerhalb des dritten Einsatzes (16) herum verteilt sind; und
(d) einen vierten Einsatz (19), der in dem Hohlelement (9) zwischen dem ersten Einsatz (11) und dem dritten Einsatz (16) angeordnet ist, wobei der vierte Einsatz (19) zumindest zwei sich radial erstreckende erste Deflektoren (20) gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 umfasst.

Die Kombination von dem ersten Einsatz, der einen exzentrischen Durchgang definiert, und dem zweiten Einsatz, der eine zentrale Öffnung aufweist, ermöglicht die Konstruktion einer relativ kompakten Mischvorrichtung, da das Fluid durch eine radiale Ablenkung zwischen dem ersten und dem zweiten Einsatz gemischt werden kann. Überdies können entlang des Umfangs des ersten Einsatzes und des Umfangs der zentralen Öffnung in dem zweiten Einsatz Wirbel erzeugt werden, was das Mischen des an den Einsätzen vorbei strömenden Fluids weiter verbessert.
Es wird bevorzugt, dass die Fläche der zentralen Öffnung im Bereich von 50 bis 150 %, vorzugsweise 80 bis 120 % der Wirkfläche des exzentrischen Durchgangs liegt und/oder es wird bevorzugt, dass der zweite Einsatz derart positioniert ist, dass ein radialer Durchgang für die Fluidströmung zwischen dem ersten Einsatz und dem zweiten Einsatz gebildet wird, wobei die Wirkfläche des radialen Durchgangs, gemessen entlang des Umfangs der zentralen Öffnung innerhalb des zweiten Einsatzes, im Bereich von 50 bis 150 %, vorzugsweise 80 bis 120 % der Fläche des exzentrischen Durchgangs liegt. Infolgedessen werden Druckverluste innerhalb der Fluidströmung, die an dem ersten und zweiten Einsatz vorbei strömt, relativ gering sein.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der zweite Einsatz oberstromig von dem ersten Einsatz angeordnet. Dies führt zu einer Mischvorrichtung, in der die Fluidströmung auf Grund der schrittweisen Verringerung des typischen Abstands, über den Temperatur- und Konzentrationsunterschiede innerhalb der Fluidströmung vorhanden sind, gemischt wird. Diese schrittweise Verringerung des typischen Abstands erfolgt jeweils an der zentralen Öffnung des ersten Einsatzes, an dem radialen Durchgang zwischen dem ersten und dem zweiten Einsatz und an dem exzentrischen Durchgang.
Die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung umfasst auch einen dritten Einsatz, der in dem Hohlelement unterstromig von dem ersten Einsatz und dem zweiten Einsatz angeordnet ist, wobei der dritte Einsatz zumindest zwei Öffnungen umfasst, die gleichmäßig entlang eines konzentrischen Kreises innerhalb des dritten Einsatzes verteilt sind. Das an dem dritten Einsatz vorbeiströmende Fluid wird auf Grund einer Umverteilung innerhalb der Fluidströmung durch die zumindest zwei Öffnungen gemischt, da die Fluidströmung durch die zumindest zwei Öffnungen in dem dritten Einsatz geteilt und in der Folge, nach dem Durchströmen der zumindest zwei Öffnungen in dem dritten Einsatz wiedervereinigt wird.
Es wird bevorzugt, dass zumindest zwei der Öffnungen in dem dritten Einsatz mit Deflektoren versehen sind, die vorzugsweise dieselben Umrisse wie die Öffnungen in dem dritten Einsatz aufweisen, wobei sich die Deflektoren radial von dem dritten Einsatz weg erstrecken. Dieser Deflektor verbessert die Umver teilung innerhalb der Fluidströmung weiter und die vorgesehenen Deflektoren können vorteilhafterweise aus der Platte gefertigt werden, aus der der Einsatz selbst gefertigt ist, beispielsweise mittels Laserstrahlzuschnitt des Umrisses der Deflektoren und durch nachfolgendes Anordnen der Deflektoren durch Biegen.
