EP3907461A1 - Baugruppen/einbauelemente aus umlenkflächen mit trennstegen für den einbau in rohre/kanäle oder in den mantelraum von rohrbündel-wärmetauschem - Google Patents

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EP3907461A1
EP3907461A1 EP21020233.9A EP21020233A EP3907461A1 EP 3907461 A1 EP3907461 A1 EP 3907461A1 EP 21020233 A EP21020233 A EP 21020233A EP 3907461 A1 EP3907461 A1 EP 3907461A1
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EP
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built
tube bundle
heat exchanger
bundle heat
static mixer
Prior art date
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Withdrawn
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EP21020233.9A
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Felix Streiff
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Individual
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    • B01F25/4321—Mixing tubes, e.g. wherein the material is moved in a radial or partly reversed direction with means for dividing the material flow into separate sub-flows and for repositioning and recombining these sub-flows; Cross-mixing, e.g. conducting the outer layer of the material nearer to the axis of the tube or vice-versa the subflows consisting of at least two flat layers which are recombined, e.g. using means having restriction or expansion zones
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    • F28F2009/226—Transversal partitions

Definitions

  • the invention relates to assemblies that can be designed in particular as built-in elements, with separators for installation in pipes or ducts as static mixers and / or as baffles with separators for installation in the shell of tube bundle heat exchangers, preferably in the laminar flow area with highly viscous media .
  • the invention also relates to static mixers and tube bundle heat exchangers with assemblies of this type.
  • Fig. 1 shows a longitudinal section and two cross sections of previously known built-in elements made of deflection surfaces with the partitions as a static mixer installed in a housing (1).
  • the built-in elements each consist of a deflection surface and at least 1 separator each on the inlet (I) and outlet side (II) of the deflection surface, viewed in the direction of flow.
  • the webs on the input side and on the output side of the deflection surface are preferably at an angle of 90 ° or almost 90 ° to one another.
  • a static mixer consists of at least 1 built-in element type A and one built-in element type B following in the direction of flow, whereby the window and closed sub-areas of the deflection surfaces of the following type A and type B elements in the direction of flow alternate or cover each other.
  • the axial length of the separating webs is preferably 0.25 to 0.5D.
  • the dividers on the entry side can also be shorter or longer than those on the exit side. Deflection surfaces and associated dividers of a built-in element or an assembly can be connected to one another by welding, soldering, gluing, etc., or manufactured individually or as an assembly of several built-in elements as a monolithic component from plastic injection molding, precision casting or additively as a 3D printing.
  • EP 3 338 882 A1 an embodiment variant of the deflection surfaces is disclosed in which the windows are significantly smaller than the maximum opening that would be limited by the separating webs and have any shape or are preferably bores. These narrow windows are intended to generate high shear forces for better mixing with different component viscosities.
  • the object of the invention is to substantially improve the uniform formation of the layers in such static mixers and to approach the ideal case and to increase the shear forces and the elongation without significantly increasing the pressure loss or creating dead zones.
  • such built-in elements should also be able to be installed in the shell space of tube bundle heat exchangers for cross-mixing and improving the heat transfer.
  • the object according to the invention can be achieved by making the windows smaller than the maximum size of the known basic structures in the manner according to the invention.
  • This is achieved in that the deflection surfaces are extended beyond the separating webs on the inlet side (I) in the direction of the separating webs on the outlet side by the length b in such a way that the transverse propagation of the flow on the outlet side (II) of the deflecting surfaces is exclusively in the direction of the webs are on the exit side and the window areas are reduced in size compared to the maximum partial areas delimited by the separating webs.
  • the expansion of the flow on the outlet side is increased and it takes place exclusively in the direction given by the webs.
  • the flow and the layers are pulled apart to the maximum and the layer thickness becomes more uniform and therefore less than with the known basic structures.
  • the better mixing effect and the higher flow speeds also improve the heat transfer.
  • the dividers extend from wall to wall in the built-in elements according to the invention as well as in the known basic structures and thus subdivide the entire cross section into delimited areas with opposite cross-flow directions to the respective windows and on opposite sides of the dividers on the exit side.
  • wall to wall means in particular that at least one separating web of the assembly runs between opposing wall areas.
  • Fig. 2 shows the extension of the deflecting surfaces according to the invention using the example of 2 windows and 1 separating web each on the entry and exit side using cross-sectional images for a square cross-section.
  • Fig. 2 above shows a cross-section in the inlet space (I) with the associated cross-flow direction along the separating web 5 on the inlet side, a cross-section when passing through the deflection surface in the windows 3, 4 in the middle or in the window plane and a cross-section in the outlet space (II) with the direction of expansion along the separating web 6 on the exit side with 2 windows and 1 separating web each on the entry and exit side for a built-in element type A (left half of the picture) in a built-in element according to the invention.
