DE69731841T2

DE69731841T2 - Fraktale kaskade als alternative zu interfluid-turbulenz

Info

Publication number: DE69731841T2
Application number: DE69731841T
Authority: DE
Inventors: M. Michael KEARNEY
Original assignee: Amalgamated Research LLC
Current assignee: Amalgamated Research LLC
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1997-09-29
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2017-09-30
Also published as: WO1998014268A1; JP3653283B2; EP0932442A4; ATE283728T1; DE69731841D1; EP0932442A1; US5938333A; JP2001509728A; EP0932442B1

Description

TECHNISCHES GEBIET
Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Mischen von Fluiden und ist insbesondere auf Mischverfahren zur Minimierung von Turbulenzen ausgerichtet. Sie schafft eine rekursive Kaskadenleitungsstruktur.
Stand der Technik
Turbulenzen befinden sich unter den wichtigsten Phänomenen der Strömungstechnik. Die meisten Arten der Strömungstechnik sind turbulent; gebräuchliche Beispiele sind Prozessmischung, Flußströme, Flüssigkeitsstrahlen, Atmosphären- und Ozeanströme, Pumpenvor-/rücklauf, Wassersäulen und das Kielwasser von Schiffen. Turbulenzen werden durch die Entwicklung von Wirbelkaskaden charakterisiert. Der Begriff „Kaskade" wird in dieser Offenbarung dazu verwendet, den Fluß von Fluiden durch eine Reihe von Gebieten zu charakterisieren, die von höheren zu niedrigeren Energieniveaus verlaufen. Innerhalb der Wirbelkaskaden verursachen die Ströme schnelle Fluktuationen in Bezug auf Raum und Zeit der physikalischen Eigenschaften eines Fluids. Ein charakteristisches Merkmal der Turbulenz besteht im Energiefluß von größeren zu kleineren Raumskalen. Energie wird die Wirbelkaskade zu immer kleineren Wirbeln hinuntergeführt, bis die Eigenviskosität des Fluids eine Dissipation der Energie als Wärme verursacht.
Man verläßt sich bei einer großen Reihe von Prozessen auf Turbulenzen. Diese Prozesse umfassen Wärme- und Massetransfer sowie Fluidverteilung und -mischung. Obwohl sie für solche praktische Anwendungen zweckmäßig sind, stellen Turbulenzen auch gewisse Beschränkungen und negative Eigenschaften für die kommerziellen Prozesse dar, in denen sie auftreten.
Turbulenzen können überall in Mischverfahren angetroffen werden. Die Molekülzerstreuung ist ein sehr langsames Verfahren mit begrenzter Anwendung. „Streck- und Unterhebtechniken" werden angewandt, um Material mit sehr hoher Viskosität zu mischen, finden aber ansonsten wenig praktische Anwendung. Fast alle anderen Formen des Mischens beinhalten irgendeine Form herbeigeführter Turbulenz. Am gebräuchlichsten ist die Anwendung der mechanischen Wechselwirkung zur Schaffung eines gewünschten Bewegungsniveaus. Mischgeräte umfassen Propeller und Rührgeräte, Belüftungseinrichtungen, Schüttelgeräte, Mischpumpen und Pumpen. Andere Geräte sind auf verschiedene Ausbildungen der Flüssigkeitsströme, Ablenkplatten oder Prallstrukturen zur Schaffung von Turbulenzen angewiesen. Alternativ können die zu mischenden Fluide durch eine als „bewegungsloser" oder „statischer" Mixer bezeichnete Vorrichtung geführt werden. Solche Geräte sind statisch in Bezug auf ihre Struktur, verfügen jedoch über innere Elemente, die zur Schaffung von Interfluid-Turbulenzen angeordnet sind.
Nicht-turbulente Mischgeräte sind sehr ungebräuchlich und stehen nicht im Einklang mit gängiger Erfahrung. US-Patent 4,019,721 enthüllt ein Mischgerät, dadurch gekennzeichnet, daß es „nicht-turbulent" ist. Die Vorrichtung des Patents funktioniert so, daß Fluide nach oben in eine eine schwere Kugel enthaltende Kammer geführt werden. Die Veröffentlichung stellt fest, daß Turbulenzen wahrscheinlich in dem Fluid auf der Stromabwärtsseite der Kugel verursacht werden, neben anderen wenig bekannten nicht-turbulenten Mischeffekten, die beim Fluß des Fluids um die Kugel entstehen.
Das Mischen von Fluiden wird als ein turbulentes Verfahren betrachtet, und die Wirksamkeit des Mischens wird in Abhängigkeit des Ausmaßes der Turbulenz betrachtet. Es ist gängiges Wissen, daß sich das Mischen mit zunehmender Turbulenz verbessert. Größere Turbulenzen werden zum Beispiel dadurch erreicht, daß die Mischschaufelgeschwindigkeit erhöht wird (höhere Umdrehungen pro Minute „U/min"), die Fluide stärker geschüttelt und schneller gerührt werden, indem Turbulenzen verursachende Schaufeln und ähnliche Hilfsmittel hinzugefügt werden, um den Fluiden Energie zu verleihen.
„Sorptionsprozesse" beinhalten den Kontakt eines Fluidstroms mit einem Festbett aus festen Teilchen. In solchen Verfahren wird ein festes Sorptionsmaterial mit einem Fluid umgeben, das sich durch die Luftblasen um bzw. in den Festteilchen bewegt. Die gewöhnliche Konfiguration eines Sorptionsprozesses umfasst mit dem festen Sorptionsmaterial gefüllte Säulen. Das zu behandelnde Fluid wird entweder stromaufwärts oder stromabwärts durch die Säule geführt. Ein Hauptmerkmal solcher Prozesse besteht darin, daß das eintretende Fluid in und durch das Bett als ein beweglicher Querschnitt fließt. Es werden Fluidverteiler eingesetzt, um Fluid vorübergehend oder permanent in die Säule einzuleiten und von dort wieder aufzufangen. US-Patente 4,999,102 und 5,354,460 offenbaren jüngste Beispiele industrieller Fluidverteilerkonstruktionen, die eine einheitliche Verteilung/Aufsammlung über einen Querschnittsbereich eines Säule beanspruchen. Das Ziel dieser und anderer ähnlicher Geräte besteht darin, eine zweidimensionale Oberfläche des Fluids zu verteilen bzw. aufzusammeln.
Ein gängiger Ansatz zur schnellen Verteilung eines gesamten Fluidvolumens innerhalb eines Betts aus Sorptionsmaterial besteht darin, energisches turbulentes Mischen anzuregen. So kann zum Beispiel Flüssigkeit zu einem Bett aus Festteilchen gegeben werden, wobei sie heftig gerührt wird oder das Fluid und das Festmaterial gemischt werden. Obwohl solch ein turbulentes Verfahren rasch das Ziel eines schnellen Mischens des Volumens erreicht, bringt es auch etliche unerwünschte Folgen mit sich. So eliminiert Turbulenz unter diesen Umständen zum Beispiel die Möglichkeit eines wirkungsvollen Festbettbetriebs, da das Bett gewirbelt wird. [Mechanisches Reiben der Festbettpartikel, da das Bett gewirbelt wird.] Mechanisches Reiben der Festbettpartikel wird unweigerlich erhöht. Darüber hinaus entsteht bei der kontinuierlichen Anwendung eines solchen Verfahrens ein unaufhörliches Mischen des eintretenden unbehandelten Materials und des behandelten Materials, was ansonsten zum Austritt aus dem System bestimmt wäre. Diese mit dem Wirbeln verbundenen nicht wünschenswerten Merkmale werden durch die gewöhnlich bevorzugte Methode des Ruderns eines Fluids eine Füllkörpersäule hinauf oder hinunter unter nicht-turbulenten Strömungsbedingungen vermieden.