Die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung umfasst auch einen vierten Einsatz, der in dem Hohlelement zwischen dem ersten Einsatz und dem dritten Einsatz angeordnet ist, wobei der vierte Einsatz zumindest zwei sich radial erstreckende erste Deflektoren umfasst. Vorzugsweise umfasst der vierte Einsatz ferner zumindest zwei sich radial erstreckende zweite Deflektoren, die steiler als die zumindest zwei ersten Deflektoren des vierten Einsatzes sind. Am bevorzugtesten sind die zwei ersten Deflektoren innerhalb des vierten Einsatzes mit den zumindest zwei Öffnungen in dem dritten Deflektor ausgerichtet. Der vierte Einsatz führt vorzugsweise zu einer Umverteilung innerhalb der Fluidströmung zwischen dem ersten Einsatz und dem dritten Einsatz der Mischvorrichtung, da der vierte Einsatz die Fluidströmung in im Wesentlichen getrennte Strömungen aufteilt, die gegeneinander in Tangentialrichtung verschoben sind und danach an den Öffnungen in dem dritten Einsatz teilweise wiedervereinigt werden. Überdies können sich die Längen der im Wesentlichen getrennten Strömungen zwischen den geneigten Deflektoren voneinander entlang der Kanten der Deflektoren des vierten Einsatzes unterscheiden, was zu einer verbesserten Durchmischung der im Wesentlichen getrennten Strömungen innerhalb der Fluidströmung führt.
Die Erfindung betrifft ferner ein Modul zur Verwendung in der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung, das die vier Einsätze wie hierin zuvor definiert und einen Rahmen, wie z. B. einen Satz von Leisten, umfasst, wobei die Einsätze in dem Rahmen befestigt sind. Auf diese Weise kann das Modul getrennt von dem Hohlelement gefertigt werden. Vorzugsweise wird um das Modul herum eine isolierende Schutzabdeckung gewickelt, bevor es in dem Hohlelement angeordnet wird.
Die oben erwähnten und weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung unter Bezugnahem auf die Zeichnungen, die schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, besser verständlich. In den Zeichnungen ist:
1 eine schematische Darstellung eines Aufbaus eines Energieerzeugers, in dem eine Mischvorrichtung gemäß der Erfindung enthalten sein kann;
2 eine Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung.
3 eine Explosionsdarstellung der Mischvorrichtung von 2.
Es folgt eine kurze Erklärung eines allgemeinen Aufbaus eines Energieerzeugers, in dem die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung vorteilhafterweise enthalten sein kann, gefolgt von einer Beschreibung der Teile einer bevorzugten Ausführungsform und einer detaillierten Beschreibung des Mischvorgangs innerhalb der bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung gemäß der Erfindung.
Die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung ist zur Homogenisierung von Temperaturen und/oder Konzentrationen in einer Fluidströmung, wie z. B. so genanntem Syngas, das dampfförmiges Wasser umfasst, vorgesehen. Die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung kann vorteilhafterweise in einem Energieerzeuger wie schematisch in 1 gezeigt enthalten sein, in dem Kohlenwasserstoffe (C_xHy) verarbeitet werden. Die Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen resultiert in elektrischer Energie und der Erzeugung von Wärme. Diese Art von Energieerzeugern kann in Gebäuden verwendet werden, um den elektrischen Hauptnetz- oder Ausfallssicherungsstrom bereitzustellen und Wärme für das Zentralheizungssystem des Gebäudes bereitzustellen.
Der Energieerzeuger kann auch in elektrisch betriebenen Fahrzeugen, wie z. B. Autos, verwendet werden, wobei die elektrische Energie genutzt wird, um den Hauptelektromotor des Fahrzeugs zu betreiben. Auf Grund der Tatsache, dass der notwendige Bedarf an elektrischer Energie von handelsüblichen Autos hoch ist und der verfügbare Raum in dem Auto für den Energieerzeuger begrenzt ist, besteht ein Bedarf für kompakte Energieerzeuger, die kompakte Komponenten mit hohen Kapazitäten aufweisen. Eine dieser Komponenten ist eine Mischvorrichtung, auf die sich die Erfindung bezieht.