  • the sequence of stratification and expansion is indicated schematically when 2 components (gray / white) in a ratio of 1: 1 are added at the inlet of such a static mixer.
  • the color gray is shown horizontally striped in the pictures.
  • the further layering process in the following type B built-in element with staggered windows is shown in the same way.
  • four layers are created in the first element type A from 2 and then in the following insert element from 4 eight layers of the same thickness, etc. This arrangement is relatively insensitive to the position of the stratification at the entry of the first insert element. If the position is incorrect, parallel to the separator at the entrance, only this built-in element is lost for the layering.
  • the layering direction is rotated by 90 ° in the first built-in element and the process then continues as normal.
  • the open window surface is reduced, the flow is more compressed and the shear is increased.
  • the layer thicknesses are much more even because the subsequent expansion is intensified on the exit side.
  • the expansion, starting from the narrowest window cross-section, only takes place in the direction specified by the dividers at the exit and not across it.
  • the extension is preferably chosen so that the free window area is roughly halved.
  • the length b can also be variable over the channel width and the boundary edge can be inclined or in a curved line, cf. Fig. 8 .
  • Fig. 3 shows the same representations as for Fig. 2 an embodiment according to the invention for the case that there are 3 windows 3, 4, 5 and only 1 separating web 6 on the entry side but 2 separating webs 7, 8 on the exit side.
  • the extension (b) according to the invention of the closed deflecting surface also takes place in all windows and exclusively in the direction of the separating webs on the exit side.
  • the process of the model-based layering is shown in the first built-in element type A (left half of the picture) and in the following built-in element type B (right half of the picture) with staggered windows.
  • Fig. 4 again shows the same representation as in Fig. 2 or Fig. 3 with 3 windows 3, 4, 5 and 2 separators each (on the entry 6, 7 and exit side 8, 9) for a built-in element type A and on the right for the following built-in element type B according to the embodiment according to the invention.
  • the size of the window is shown halved compared to the basic structure.
  • the extension is evenly divided by the amount (b / 2) according to the direction of propagation on both sides on the exit side.
  • the sequence of stratification and expansion is indicated schematically when 2 components are applied in a ratio of 1: 1 at the inlet. It is also a special feature of this arrangement that the direction of the layering in the first built-in element must be rotated 90 ° to the separating webs at the entrance. If the dosage is incorrect, the same layers are only permanently recombined and consequently there is no mixing!
  • Fig. 5 shows the result for a mixer (SQ) according to the invention with a halved window area compared to the mixer according to the prior art EP 0749776 (2L).
  • Lo is the layer thickness at the mixer inlet.
  • I is the layer thickness at the mixer inlet.
  • the built-in elements are connected to one another by axial supports or side walls, or the built-in elements are built into a load-bearing ring or form a monolithic part with this ring if the requirements for compressive strength are particularly high.
  • a particularly favorable design for assemblies as complete mixer rods made of built-in elements according to the invention is shown in FIG Fig. 6 shown.
  • the reinforcements (side walls) 7 extend at the edge over several built-in elements or an entire mixer rod.
  • These reinforcements are arranged in such a way that the mixer rod can still be manufactured using a simple open / close tool, for example from plastic injection molding.
  • these reinforcements are advantageously designed with the cross-section of circular segments. A mixer with an almost rectangular cross-section is then created. Square or slightly rectangular cross-sections result in more uniform layers than round cross-sections.
  • Fig. 6 shown as an example.
  • a mixer rod with built-in elements Fig. 2 with 2 windows and 2 separators 30 is at least one Built-in element according to Fig. 3 with 3 windows and 3 separators 31 installed. This breaks preferential paths.
  • the built-in element 31 there is also a rotation of the direction of the layering and a reversal from the inside to the outside.
  • the deflecting surfaces in particular in the outlet space (II), can each be thickened in a wedge-shaped manner towards the wall in the direction of the propagation of the flow Fig. 7 shows (8).
  • the corners can be filled and rounded. This is easily possible with components made of injection molding or using an additive process.
  • Fig. 8 shows a cross-section through a built-in element according to the invention with deflection surfaces with 2 windows in which the expansion of the covered surfaces over the channel width is different and the edge of the window runs obliquely.
  • Fig. 9 shows a design with 12 tubes with deflection surfaces with 2 windows and 1 separator each on the inlet and outlet side.
  • D M is the inner diameter of the shell, not shown, of the tube bundle heat exchanger.
  • Fig. 10 shows an embodiment with 3 windows and 1 separator on the inlet side and 2 separators on the outlet side in a tube bundle with 24 tubes.
  • the windows and closed surfaces in successive built-in elements are each arranged alternately so that no direct, axial passage is possible.
  • a square tube division of the tube bundle heat exchanger is advantageous for the simplest possible installation of the separators.
  • Fig. 11 shows a perspective view of a tube bundle without a jacket tube with deflection surfaces according to FIG Fig. 9 .