US-Patent 5,307,830 beschreibt eine Methode zur Reduzierung von Turbulenzen stromabwärts eines teilweise offenen oder geschlossenen Ventilelements. Das Gerät umfaßt eine Gruppe von Schläuchen mit identischer Größe, um die Turbulenz auszugleichen und das resultierende Fluid über einen Querschnittsbereich, anstatt eines Volumens, zu verteilen.
US-Patent 5,354,460 beschreibt eine Abwärtsdüse zur gleichmäßigen Verteilung von Fluiden. Das Gerät beinhaltet einen Brunnen, der Fluid an sechs Hauptleitungen liefert, die wiederum Fluid an sechs Zwischenmischkammern liefern. Die Zwischenmischkammern wiederum liefern Fluid an drei Endmischkammern über sekundäre Leitungen. Jede dieser Zweitleitungen liefert Fluid an Abwärtsdüsen über Leitungen.
Es ist wohlbekannt, daß dreidimensionale fraktale Leitungsstrukturen in der Natur existieren. Zum Beispiel die Herzblutgefäße und die Luftwege der Lunge stellen eine fraktale Architektur dar. Die Nützlichkeit dieser evolvierten Architektur besteht in der Fähigkeit, Fluide an die Körperzellen verteilen und von dort aufsammeln zu können (Blutgefäße) und eine große Oberfläche zum Gasaustausch zu bieten (Lunge). Es wurde bisher nicht erkannt, daß solche Strukturen eine nützliche Alternative zu Interfluid-Turbulenzen darstellen können. Darüber hinaus wurde zuvor noch keine Methode offenbart, die Prozesse zum Entwurf und zur praktischen Anwendung von solchen Geräten beschreibt.
Es besteht ein Bedürfnis an einem Gerät oder System, das ausgezeichnetes Mischen ohne die mit der Turbulenz verbundenen Nachteile bewirken kann.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die oben aufgeführten Probleme werden durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Anwendung von Fluidleitungen, welche als raumfüllende fraktale Strukturen angeordnet sind. Eine künstliche Wirbelkaskade wirkt als Ersatz für Interfluid-Turbulenzen bei Ereignissen, die normalerweise Interfluid-Turbulenzen aufweisen oder erfordern. Die Erfindung reduziert den breiten Umfang räumlicher Skalen, über welche die Struktur und Dynamik von Interfluid-Turbulenzen auftaucht. Diese Reduzierung wird dadurch erreicht, daß ein bestimmtes Fluid durch eine künstliche Wirbelkaskadenstruktur aus Fluidleitungen geführt wird.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Strukturkonfiguration und einen Ansatz, der Fluide effektiv auf sehr sanfte Weise mischt. Vor allem ersetzt eine fraktale Kaskade aus Leitungen die für Interfluid-Turbulenzen charakteristische freie Wirbelkaskade. Gemäß der Erfindung wird ein erstes Fluid durch Direkteinspritzung über das Volumen eines zweiten Fluids verteilt. Fluide können somit gemischt werden, ohne dabei die komplizierten Fluktuationen herbeizuführen, die durch turbulente Mischgeräte geschaffen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt somit lokalisiertes Mischen innerhalb eines Volumens. Es ist möglich, eine erste Fluidkomponente innerhalb eines kleinen Teils des Volumens einer zweiten Fluidkomponente zu mischen. Diese Möglichkeit des lokalisierten Mischens kann unter turbulenten Mischbedingungen nicht erreicht werden, besonders wenn das Mischen schnell erfolgt.
Im Gegensatz zu gewöhnlichen „statischen" Mischgeräten kann die erfindungsgemäße Vorrichtung sogar so betrieben werden, daß sie wenig Interfluid-Turbulenzen verursacht. Ein unerwartetes Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Mischeffizienz mit abnehmender Interfluid-Turbulenz zunimmt. Dieses Merkmal steht wahrscheinlich im kompletten Gegensatz zu allgemein gültigen Mischprinzipien.
Im allgemeinen umfaßt die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Konstruktion rekursiv kleinerer Fluidleitungen mit rekursiv größerer Anzahl. Diese Konstruktion führt zu abnehmender Turbulenz, wenn Fluid durch die Struktur geleitet wird. Folglich erfährt die durch die Kaskade geleitete Flüssigkeit den räumlichen Skaleneffekt, der normalerweise mit der Wirbelkaskade von Turbulenzen verbunden ist. Eine hohe Fluidbewegung ist rekursiv in immer kleinere Einheiten wahrnehmbarer physikalischer Bewegung eingeteilt. Weiterhin umfaßt die Vorrichtung einen Zusammenbau mehrerer Leitungen, von welchen die Leitungsauslässe so angeordnet sind, daß sie eine raumfüllende Verteilung bewirken. Folglich erfährt die aus der Struktur heraustretende herunterskalierte Flüssigkeit den Verteilungs- oder Mischeffekt, der normalerweise mit der Wirbelkaskade von Turbulenzen verbunden ist. Das austretende Fluid ist über das Volumen einer darin enthaltenen Flüssigkeit durchsetzt, in die das Gerät gelegt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann also als Fluidsammler angewandt werden. Wenn die Strömungsrichtung umgekehrt wird, fungiert jeder Auslaß im System als eine Sammelöffnung. Ein Fluid kann somit von einem Volumen gesammelt und die Kaskade hochgeleitet werden. Die Anwendung des Geräts auf diese Art und Weise bietet ein Mittel zur Sammlung von Fluid aus einem Volumen in einer in etwa homogenen Weise. Durch ihr raumfüllendes Merkmal liefert bzw. sammelt die Vorrichtung ein dreidimensionales Fluidvolumen.
Eine wichtige Methode bei der Gestaltung besonderer Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung fraktaler Geometrie. Fraktale Strukturen sind mathematische Konstruktionen, die Skaleninvarianz aufweisen. In solchen Strukturen wiederholt sich eine modellunabhängige Geometrie auf vielen Skalen. Obwohl eine fraktale Struktur zur Durchführung der Erfindung nicht nötig ist, wird ihre Anwendung dennoch bevorzugt, um den Entwurfprozess zu beschleunigen und eine tiefe und flexible Skalenfähigkeit zu schaffen. Die in der vorliegenden Erfindung angewandte fraktale Geometrie erlaubt einem Konstrukteur eine leichte Gestaltung der gewünschten Dichte raumfüllender Punkte, die für eine bestimmte Anwendung angemessen sind. Ein zweckmäßiger Konstruktionsansatz beinhaltet zusätzliche verkleinerte Versionen eines „Initiators". Wenn verkleinerte Strukturen hinzugefügt werden, nimmt die Dichte der Endpunkte zu. Mit zunehmender Dichte des Netzes aus Endpunkten steigt der Mischeffekt. Gleichzeitig nimmt die Interfluid-Turbulenz ab.