Ein Energieerzeuger 1 wie oben erwähnt ist in 1 schematisch gezeigt. Diese Art von Energieerzeugern umfasst allgemein zwei Teile und zwar einen Fuel Processor 2, in dem Kohlenwasserstoffe zu Wasserstoff umgewandelt werden, und eine Brennstoffzelle 3, in der Elektrizität durch elektrochemische Oxidation des erzeugten Wasserstoffs erzeugt wird.
Der Fuel Processor 2 umfasst eine Sequenz von gekoppelten Komponenten, die allgemein ein Katalysator-Partialoxidator 4, eine Quencheinrichtung 5, eine Mischvorrichtung 6, einen CO-Konvertierungsabschnitt 7 bzw. ein bevorzugter Oxidator 8 sind. Während einer Verarbeitung erzeugt der Katalysatorteiloxidator 4 heißes Syngas. Um eine weitere Verarbeitung zu ermöglichen muss das von dem Katalysatorteiloxidator 4 erzeugte heiße Syngas mit dampfförmigem Wasser (H₂O) gekühlt und gemischt werden, d. h. das Wasser wird in die heße Syngasströmung eingespritzt und durch die Quencheinrichtung verdampft und danach durch die Mischvorrichtung 6 gemischt.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Mischvorrichtung 6 ist den 2 und 3 gezeigt. Gemäß 2 umfasst die Mischvorrichtung 6 ein Hohlelement, wie z. B. ein rundes Rohr 9, um eine Fluidströmung in einer bevorzugten Richtung wie durch einen Pfeil 10 angezeigt zu leiten.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 umfasst die bevorzugte Ausführungsform der Mischvorrichtung 6 einen ersten Einsatz 11, der innerhalb des Rohres 9 angeordnet ist, und einen kreisförmigen Umfang aufweist. Der erste Einsatz 11 wird beispielsweise durch Laserstrahlzuschnitt hergestellt. Da der Außendurchmesser des Einsatzes 11 kleiner als der Innendurchmesser des Rohres 9 ist, ist zwischen dem ersten Einsatz 11 und der Innenwand des Rohres 9 ein exzentrischer Durchgang 12 definiert, der eine Wirkfläche für den Durchgang der Fluidströmung aufweist. Der exzentrische Durchgang 12 kann auch auf andere Weise definiert sein, beispielsweise durch eine Platte, die mehrere Öffnungen entlang ihres Umfangs aufweist.
Wie in den 2 und 3 gezeigt umfasst die bevorzugte Ausführungsform der Mischvorrichtung 6 ferner einen zweiten Einsatz 13, der innerhalb des Rohres 9 und oberstromig von dem ersten Einsatz 11 angeordnet ist. Dieser zweite Einsatz 13 umfasst eine zentrale Öffnung 14. Sowohl der zweite Einsatz 13 als auch die zentrale Öffnung 14 in dem zweiten Einsatz 13 können einen kreisförmigen Umfang aufweisen und der zweite Einsatz 13 ist an der Innenwand des Rohres 9 beispielsweise durch Schweißen befestigt. Die zentrale Öffnung 14 definiert einen Durchgang für die Fluidströmung. Da der erste Einsatz 11 und der zweite Einsatz 13 im Wesentlichen flach und im Wesentlichen parallel zueinander bei einem bestimmten Abstand A relativ zueinander angeordnet sind, ist ein radialer Durchgang 15 mit einer Wirkfläche für die Fluidströmung zwischen dem ersten Einsatz 11 und dem zweiten Einsatz 13 gebildet. Die Wirkfläche des radialen Durchgangs 15 ist hierin rechtwinklig zu der radialen Fluidströmung definiert. In dieser Ausführungsform sind die Fläche der zentralen Öffnung 14 in dem ersten Einsatz 11 und die Fläche des exzentrischen Durchgangs 12 und die Wirkfläche des radialen Durchgangs 15, gemessen entlang des Umfangs der zentralen Öffnung 14 in dem zweiten Einsatz 13, im Wesentlichen gleich.