Durch die Verkleinerung und Volumenverteilmerkmale kann dieses Gerät entweder zum Mischen bei reduzierter Turbulenz oder zur Turbulenzdämpfung eingesetzt werden. Die Verwendung mehrerer Geräte für den Zu- und Abfluß eines Volumens bietet eine kontinuierliche Fluidverteilung und -sammlung mit niedriger Turbulenz.
Die grundsätzliche Struktureinheit der vorliegenden Erfindung kann als eine Initiatorleitungsstruktur angesehen werden, welche einen Initiatoreinlaß in offener Verbindung mit einem Satz Verteilerleitungen der ersten Generation umfaßt, wo bei jede in einem Auslaß einer Reihe von Auslässen der ersten Generation endet. Die Auslässe der ersten Generation umfassen eine erste Population, die auf einer ersten Seite einer Bezugsebene der ersten Generation liegt, und eine zweite Population, die auf einer zweiten Seite einer Bezugsebene der ersten Generation liegt. In der zur Zeit einfachsten betrachteten Version kommuniziert der Einlaß der ersten Generator (Initiator) mit einer Nabe, und die Verteilerleitungen der ersten Generation strahlen wie Speichen von der Nabe, idealerweise als vier hydraulisch gleichwertige Schenkel. Unter der Annahme eines symmetrischen Aufbaus werden die Auslässe der ersten Generation an etwa acht Ecken eines imaginären Würfels angeordnet.
Ein Satz Leiterstrukturen der zweiten Generation mit im Vergleich zur Leiterstruktur der ersten Generation reduzierter Größe wird strukturell und in Strömungsbeziehung mit den Auslässen der ersten Generation verbunden. Der Satz der zweiten Generation verfügt normalerweise über identische Elemente, deren Anzahl gleich der Anzahl von Auslässen im Satz der Auslässe der ersten Generation ist. Jedes Element des Satzes Leitungsstrukturen der zweiten Generation imitiert, wenn auch in geringerem Maße, normalerweise 50%, die strukturelle Anordnung des Initiators. Dementsprechend umfaßt jedes dieser Elemente einen Einlaß der zweiten Generation in offener Verbindung zwischen einem Auslaß der ersten Generation und einem Satz Verteilerleitungen der zweiten Generation, von denen jedes an einem Satz Auslässe der zweiten Generation endet.
Die mit jedem Element des Satzes Leitungsstrukturen der zweiten Generation verbundenen Auslässe der zweiten Generation umfassen auch eine erste Population, die sich auf einer ersten Seite einer Bezugsebene der zweiten Generation beabstandet von und etwa parallel zur Bezugsebene der ersten Generation befindet, und eine zweite Population, die sich auf einer zweiten Seite der gleichen Bezugsebene der zweiten Generation befindet. Jedes Element der zweiten Generation muß in Bezug auf seine individuelle Bezugsebene der zweiten Generation visualisiert werden, obwohl manche dieser Ebenen deckungsgleich sein können. Nach dem Modell mit vier Schenkeln und acht Auslässen werden die Auslässe der zweiten Generation jedes Elements der zweiten Generation auch an den entsprechenden Ecken der jeweiligen imaginären Würfel angeordnet sein.
Ein kompletter Zusammenbau der Erfindung kann als eine Fluidskalierungskaskade aus Verzweigungsleitungen betrachtet werden. Die Kaskade umfaßt absolut eine größte Leitung an einem ersten, oder großen, Ende der Kaskade und eine Vielzahl kleinster Leitungen an einem zweiten, oder kleinem, Ende der Kaskade. Natürlich wird das kleine Ende der Kaskade über das von der Kaskadenstruktur belegte Volumen verteilt. Die größte Leitung wird durch aufeinanderfolgende Unterteilungen an entsprechenden aufeinanderfolgenden Verzweigungen mit den kleinsten Leitungen verbunden. Das durch die Kaskade von dem großen Ende zum kleinen Ende der Kaskade fließende Fluid wird zunehmend in kleinere Einheiten reduziert, so daß das durch die Kaskade in diese Richtung fließende Fluid schließlich etwa homogen in das die Kaskade enthaltende Volumen austritt. Das durch die Kaskade von dem kleinen Ende zum großen Ende der Kaskade fließende Fluid wird zunehmend in größere Einheiten verändert, wo es zur Sammlung des Fluids auf etwa homogene Weise von dem das die Kaskade enthaltende Volumen durch das kleine Ende schließlich aus dem großen Ende austritt.
Die größte Leitung ist mit den kleinsten Leitungen über eine Reihe von immer kleiner werdenden Leitungen verbunden, was einer Vielzahl von immer kleiner werdenden Generationen mit zunehmend kleinerer Größe entspricht. Idealerweise wird jede Generation der Verzweigungsleitungen so verkleinert, daß sie etwa das gleiche Volumen an Fluid wie jede andere Generation Leitungen in der Kaskade enthält.
Ein fundamentaler Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht in ihrer Fähigkeit, Ereignisse von Interfluid-Turbulenz mit einem raumfüllenden, turbulenzreduzierenden Gerät zu ersetzen. Die Anwendung dieses Geräts als Ersatz für das Mischen in einem herkömmlichen turbulenten Bett zum Beispiel führt zu einer Anzahl unerwarteter Vorteile. Für diese Anwendung wird das Gerät als ein Volumenverteil-/-sammelpaar betrieben. Da das zu behandelnde Fluid mit dem Fluid gemischt werden kann, welches das feste Sorptionsmaterial mit reduzierter Turbulenz umgibt, wird das Bett nicht gestört. Das Bett kann ein Festbett bleiben, und das beständige turbulenzbedingte Mischen des behandelten und unbehandelten Materials wird reduziert. Die Verwendung des gesamten Volumens an Bettmaterial wird somit praktisch, ohne die gewöhnlich unter turbulenten Mischbedingungen anzutreffenden Nachteile.
In Bezug auf herkömmliche Säulenflußmethoden vermeidet die Verwendung des erfindungsgemäßen Geräts, daß Fluid durch die gesamte Länge eines Betts geführt wird. Somit wird der Bettdruckabfall nur auf eine Weglänge zwischen den entsprechenden Verteil- und Sammelpunkten reduziert. Diese Modifierung reduziert die druckabfallabhängigen Energieanforderungen und vermeidet viel Unkosten und Material, welches mit einer Hochdrucksäulenkonstruktion verbunden sind. Der niedrige Druckabfall erlaubt auch die Verwendung von Sorptionsmaterial mit viel kleinerer Partikelgröße als es normalerweise beim Säulenflußbetrieb erforderlich ist. In den meisten Fällen führt eine kleinere Partikelgröße zu schnellerer Sorptionskinetik, da die Oberfläche des Sorptionsmaterials mit abnehmender Größe zunimmt. Eine schnellere Kinetik gestattet auch kleine Ausrüstungsgrößen, da mehr Material in einer kürzeren Zeit behandelt werden kann. Es wurde bisher nicht in Betracht gezogen, die raumfüllenden Geräte mit niedriger Turbulenz mit herkömmlichen, bei Sorptionsprozessen eingesetzte Oberflächenverteil- oder turbulenten Bettmischverfahren zu ersetzen. Das erfindungsgemäße Gerät weist viele weitere praktische Anwendungen auf, in denen es normalerweise beim Fluß durch Säulen verwendete Komponenten ersetzen kann. So können zum Beispiel Querschnittsverteiler/-sammler mit den erfindungsgemäßen Verteiler/Sammler ersetzt werden.
Die vorliegende Erfindung wird normalerweise bei Prozessen eingesetzt, welche einen schnellen Fluß des Fluids an einem Hindernis vorbei oder einen über ein stationäres Fluid eintretenden Fluidjet beinhalten. Unter turbulenten Bedingungen führen solche Prozesse zu der Entwicklung von turbulenten Wirbeln in dem Fluid und folglich führen unkontrollierbare Fluktuationen in den physikalischen Eigenschaften zu vielen Meßskalen. Die Erfindung ermöglicht eine schnelle Verteilung von Fluid, welches durch ein Volumen eines zweiten Fluids in homogener Weise und mit reduzierter Turbulenzstörung fließt. Die üblichen unregelmäßigen hohen Interfluid-Wirbeleffekte werden reduziert. Folglich kann dieses Gerät dazu verwendet werden, turbulente Fluktuationen in den physikalischen Eigenschaften stromabwärts einer turbulenten Quelle zu reduzieren. Die normalweise von ei nem Fluidjet, Instrumentengeräusch, Wassersäulen oder Kielquellen geschaffene Turbulenz kann kontrolliert unterdrückt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine isometrische Ansicht eines aus Leitungen aufgebauten künstlichen Wirbelkaskadenmodellinitiators dar;
2 veranschaulicht eine isometrische Ansicht, die eine teilweise aufgebaute künstliche Wirbelkaskade mit drei Größen eines entlang eines Weges aufgebauten fraktalen Modells darstellt;
3 stellt eine isometrische Ansicht des weiteren Aufbaus der künstlichen Wirbelkaskade aus 2 dar;
4 veranschaulicht eine isometrische Ansicht einer kompletten künstlichen Wirbelkaskade mit insgesamt vier Größen eines fraktalen Modells dar;
5 stellt eine isometrische Ansicht eines künstlichen Wirbelkaskadenaufbaus dar, der den Durchfluß mehrfacher isolierter Fluide bzw. mehrfache Richtungen des Fluidstroms erlaubt.
6 stellt eine isometrische Ansicht einer Alternativkonstruktion dar, deren Fähigkeiten ähnlich denen der in 5 dargestellten Konstruktion sind;
7 besteht aus:
7a eine bildliche Ansicht einer Trennkomponente, und
7b eine bildliche Ansicht einer Alternativkonstruktion, deren Zweck ähnlich denen in 5 und 6 ist, wobei die Komponente aus 7a in einem zusammengebauten Zustand dargestellt ist; und
8 stellt eine erhöhte Explosionsansicht dar, welche eine abgetrennte Verzweigungskaskade veranschaulicht.
BESTE AUSFÜHRUNGSMETHODE DER ERFINDUNG
Ein gegenwärtig bevorzugter künstlicher Wirbelkaskadeninitiator 20 wird in 1 veranschaulicht. 2, 3 und 4 stellen die progressive Konstruktion eines auf diesem Initiator 20 aufgebauten Kaskadengeräts dar. Um Redundanz in der Beschreibung zu vermeiden, wird der Begriff „Einlaß" in der vorliegenden Erfindung konsequent zur Bezeichnung des Eingangs (21, 2) zur einzigen Leitung mit dem größten Durchmesser, die an ein Kaskadengerät angeschlossen ist, angewandt, und der Begriff „Auslaß" wird für die hohe Anzahl der Leitungen der Kaskade mit den kleinsten Durchmesser angewandt. Es sollte bemerkt werden, daß jedoch bei Anwendung des Kaskadengeräts zur Fluidsammlung diese beiden Bezeichnungen angemessenermaßen vertauscht werden sollten. Die Struktur wird in der vorliegenden Erfindung mit Hauptbetonung auf der Anwendung als Eingangsgerät beschrieben.
Der Initiator, normalerweise mit 20 bezeichnet, besteht aus Leitungen, die jede nützliche Querschnittskonfiguration aufweisen können. Wie veranschaulicht besteht eine innen offene Querbalkenleitung, die normalerweise mit 22 bezeichnet ist, aus kreisrunden zylindrischen Metall- oder Kunststoffleitungen. Das Material zur Konstruktion der vorliegenden Erfindung wird gewöhnlich so ausgewählt, daß es den Anforderungen einer bestimmten Anwendung genügt, ist jedoch normalerweise zweitrangig. Die Querbalkenleitung 22 kann unter Umständen eine mittige Nabe 24 umfassen sowie eine Vielzahl sich erstreckender Speichen 26. Obwohl andere Naben- und Speichenkonfigurationen innerhalb der Betrachtung liegen, wird die einfache dargestellte „Querkonfiguration" normalerweise bevorzugt und bietet genügend Kaskadenmöglichkeiten für die meisten Anwendungen.
Die Querbalkenleitung 22 verfügt über vier Speichen 26, von denen jede in offener Verbindung mit dem Innenvolumen eines bestimmten Schenkels 28 liegt. Die Schenkel 28 werden auch von Leitungen gebildet und enden an gegenüberliegenden Enden in Auslässen 30. Wie dargestellt sind die Auslässe 30 der Leitungsschenkel 28 an acht Ecken eines Würfels angeordnet; es sind jedoch andere Konfigurationen auch möglich. Das Fluid kann ungestört von der Nabe 24 der Querbalkenleitung 22 zu jedem Auslaß 30 fließen. Der Initiator ist so aufgebaut, daß die hydraulischen Wegmerkmale von der Querbalkenmittennabe 24 an jedem Ende 30 etwa gleich sind.
Die Schenkel 28 und Querbalken 22 sind mit gleichen Leitungsdurchmessern dargestellt. Andere Ausführungsformen können einen reduzierten Leitungsdurchmesser der Querbalkenleitung 22 gegenüber der Schenkel 28 aufweisen. Obwohl die verschiedenen Winkelbiegungen in der Initiatorstruktur 20 als 90-Grad Biegungen dargestellt sind, können genauso gut abgerundete Leitungsbiegungen eingearbeitet werden.
2 veranschaulicht die Art, in der verkleinerte Versionen des in 1 veranschaulichten Initiators 22 zu einer Kaskadenkonfiguration zusammengebaut werden, welche normalerweise mit 32 bezeichnet ist. Eine Transferleitung 36 ist offen mit der Querbalkenleitung 22 an deren Nabe 24 verbunden, um Fluid von oder zu dem Kaskadeninitiator 20 zu leiten. Sie ist hier senkrecht zur Querbalkennabe 24 dargestellt. Die Endöffnung 21 zur Leitung 36 dient als Einlaß der Kaskade 32, und Fluid wird der Kaskade 32 über diesen Einlaß 21 in die von dem Pfeil I angezeigte Richtung zugeleitet.