Wie in den 2 und 3 gezeigt umfasst die bevorzugte Ausführungsform der Mischvorrichtung 6 ferner einen dritten Einsatz 16, der in dem Rohr 9 an einer unterstromigen Position von dem ersten Einsatz 11 und dem zweiten Einsatz 13 und parallel zu diesen angeordnet ist. Dieser dritte Einsatz 16 kann vorteilhafterweise kreisförmig sein und umfasst vier Öffnungen 17, die gleichmäßig entlang eines konzentrischen Kreises innerhalb des dritten Einsatzes 16 verteilt sind. Die Summe der Flächen der vier Öffnungen 17 macht zwei Drittel der Fläche der zentralen Öffnung 14 in dem dritten Einsatz 16 aus. Der dritte Einsatz 16 wird z. B. durch Laserstrahlschneiden hergestellt und an der Innenwand des Rohres 2 beispielsweise durch Schweißen befestigt. Die Öffnungen 17 in dem dritten Einsatz 16 sind mit sich radial erstreckenden Deflektoren 18 versehen, die dieselben Umrisse wie die Öffnungen 17 in dem dritten Einsatz 16 aufweisen. Die Deflektoren 18 können vorteilhafterweise aus derselben ersten Platte, aus der der dritte Einsatz 16 hergestellt ist, gefertigt sein, beispielsweise durch Laserstrahlschneiden des Umrisses der Deflektoren 18 mit Ausnahme ihrer innersten Kanten. Die Deflektoren 18 werden danach um die Kanten zu ihrer abgelenkten Position, wie in den 2 und 3 gezeigt, gebogen.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 umfasst die bevorzugte Ausführungsform der Mischvorrichtung ferner einen vierten Einsatz 19, der innerhalb des Rohres 9 zwischen dem ersten Einsatz 11 und dem dritten Einsatz 16 und im Wesentlichen parallel zu diesen angeordnet ist. Dieser vierte Einsatz 19 umfasst vier sich radial erstreckende erste Deflektoren 20, die jeweils eine sich außen erstreckende Kante 21 aufweisen, und vier sich radial erstreckende zweite Deflektoren 22, die jeweils eine sich außen erstreckende Kante 23 aufweisen. Die ersten Deflektoren 20 und die zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19 sind versetzt und benachbart zueinander angeordnet. In dieser Ausführungsform sind die zweiten Deflektoren 22 steiler als die ersten Deflektoren 20. Außerdem erstrecken sich die sich außen erstreckenden Kanten 21 der ersten Deflektoren 20 in radialer Richtung in Bezug auf die sich außen erstreckenden Kanten 23 der zweiten Einsätze 22. Die versetzten ersten Deflektoren 20 und zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19 werden durch Steckanschlüsse 24 entlang der benachbarten Kanten der Deflektoren in Bezug zueinander in Position gehalten. Der vierte Einsatz 19 ist derart ausgebildet, dass der vierte Einsatz 19 aus einer flachen Platte beispielsweise mittels Laserstrahlschneidens gebildet werden kann. Dabei können die Umrisse der ersten Deflektoren 20 und der zweiten Deflektoren 22 wie auch die Umrisse der Schlitze der Steckanschlüsse 24 innerhalb desselben Schneidezyklus während der Fertigung des vierten Einsatzes 19 geschnitten werden. Nach dem Schneiden werden die ersten Deflektoren 20 und die zweiten Deflektoren 22 mittels Biegen und durch Einstecken der Steckanschlüsse 24 gebildet. Der erste Einsatz 11 wird vorteilhafterweise an den zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19 entlang der sich außen erstreckenden Kanten 23 der zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19, z. B. durch Schweißen, befestigt. Darüber hinaus fallen die sich außen erstreckenden Kanten 21 der ersten Deflektoren 20 des vierten Einsatzes 19 mit der Innenwand des Rohres 9 zusammen und werden daher an der Innenwand des Rohres 9, beispielsweise durch Schweißen, befestigt. Da die sich außen erstreckenden Kanten 23 der zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19 mit dem Umfang des ersten Einsatzes 11 zusammenfallen, und da die sich außen erstreckende Kanten 23 der zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19 mit der Innenwand des Rohres 9 zusammenfallen, ist der durch den ersten Einsatz 11 definierte exzentrische Durchgang 12 in acht axiale Unter-Durchgänge unterstromig von dem ersten Einsatz 11 unterteilt. Darüber hinaus ist der vierte Einsatz 19 derart eingerichtet, dass die ersten Deflektoren 20 des vierten Einsatzes mit den vier Öffnungen 17 in dem dritten Einsatz 16 ausgerichtet sind.