Eine kleinere Struktur der zweiten Generation, normalerweise als 42 bezeichnet, wird von den Querbalken- und Schenkelleitungen aufgebaut, deren Anzahl und Anordnung denen des Initiators 20 entsprechen. In der bestimmten veranschaulichten Ausführungsform ist die Struktur 42 der zweiten Generation in einer Größe ausgeführt, die eine 50%ige Reduzierung der Größe des Initiators darstellt. Die noch kleinere Strukture 46 der dritten Generation wird z. B. dadurch gebildet, daß die Größe der Struktur 42 der zweiten Generation auf ähnliche Weise um 50% reduziert wird. Die Reduzierung der Größe um 50% für jeden folgenden Skalierungsschritt (Generation) stellt sicher, daß die Dichte der Auslässe etwa gleich über das Volumen ist, egal wie hoch die Anzahl der Generationen von Skalen ist, die zur Struktur hinzugefügt werden.
Der Querbalken 50 jeder Struktur 42 der zweiten Generation wird normalerweise quer zu und mittig an einem der acht Auslässe 30 des Initiators 20 angeordnet. Der Querbalken 52 jeder Struktur 46 der dritten Generation wird in Bezug auf einen der Auslässe 54 der Struktur 42 der weiten Generation ähnlich angeordnet. Fluid fließt ungehindert vom Einlaß 21 zu den mit den Strukturen 46 der dritten Generation verbundenen Auslässen 60.
3 veranschaulicht die kontinuierliche Konstruktion der Kaskade 32 auf der Basis des Initiators 20 aus 1, wobei sie durch drei Generationen skaliert wird. Am Ende sind acht Kopien der Struktur 42 der zweiten Generation an den Initiator 20 angehängt, und acht Kopien der Struktur 46 der dritten Generation werden an jede Struktur 42 der zweiten Generation angehängt, was insgesamt vierundsechzig Kopien der Struktur 46 der dritten Generation bedeutet. Die Gesamtanzahl der Auslässe 60 ist dann 512. Am Ende tritt die Strömung am Einlaß 21 ein und fließt etwa gleichmäßig durch 512 Wege zu den Auslässen 60. Das Fluid tritt an den Auslässen 60 in das das Gerät umgebende Volumen aus.
Die hydraulischen Wegmerkmale vom Einlaß 21 zu jedem Auslaß 60 sind etwa gleich. Durch jeden Weg ist die Leitungslänge etwa gleich, wie auch die Anzahl und Größe der Winkelbiegungen und Leitungsdurchmesser bei jeder Größe. Eine präzisere Beschreibung dieses Merkmals ist, daß jeder Weg vom Einlaß 21 zu jedem bestimmten Auslaß 60 durch jeden anderen bestimmten Weg vom Einlaß 21 zu einem anderen Auslaß 60 geschaffen werden kann, indem Symmetrie zum Weg angewandt wird. So kann zum Beispiel durch die Anwendung von Dreh- oder Spiegelbewegungen an der Kaskade 32 gezeigt werden, daß jeder Weg gleich jedem anderem Weg durch das Gerät ist.
Praktische Geräte können mit geringerer Weg- und Skalensymmetrie aufgebaut sein als im Zusammenhang mit den veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben wurde. So kann zum Beispiel die fraktale Rekursion des Kaskadenzusammenbaus unterbrochen werden, wenn die Leitung reduziert wird, indem eine Leitungsstruktur mit kleiner werdender Generation installiert wird, die von der Konfiguration des Initiators abweicht. Leitungsstrukturen mit kleiner werdender Generation können zu verschiedenen Prozentsätzen reduziert werden. Die Wege vom Einlaß zu den Auslässen können eine Varianz zum Symmetriebetrieb aufweisen, indem zum Beispiel ein asymmetrischer Initiator eingebracht wird. Obwohl solche Konstruktionen funktionsfähig sind, sind sie gewöhnlich nicht vorteilhaft. Ein symmetrisches System ist gewöhnlich leichter zu entwerten und zu bauen. Fluidströmungskontrolle ist leichter zu bewahren, wenn alle verfügbaren Flußwege im wesentlichen hydraulische Bedingungen aufweisen.
4 veranschaulicht eine vollständige Kaskade mit vier Skalenniveaus. Verglichen mit der in 3 veranschaulichten Kaskade 32 wurde eine zusätzliche Leitungsstruktur 64 der vierten Generation hinzugefügt, indem die Struktur 46 der dritten Generation aus 3 um 50% reduziert wurde. Der Querbalken 66 der Leitungsstruktur 64 der vierten Generation ist in Bezug auf die Auslässe 60 der Leitungsstrukturen 46 der dritten Generation auf die gleiche Weise angebracht, wie im Zusammenhang mit der Leistungsstruktur der anfänglichen, bzw. ansteigenden, Generation beschrieben. Fluid fließt in den Einlaß 21, wie durch den Pfeil I dargestellt, folgt dann 4096 etwa hydraulisch äquivalenten Wegen und tritt in das das Gerät umgebende Volumen über 4096 Auslässe 70 aus.
Ein wichtiges Merkmal der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht in der theoretisch unbegrenzten Reichweite der Kaskadenskalierung. Diese Eigenschaft wird durch die rekursive Art der Kaskadenstruktur geschaffen. Die Konstruktion der Vorrichtung kann auf gleiche Weise weitergehen, um so viele Generationen mit reduzierter Größe wie gewünscht an das Gerät anzubringen. Mit jeder zusätzlich hinzugefügten kleiner werdenden Generationsstruktur nimmt die Dichte der Auslässe zu, was zu vermehrter Misch- und Verteileffizienz führt.
In der Praxis werden dem idealerweise grenzenlosen Skalieren unweigerlich Grenzen auferlegt. Eine solche Grenze ist mit der rekursiven Methode, den Raum an den Endauslässen z. B. 70 zu füllen, verbunden. Da die Leitung selbst einen Teil des verfügbaren Raums in Anspruch nimmt, wenn mehr Generationen der reduzierten Strukturen hinzukommen, und die Dichte der Auslässe abnimmt, werden einige der kleiner werdenden Leitungen unweigerlich größere Leitungen überlappen. Dieser Umstand entwickelt sich normalerweise zuerst um die größten Leitungen, z. B. der Mittelleitung 32 aus 3. Wenn ein Ballung dieser Art entsteht, besteht eine praktische Hilfslösung darin, jene größeren Auslässe in den geballten Regionen der Kaskade zu blockieren, welche aufgrund ihrer Lage kleinere Strukturen aufnehmen. Kleinere Strukturen können weiterhin zur Kaskade hinzugefügt werden, und dieses Verfahren wird angewandt, bis das enthal tene Volumen mit Auslässen der kleinsten Leitungsstruktur in der Kaskade gefüllt ist.
Eine zweite Grenze der Skalierungsmethode der vorliegenden Erfindung wird durch die praktische Verfügbarkeit von Baumaterialien und -techniken auferlegt. Für Anwendungen, die größer als etwa 2–3 mm Leitungsdurchmesser aufweisen, sind Standardbaumaterialien, wie z. B. Rohre, Leitungen und geformte oder machinell bearbeitete Leitungen für den Bau eines erfindungsgemäßen Kaskadenzusammenbaus mit herkömmlichen Methoden geeignet. Es wird jedoch erkannt, daß aufgrund der komplexen Geometrie eines erfindungsgemäßen Kaskadenzusammenbaus herkömmliche Bauverfahren weniger geeignet sind, Leitungsstrukturen zu bauen, die sehr kleine (z. B. mit einem Durchmesser von weniger als 2–3 mm) Leitungen benötigen. Computergestützte Konstruktionsverfahren werden gegenwärtig zum Bau solcher Kleingeräte empfohlen. Ein Beispiel eines solchen praktischen Verfahrens ist die Stereolithographie. Im Stereolithographieverfahren wird eine dreidimensionale CAD-Zeichnung in ein dreidimensionales Objekt verwandelt, indem ein Faß flüssigen Kunststoffs oder Epoxidharzes einem computer-kontrollierten mit Laser erzeugtem UV-Licht ausgesetzt wird. Gegenwärtig können Objekte mit diesem Verfahren konstruiert werden, die Gesamtvolumendimensionen mit einer Größe von ca. 500 mm × 500 mm × 500 mm aufweisen. Die Mindestmerkmalsgröße, die mit einer solchen Ausrüstung hergestellt werden kann, beträgt gegenwärtig ca. 0,2–0,3 mm auf X und Y und 0,1 mm auf Z (Kartesche Koordinatenachsen). Da das resultierende dreidimensionale Objekt aus einem Faß Flüssigkeit entsteht anstatt aus Teilen konstruiert zu sein, kann eine äußerst komplizierte, detaillierte und kleine dreidimensionale Geometrie leicht ausgeführt werden. Ein solches Konstruktionsverfahren ist deshalb bei der vorliegenden Erfindung praktisch, wenn eine sehr kleine Struktur gewünscht ist.
Verschiedene Konstruktionsmethoden können bei der Konstruktion von Leitungsstrukturen bei jeder Größe angewandt werden. Ein einziges Kaskadengerät kann aus Leiterstrukturen gebildet werden, die aus verschiedenen Methoden bestehen, um verschiedene Skalen unterzubringen.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Kaskadenstruktur sowohl als Eingangsgerät als auch als Ausgangs- oder Verteilgerät einzusetzen. Ein Paar raumfüllende Kaskaden können so angeordnet sein, daß sie miteinander innerhalb eines einzigen Volumens verwoben sind. 5, 6 und 7b veranschaulichen drei Alternativausführungen, um dieses Ziel zu erreichen. 5 veranschaulicht die Initiatorteile, im allgemeinen mit 20 und 74 bezeichnet, einer Anordnung, in der eine zweite Kaskadenstruktur unmittelbar angrenzend an und von einer ersten solchen Struktur versetzt angeordnet ist. Diese Methode bietet die Möglichkeit, beide Kaskadenzusammenbauten mit ähnlichen Methoden herzustellen. Der erste Kaskadenzusammenbau kann wie in 3 veranschaulicht mit einem durch die Leitung 36 zu einem Kaskadeninitiator 20 geführten Einlaß 21 ausgestattet sein. Der Strömungsfluß geschieht in den Einlaß 21, wie durch den Pfeil I angezeigt. Die zweite Kaskade wird neben der ersten angeordnet, jedoch versetzt in den X, Y und Z Kartesischen Richtungen, so daß die zweite Kaskade im wesentlichen die erste Kasakde „umarmt". Das offene Ende 76 des Initiators 74 hat die Funktion eines Einlasses. Das Fluid fließt durch die Leitung 78 in die durch den Pfeil O angezeigte Richtung und tritt durch den Auslaß 80 wieder aus.
6 veranschaulicht eine alternative Kaskadenanordnung, die eine gleichzeitige Verteilung und Sammlung bietet. In dieser Ausführungsform ist eine erste Leitungsstruktur 82 konzentrisch innerhalb einer zweiten Leitungsstruktur 84 angeordnet. Eine erste Kaskade, die die Leitung 82 beinhaltet, kann wie in Bezug auf 3 beschrieben so aufgebaut sein, daß das Fluid am Einlaß 21 in die durch den Pfeil I angezeigte Richtung eintritt. Der zwischen den Leitungsstrukturen einschließlich der Leitungen 82 und 84 verbleibende Ringraum 86 dient als Strömungsweg für ein zweites Fluid. So kann Fluid zum Beispiel an den Einlässen 88 eintreten, durch den Ringraum 86 fließen und durch den Auslaß 90 in die von dem Pfeil O gezeigte Richtung austreten.
7 veranschaulicht eine Anordnung, in der die Leitungen einer Leitungsstruktur, normalerweise mit 92 bezeichnet, durch eine Trennkomponente 94 geteilt sind, um Kanäle 96, 97 zu schaffen, die eine mehrfach isolierte Strömung erlauben. Ein erstes Fluid kann in die Richtung des Pfeils I durch den Kanal 96 flie ßen, während ein zweites Fluid durch Kanal 97 in die Richtung des Pfeils O fließt.
Es wird allgemein empfohlen, die Verteilerauslässe und Sammeleinlässe der Verteiler-/Sammelanordnung aus 5 bis 7b versetzt voneinander anzuordnen, um eine sachgemäße Behandlung innerhalb des angrenzenden zwischenräumlichen Volumens sicherzustellen. Das Grundverfahren, wie z. B. Ionenaustausch, erfordert sehr kurze Kontaktzeiten. Fluide, die durch eng aneinanderliegende Auslässe eingespritzt werden, benötigen somit wenig Verweilzeit zur wirkungsvollen Behandlung des kleinen, dem Auslaß zugeteilten Volumens. Dennoch ist es normalerweise sinnvoll, einen Kurzschluß zwischen den Einlaß- und Auslaßpaaren zu vermeiden.
Die Alternativausführungsformen zur Integration mehrfacher Strömungswege erlauben die Anwendung verschiedener Konstruktionsmethoden für verschiedene Generationen von Leitungsstrukturen. Die benachbarten oder konzentrischen Anordnungen sind am praktischsten für Leitungsgrößen von mehr als ca. 2–3 mm, während die unterteilte Leitungsanordnung angemessener für die Anwendung mit computer-gestützten Methoden, wie z. B. Stereolithographie, ist.
Es sei angemerkt, daß neben dem Betrieb als Verteiler/Sammler mehrfache Wege auch alternativ dazu verwendet werden können, mehr als eine Komponente zu verteilen, wobei sie hierbei die Komponenten vor den Auslaßverteiler-/-mischschritten voneinander isolieren.
Da erfindungsgemäße Geräte erwartungsgemäß für die Verteilung/Mischung innerhalb von Fluidprozessen eingesetzt werden, ist zu erwarten, daß eine herkömmliche Begrenzungsausrüstung zur Fluidverteilung normalerweise an den Auslaß-/Einlaßenden solcher Geräte integriert ist. So können zum Beispiel Düsen, mit Sieben versehene Leitungslöcher oder Rückschlagventile auf herkömmliche Art eingesetzt werden, um zu vermeiden, daß Sorptionsmaterial in die Kaskade eintritt, um ein endgültiges Verteilmodell zu schaffen oder Rückfluß zu vermeiden.