Unter Bezugnahme auf die 2 und 3 umfasst die bevorzugte Ausführungsform der Mischvorrichtung 6 ferner eine perforierte Platte 25, die unterstromig von dem dritten Einsatz 16 angeordnet ist. Diese perforierte Platte 25 ist vorteilhafterweise an der Innenwand des Rohres 9 beispielsweise durch Schweißen befestigt. Die typische offene Fläche der perforierten Platte kann 25 % betragen.
Im Betrieb ist der Vorgang innerhalb der bevorzugten Ausführungsform wie folgt:
Eine Fluidströmung wird von dem Rohr 9 in der Richtung wie durch den Pfeil 10 in den 2 und 3 angezeigt geleitet. Danach strömt die Fluidströmung an der zentralen Öffnung 14 in dem ersten Einsatz 11, der Fläche des radialen Durchgangs 15 zwischen dem ersten Einsatz 11 und dem zweiten Einsatz 13, dem durch den ersten Einsatz 11 definierten exzentrischen Durchgang 12, den ersten Deflektoren 20 und/oder den zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19, den Öffnungen 17 in dem vierten Einsatz 19, den Deflektoren 18 an dem ersten Einsatz 16 und der perforierten Platte 25 vorbei.
Die an dem ersten Einsatz 11 und dem zweiten Einsatz 13 vorbeiströmende Fluidströmung wird durch die radiale Ablenkung der Fluidströmung zwischen dem ersten Einsatz 11 und dem zweiten Einsatz 13 wie auch durch die Erzeugung von Wirbeln in der Fluidströmung entlang des Umfangs des ersten Einsatzes 11 und entlang des Umfangs der zentralen Öffnung 14 in dem zweiten Einsatz 13, wie auch durch die nachfolgenden stufenweisen Verringerungen des typischen Abstands, über den Temperatur- und Konzentrationsunterschiede vorliegen, gemischt. Diese schrittweisen Verringerungen des typischen Abstands erfolgen jeweils an der zentralen Öffnung 14 des ersten Einsatzes 11, an der Fläche des radialen Durchgangs 15 zwischen dem ersten Einsatz 11 und dem zweiten Einsatz 13 und an dem durch den ersten Einsatz 11 definierten exzentrischen Durchgang 12. In dieser bevorzugten Ausführungsform sind die Fläche der zentralen Öffnung 14 in dem ersten Einsatz 11 und die Wirkfläche des exzentrischen Durchgangs 12 und die Wirkfläche des radialen Durchgangs 15, gemessen entlang des Umfangs der zentralen Öffnung 14 in dem zweiten Einsatz 13, im Wesentlichen gleich. Infolgedessen sind Druckverluste innerhalb der Fluidströmung, die an dem ersten und zweiten Einsatz vorbei strömt, relativ gering.
Nach dem Vorbeiströmen an dem ersten Einsatz 11 erfolgt eine Umverteilung innerhalb der Fluidströmung, da die Fluidströmung durch die sich radial erstreckenden ersten Deflektoren 20 und die zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19 in acht im wesentlichen getrennte Strömungen aufgeteilt ist. Auf Grund der zueinander unterschiedlichen Neigungen der ersten Deflektoren 20 und der zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes und auf Grund der Position der Öffnungen 17 in Bezug auf den dritten Einsatz 16 werden die im Wesentlichen getrennten Strö mungen gegeneinander in tangentialer Richtung verschoben und danach an den Öffnungen 17 in dem dritten Einsatz 16 wiedervereinigt. Da die Längen der im Wesentlichen getrennten Strömungen sich entlang der geneigten Kanten der ersten Deflektoren 20 und der zweiten Deflektoren 22 des vierten Einsatzes 19 unterscheiden, wird die Durchmischung der im Wesentlichen getrennten Strömungen innerhalb der Fluidströmung noch weiter verbessert.