Beispiel 1
Dieses Beispiel veranschaulicht den turbulenzreduzierenden Effekt, der durch die erfindungsgemäßen Strukturen geschaffen wird, und wie dieser Effekt durch die Konstruktion der Kaskade manipuliert werden kann. Die die Reynoldszahl beschreibende Beziehung für eine glattwandige Leitung wird hergestellt durch: Re = VDρ/μwobei:
Re = die Reynoldszahl ist, ein Turbulenzmaß
V = Geschwindigkeit durch die Leitung
ρ = Fluiddichte
μ = Fluidviskosität
In diesem bestimmten Beispiel wird die abgetrennte Leitungskaskade aus 8 in Betracht gezogen, wobei eine anfängliche Fluidleitung 100 mit dem Durchmesser D₁ und der Durchschnittsfläche A₂ sich in vier kleinere Leitungen 102 verzweigt. Jede einzelne Leitung 102 hat den Durchmesser D₂ und Querschnittsfläche A₂ wobei: 4 × A2 = A1
Jede Leitung 102 verzweigt sich in zwei Leitungen 104. Jede dieser Leitungen 104 hat den Durchmesser D₃ wobei: 2 × A3 = A2 8 × A3 = A1
Unter diesen bestimmten Umständen ist die Geschwindigkeit eines Fluids durch die Kaskade konstant in allen Leitungen, egal welche Größe sie haben, da die Summe aller Querschnittsflächen bei jeder Größe gleich der Querschnittsfläche der anfänglichen Fluidleitung ist. Bei einem gegebenen Fluid sind ρ und μ auch konstant, so daß die Reynoldszahl durch jede Leitung wie folgt ist: Re1 = kD1 Re2 = kD2 Re3 = kD3 wobei: k = Vρ/μ = konstant.
Da der Durchmesser der Leitungen, D, mit jeder Verzweigung abnimmt, nimmt also die Reynoldszahl mit jeder Verzweigung ab: Re3 < Re2 < Re1
Die Turbulenz nimmt somit auf bestimmte Weise durch die Kaskade ab.
Beispiel 2
Dieses Beispiel bestimmt die absoluten Werte für die Abnahme der Reynoldszahl für die Kaskade aus Beispiel 1, wobei ein bestimmtes Fluid unter bestimmten Bedingungen in Betracht gezogen wird:
Fluid = Wasser
Temperatur = 40°C
ρ = 992,2 kg/m³
μ = 0,656 × 10^–3 N × s/m²
V = 0,07 m/s
D₁ = 50 mm
Für jede Leitungsgestaltung aus Beispiel 1 sind die Beziehungen der Leitungsquerschnittsflächen wie folgt: A2 = A1/4 A3 = A1/8oder ausgedrückt in Leitungsdurchmesser: (D2^2) = (D1^2)/4 (D3^2) = (D1^2)/8so daß:
D₂ = 25 mm
D₃ = 17,68 mm
Somit ist der Rückgang der Reynoldszahl durch die Kaskade:
Re₁ = 5294
Re₂ = 2647
Re₃ = 1872
Es sollte angemerkt sein, daß diese Beispiele nur zwei Verzweigungspunkte in Betracht ziehen; dies sind drei Generationen Leitungsstrukturen. Das in 4 veranschaulichte Gerät verfügt über sieben Verzweigungen, und Ausführungsformen mit mehr Verzweigungen liegen innerhalb der Betrachtung. Es sollte klar sein, daß eine beachtliche Reduzierung der Turbulenz in das Gerät konstruiert werden kann.
Der Fachmann kann die Rechenmethode gemäß der Beispiele auf Fälle bestimmter Fluide, Leitungsdurchmesser, Anzahl von Verzweigungen pro Knotenpunkt und variabler Geschwindigkeit durch die Leitungen anwenden. Der Fachmann kann auch die Beispiele modifizieren, um eine Zielreduzierung der Turbulenz und eine Zieldichte der Raumfüllung beim Bau eines bestimmten Geräts einzubeziehen.
Das nicht-turbulente erfindungsgemäße Mischen kann vorteilhaft im Zusammenhang mit herkömmlicher Interfluid-Turbulenz angewandt werden. So kann zum Beispiel die durch den erfindungsgemäßen Kaskadenzusammenbau zur Verfügung gestellte homogene, raumfüllende Verteilung einen vorteilhaften ersten Schritt vor dem endgültigen mechanischen turbulenten Mischen bieten. Darüber hinaus kann das Gerät gleichzeitig beim turbulenten Betrieb eingesetzt werden. So kann das Gerät zum Beispiel in Bewegung gesetzt werden (und Turbulenz verursachen), während es gleichzeitig das Fluid durch die Kaskade verteilt bzw. ein Fluid kann zum kontinuierlichen Fluß durch den leeren Volumenraum um das Gerät gebracht werden, während das Gerät in Betrieb ist.
Bei Anwendung der offenbarten Methoden kann das Gerät absichtlich so entworfen sein, daß es sich die aus den Auslässen der Kaskade austretende verbleibende Turbulenz zu Nutzen macht. Strömungsfluß und Gerätegrößenwahl können so berechnet sein, daß ein verbleibende Auslaßturbulenz verfügbar ist, um das Mischen oder die Verteilung innerhalb kleiner homogener Bereiche des Volumens zu beenden. Diese Anwendung der Turbulenz kann vorteilhaft sein, wenn die Skalentiefe eine praktische Konstruktionsgrenze erreicht oder wenn Jeteinfluß gewünscht wird, z. B. für Belüftungsanlagen- oder Schrubberanwendungen.
Die vorliegende Erfindung ist auf ein Mischverfahren ausgerichtet, das Interfluid-Turbulenzen ersetzt. Folglich kann es zum Mischen, zur Turbulenzdämpfung und zur raumfüllenden Verteilung/Sammlung angewandt werden. Änderungen können zu den in dieser Offenbarung beschriebenen Ausführungen gemacht werden, ohne dabei vom breiten Erfindungskonzept, das sie veranschaulichen, abzuweichen. Somit ist die vorliegende Erfindung nicht auf bestimmte offenbarte Ausführungsformen beschränkt, sondern soll alle Modifizierungen, die innerhalb des Umfangs der Erfindung gemäß der Definition in den folgenden Ansprüche liegen, abdecken.

Claims

Vorrichtung, umfassend: eine Initiatorleitungsstruktur (20), beinhaltend einen Initiatoreinlass (21) in offener Verbindung mit einem Satz der ersten Generation von Verteilerleitungen (22), von denen jede in einem eines Satzes von Erzeugungsauslässen (30) der ersten Generation endet, wobei die Erzeugungsauslässe (30) der ersten Generation eine erste Population umfassen, die auf einer ersten Seite einer Bezugsebene der ersten Generation angeordnet ist und eine zweite Population, die auf einer zweiten Seite der Bezugsebene der ersten Generation angeordnet ist; einen Satz der zweiten Generation von Leitungsstrukturen (42) von im Vergleich zu der Leitungsstruktur erster Generation (22) reduzierter Größe und zahlenmäßig gleich in der Anzahl der Auslässe (30) in dem Satz von Auslässen der ersten Generation (30), wobei jede der Leitungsstrukturen der zweiten Generation (42) einen Einlass der zweiten Generation in offener Verbindung zwischen einem der Auslässe der ersten Generation (30) und einem Satz der zweiten Generation von Verteilungsleitungen beinhaltet, von denen jede in einem eines Satzes von Auslässen der zweiten Generations (54) endet; wobei die Auslässe der zweiten Generation (54) die zu jeder der Strukturen der zweiten Generation (42) zugeordnet sind, eine erste Population umfassen, die auf einer ersten Seite einer Bezugsebene der zweiten Generation angeordnet ist, beabstandet von und etwa parallel zu der Bezugsebene der ersten Generation, und eine zweite Population, die auf einer zweiten Seite der Bezugsebene der zweiten Generation angeordnet ist; worin die Vorrichtung in Kombination mit einem Behälter ist, der ein internes, ein Fluid beinhaltendes Volumen aufweist, wobei die Vorrichtung innerhalb des Volumens angeordnet ist, und dadurch gekennzeichnet, dass jeder Satz der Auslässe der Generationen (30, 54) über das Volumen des Behälters durchsetzt sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Konfiguration der Leitungsstrukturen der zweiten Generation (42) etwa die gleiche ist, wie die Konfiguration der Initiatorleitungsstrukturen (20), aber in einer verringerten Größe.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin: der Behälter eine Behandlungszone beinhaltet, die konstruiert und ausgebildet ist, um eine erste Fluidkomponente zu enthalten; und die Vorrichtung konstruiert und angeordnet ist zu Positionsauslässen (30, 54), die im Wesentlichen gleichmäßig über die Zone beabstandet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin: der Einlass der ersten Generation (21) mit einer Nabe (24) kommuniziert und die Verteilungsleitungen der ersten Generation (22) als Speichen (26) von der Nabe (24) ausstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Konfiguration der Leitungsstrukturen der zweiten Generation (42) etwa die gleiche ist wie die Konfiguration der Initiatorleitungsstruktur (20), aber in verringerter Größe, solcher Art, dass die Verteilungsleitungen der zweiten Generation von jeder Leitungsstruktur der zweiten Generation (42) als eine Speiche von einer zentralen Nabe der zweiten Generation ausstrahlt, welche in Fluidflussverbindung mit dem Auslass der ersten Generation (30) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine fraktale Struktur, worin die Konfiguration der Initiatorleitungsstruktur (20) in aufeinanderfolgend kleineren Skalierungen über eine Vielzahl von Generationen wiederholt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, worin: der Einlass der ersten Generation (21) mit einer Nabe (24) kommuniziert und die Verteilungsleitungen der ersten Generation (22) als Speichen (26) von der Nabe (24) ausstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, worin die Verteilungsleitungen der zweiten Generation von jeder Leitungsstruktur der zweiten Generation (42) als eine Speiche von einer zentralen Nabe der zweiten Generation ausstrahlen, welche in Fluidflussverbindung mit einem Auslass der ersten Generation (30) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Vorrichtung als eine Kaskade aufgebaut ist, wobei die Initiatorleitungsstruktur (20) an einem ersten Ende der Kaskade angeordnet ist; und eine Vielzahl der Leitungsstrukturen der zweiten Generation (42) an einem zweiten Ende der Kaskade angeordnet ist; eine Hilfsinitiatorleitungsstruktur (20) durch aufeinanderfolgende Unterteilungen an entsprechenden Folgeverzweigungen mit den Leitungsstrukturen der zweiten Generation (42) verbunden ist; wobei die Leitungsstrukturen der zweiten Generation (42) von kleinerem Durchmesser sind als die Initiatorleitungsstruktur (20).
Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch eine fraktale Struktur, worin die Initiatorleitungsstruktur-(20)-Konfiguration in aufeinanderfolgend kleineren Skalierungen über eine Vielzahl von absteigenden Generationen wiederholt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, worin: die Initiatorleitungsstruktur (20) beinhaltet: den Initiatoreinlass (21) in Fluidverbindung mit einer Nabe (24); und eine Vielzahl von den Verteilungsleitungen der ersten Generation (22), welche als Speichen (26) von der Nabe (24) ausstrahlen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, worin die Auslässe der ersten Generation (30) jeweils in einem Paar von entgegengesetzt gerichteten Auslässen (30) enden, von denen jede strukturell in Fluidverbindung mit dem Einlass der Leitungsstruktur der zweiten Generation (42) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, worin; die Verteilungsleitungen der ersten Generation (22) ein Kreuz definieren mit vier hydraulisch annähernd äquivalenten Speichen (26), und die Initiatorleitungsstruktur (20) dadurch acht Auslässe (30) beinhaltet, wobei die Auslässe (30) entsprechend in den acht Ecken eines imaginären Würfels angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, worin die Kaskade strukturiert und innerhalb des Volumens angeordnet ist, so dass: Fluid, welches durch die Kaskade von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende fließt, eventuell aus dem zweiten Ende etwa homogen in das Volumen austritt; und Fluid, welches durch die Kaskade von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende fließt, Fluid etwa homogen von dem ersten Volumen durch das zweite Ende sammelt, eventuell aus dem ersten Ende austritt.
Vorrichtung nach Anspruch 14, worin: die Initiatorstruktur (20) mit den Leitungsstrukturen der zweiten Generation (42) über eine Folge von Leitungen von verringernder Größe entsprechend zu einer Vielzahl von abnehmenden Generationen von fortschreitend verringernder Größe verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, worin: jede Generation der Verzweigungsleitungen skaliert ist, um etwa das gleiche Fluidvolumen wie jede andere Generation von Leitungen in der Kaskade aufzunehmen.
Vorrichtung nach Anspruch 16, worin der Einlass der ersten Generation (21) mit einer Nabe (24) kommuniziert, und die Verteilungsleitung der ersten Generation (22) als Speichen von der Nabe (24) ausstrahlen; und die Vielzahl der Leitungsstrukturen der zweiten Generation (42) individuelle Leitungsstrukturen beinhaltet, welche etwa gleich konfiguriert sind wie die Initiatorleitungsstrukturen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, worin: die Verteilungsleitung der erste Generation (22) ein Kreuz mit vier etwa hydraulisch äquivalenten Speichen (26) definiert, und die Initiatorleitungsstruktur (29) dadurch acht Auslässe (30) beinhaltet, wobei die Auslässe (30) entsprechend in den acht Ecken eines imaginären Würfels angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, weiterhin umfassend: eine zweite Vorrichtung zur Verwendung als eine zweite fluidskalierende Kaskade von Verzweigungsleitungen (78), welche innerhalb des Behälters befestigt sind, wobei die zweite Kaskade beinhaltet: eine Initiatorleitungsstruktur (74) an einem ersten Ende der zweiten Kaskade; und eine Vielzahl von Leitungsstrukturen der zweiten Generation an einem zweiten Ende der zweiten Kaskade; wobei der Initiator durch aufeinanderfolgende Unterteilungen an entsprechenden aufeinanderfolgenden Verzweigungen mit den Leitungsstrukturen der zweite Generation verbunden ist; und wobei die Leitungsstrukturen der zweiten Generation von kleinerem Durchmesser sind als die Initiatorleitungsstruktur (74); wobei die erste und zweite Kaskade innerhalb des Volumens solcher Art strukturiert und angeordnet sind, dass: Fluid, welches von der ersten Kaskade von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende der ersten Kaskade fließt, fortschreitend in kleinerer Flusseinheiten skaliert wird, so dass Fluid, welches durch die erste Kaskade von dem ersten Ende zu dem zweiten Ende der ersten Kaskade fließt, etwa homogen in das Volumen austritt; und Fluid, welches durch die zweite Kaskade von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende der zweiten Kaskade fließt, fortschreitend in größere Fluideinheiten skaliert wird, so dass Fluid, welches durch die zweite Kaskade von dem zweiten Ende zu dem ersten Ende der zweiten Kaskade fließt ein annähernd homogenes Fluidvolumen von dem Volumen sammelt.