Nach dem Durchströmen der Öffnungen 17 in dem dritten Einsatz 16 werden die von den Öffnungen 17 geleiteten teilweise wiedervereinigten Fluidströmungen wiedervereinigt. Darüber hinaus wird die Fluidströmung durch die radiale Ablenkung der Fluidströmung durch die sich radial erstreckenden Deflektoren 18 des dritten Einsatzes 16 weiter umverteilt.
Zuletzt durchströmt die Fluidströmung die perforierte Platte 25 der Mischvorrichtung 6, wodurch die Umverteilung innerhalb der Fluidströmung ebenfalls verstärkt wird.
Es sollte einzusehen sein, dass die Mischvorrichtung 6 gemäß der Erfindung eine Fluidströmung mit Hilfe einer kombinierten radialen Ablenkung der Fluidströmung durch schrittweise Verringerungen des typischen Abstands, über den Temperatur- und Konzentrationsunterschiede in der Fluidströmung vorliegen, durch Umverteilung von im Wesentlichen getrennten Strömungen innerhalb der Fluidströmung und durch die Erzeugung von Wirbeln mischt.
In der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung 6 umfasst der dritte Einsatz 16 vier Öffnungen 17, die mit vier Deflektoren 18 versehen sind, und der vierte Einsatz 19 umfasst vier erste Deflektoren 20 und vier zweite Deflektoren 22. Gute Mischergebnisse werden auch mit zwei oder drei solcher Gruppen erhalten, vier Gruppen sind jedoch bevorzugt.
In der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung 6 ist die Summe der Flächen der vier Öffnungen 17 in dem dritten Einsatz 16 zwei Drittel der Fläche der zentralen Öffnung 14 in dem zweiten Einsatz 13. Im Allgemeinen wird bevorzugt, dass die Summe der Flächen der zumindest zwei Öffnungen in dem dritten Einsatz 15 bis 115 % und noch bevorzugter 45 bis 85 % der Fläche der zentralen Öffnung in dem zweiten Einsatz beträgt.
In der beschriebenen bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung 6 wurden der zweite Einsatz 13, der dritte Einsatz 16, der vierte Einsatz 19 und die perforierte Platte 25 an der Innenwand des Rohres 9, beispielsweise mittels Schweißen befestigt. Es ist auch möglich, die Einsätze und die perforierte Platte innerhalb einer beliebigen Art von Rahmen, wie z. B. einem Satz von Leisten oder dergleichen, zu befestigen, wodurch ein Modul gebildet wird. Das Modul kann innerhalb des Rohres 9 eingebettet sein. Um eine ausreichende Isolierung zwischen den Einsätzen des Moduls und der Innenwand des Rohres 9 sicherzustellen, wird bevorzugt, dass das Modul in eine isolierende Schutzabdeckung gewickelt wird, bevor das Modul in dem Rohr angeordnet wird.
Selbstverständlich ist die Mischvorrichtung gemäß der Erfindung nicht auf die in den Zeichnungen und hierin zuvor beschriebene bestimmte Ausführungsform beschränkt, sondern kann auf verschiedene Arten innerhalb des Umfangs der Erfindung wie durch die Ansprüche definiert abgewandelt werden.

Claims

Mischvorrichtung (6) zur Homogenisierung von Temperaturen und/oder Konzentrationen in einer Fluidströmung mit einem Hohlelement (9) zum Leiten der Fluidströmung, wobei das Hohlelement (9) umfasst (a) einen ersten Einsatz (11), der innerhalb des Hohlelements (9) angeordnet ist und einen exzentrischen Durchgang (12) definiert; (b) einen zweiten Einsatz (13), der innerhalb des Hohlelements (9) oberstromig von dem ersten Einsatz angeordnet ist, wobei der zweite Einsatz (13) eine zentrale Öffnung (14) umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlelement (9) ferner umfasst: (c) einen dritten Einsatz (16), der in dem Hohlelement (9) unterstromig von dem ersten Einsatz (11) und dem zweiten Einsatz (13) angeordnet ist, wobei der dritte Einsatz (16) zumindest zwei Öffnungen (17) umfasst, die gleichmäßig um einen konzentrischen Kreis innerhalb des dritten Einsatzes (16) herum verteilt sind; und (d) einen vierten Einsatz (19), der in dem Hohlelement (9) zwischen dem ersten Einsatz (11) und dem dritten Einsatz (16) angeordnet ist, wobei der vierte Einsatz (19) zumindest zwei sich radial erstreckende erste Deflektoren (20) umfasst.
Mischvorrichtung (6) nach Anspruch 1, wobei die Fläche der zentralen Öffnung (14) im Bereich von 50 bis 150 %, vorzugsweise 80 bis 120 % der Wirkfläche des exzentrischen Durchgangs (12) liegt.
Mischvorrichtung (6) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zweite Einsatz (13) derart angeordnet ist, dass ein radialer Durchgang (15) für die Fluidströmung zwischen dem ersten Einsatz (11) und dem zweiten Einsatz (13) gebildet ist, wobei die Wirkfläche des radialen Durchgangs (15), gemessen entlang des Umfangs der zentralen Öffnung (14) innerhalb des zweiten Einsatzes (13) im Bereich von 50 bis 150 %, vorzugsweise 80 bis 120 % der Wirkfläche des exzentrischen Durchgangs (12) liegt.
Mischvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei von den Öffnungen (17) in dem dritten Einsatz (16) mit Deflektoren (18) versehen sind, die vorzugsweise dieselben Konturen aufweisen wie die Öffnungen (17) in dem dritten Einsatz (16), und wobei sich die Deflektoren (18) radial von dem dritten Einsatz (16) erstrecken.
Mischvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vierte Einsatz (19) ferner zumindest zwei sich radial erstreckende Deflektoren (22) aufweist, die steiler als die zumindest zwei ersten Deflektoren (20) innerhalb des vierten Einsatzes (19) sind.
Mischvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zumindest zwei ersten Deflektoren (20) mit den zumindest zwei Öffnungen (17) in dem dritten Einsatz (16) ausgerichtet sind.
Mischvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine perforierte Platte (25), die innerhalb des Hohlelements (9) unterstromig von dem dritten Einsatz (16) angeordnet ist.
Mischvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Summe der Flächen der ersten zumindest zwei Öffnungen (17) in dem dritten Einsatz (16) 15 bis 115 %, vorzugsweise 45 bis 85 % der Fläche der zentralen Öffnung (14) in dem zweiten Einsatz (13) beträgt.
Mischvorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der vierte Einsatz (19) aus einem Stück gebildet ist und wobei die ersten Deflektoren (20) und die zweiten Deflektoren (22) gegeneinander versetzt und nebeneinander angeordnet sind und mit Hilfe von Steckanschlüssen (24) entlang der benachbarten Kanten der Deflektoren in Position in Bezug zueinander gehalten sind.
Modul zur Verwendung in der Mischvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen ersten Einsatz (11), einen zweiten Einsatz (13), einen dritten Einsatz und einen vierten Einsatz und einen Rahmen, wie z. B. einen Satz von Leisten, wobei die Einsätze (11, 13) in dem Rahmen befestigt sind.
Vorrichtung (2) zur Bildung von Syngas, umfassend eine Quencheinrichtung (5) und die Mischvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mischvorrichtung (6) mit der Quencheinrichtung (5) verbunden ist.
Energieerzeuger (1), umfassend zumindest eine Brennstoffzelle (3) und die Vorrichtung (2) zur Bildung von Syngas nach Anspruch 11.