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Abstract

Die Erfindung betrifft Baugruppen/Einbauelemente aus Umlenkflächen (2,2') die quer zur Strömungsrichtung verlaufen mit Fenstern (3,4,3',4') und mit Trennstegen (5,6,5',6') für den Einbau in ein Gehäuse (1) als statischer Mischer und/oder als Umlenkbleche mit Fenstern und mit Trennstegen für den Einbau in den Mantelraum von Rohrbündel-Wärmetauschern, vorzugsweise im laminaren Strömungsbereich bei hochviskosen Medien. Im Gegensatz zu den bekannten Grundstrukturen sind bei den erfindungsgemässen Einbauelementen die Umlenkflächen über die Trennstege am Eintritt hinaus in Richtung der Trennstege auf der Austrittsseite derart verlängert dass die Fensterflächen kleiner sind und die Querausbreitung der Strömung auf der Austrittseite der Umlenkflächen ausschliesslich in Richtung der Stege auf der Austrittseite erfolgt. Die Schichtdicken bei der Anwendung als statischer Mischer fallen dabei viel gleichmässiger als bei den bekannten Grundstrukturen aus.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft Baugruppen, die insbesondere als Einbauelemente ausgestaltet sein können, mit Trennstegen für den Einbau in Rohre oder Kanäle als statische Mischer und/oder als Umlenkbleche mit Trennstegen für den Einbau in den Mantelraum von Rohrbündel-Wärmetauschern, vorzugsweise im laminaren Strömungsbereich bei hochviskosen Medien. Weiter betrifft die Erfindung statische Mischer und Rohrbündelwärmetauscher mit derartigen Baugruppen.
    • Stand der Technik
  • Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt und zwei Querschnitte bisher bekannter Einbauelemente aus Umlenkflächen mit den Trennstegen als statischen Mischer eingebaut in einem Gehäuse (1). Die Einbauelemente bestehen aus jeweils einer Umlenkfläche und mindestens je 1 Trennsteg auf der in Strömungsrichtung gesehenen Eingangs- (I) und Ausgangsseite (II) der Umlenkfläche. Die Stege auf der Eingangsseite und auf der Ausgangsseite der Umlenkfläche stehen dabei vorzugsweise in einem Winkel von 90° oder nahezu 90° zueinander. Ein statischer Mischer besteht aus mindestens 1 Einbauelement Typ A und einem in Strömungsrichtung folgenden Einbauelement Typ B wobei sich die Fenster- und die geschlossenen Teilflächen der Umlenkflächen der in Strömungsrichtung folgenden Elemente Typ A und Typ B jeweils abwechseln bzw. abdecken. Die axiale Länge der Trennstege beträgt vorzugsweise 0.25 bis 0.5D. Die Trennstege auf der Eintrittsseite können dabei auch kürzer oder länger sein als diejenigen auf der Austrittsseite. Umlenkflächen und zugehörige Trennstege eines Einbauelements oder einer Baugruppe können durch Schweissen, Löten, Kleben etc. miteinander verbunden sein oder einzeln oder als Baugruppe mehrerer Einbauelemente als ein monolithisches Bauteil aus Kunststoff- Spritzguss, Präzisionsguss oder additiv als 3D-Druck hergestellt sein. Diese Grundstruktur der mischenden Innenteile aus Umlenkflächen mit Fenstern und Trennstegen und ihre Funktionsweise als statische Mischer wird bereits in der EP 0749776 oder EP 0815929 ausführlich beschrieben. In diesen Patentschriften sind auch Varianten mit mehreren Fenstern in der Umlenkfläche und mehreren Trennstegen offenbart wobei aber die Anzahl der Trennstege auf der Ein- und Austrittsseite immer gleich gross ist.
  • In EP 1 426 099 wird eine weitere Variante mit 3 Fenstern aber nur 1 Trennsteg auf der Eintrittsseite und 2 Trennstegen auf der Austrittsseite beschrieben. Es sind noch weitere von diesen Patenten abgeleitete Varianten mit dem gleichen Funktionsprinzip bekannt. Bei all diesen bekannten, statischen Mischern entspricht die Grösse der Fenster in der Umlenkfläche genau der durch die Trennstege abgegrenzten Teilfläche wie in Fig. 1 dargestellt. Bei z.B. 2 Fenstern beträgt deren Grösse also je ca. ¼ der ganzen Querschnittsfläche. Diese statischen Mischer können in Rohre oder auch in Gehäuse mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt eingebaut sein. In EP 3 338 882 A1 wird eine Ausführungsvariante der Umlenkflächen offenbart bei der die Fenster wesentlich kleiner sind als die maximale Öffnung die durch die Trennstege begrenzt würden und eine beliebige Form haben oder vorzugsweise Bohrungen sind. Durch diese engen Fenster sollen hohe Scherkräfte zur besseren Mischung bei unterschiedlichen Viskositäten der Komponenten erzeugt werden.
  • Alle beschriebenen Einbauelemente weisen bei der Verwendung als statischer Mischer den Nachteil auf, dass die Anzahl der gebildeten Schichten näherungsweise den erwarteten Modellen entspricht aber diese Schichten sehr unterschiedliche Dicken aufweisen, ungleichmässig über den Querschnitt verteilt sind und/oder dass die Schichten nicht voll ausgebildet sind. Anhand von Schnittbildern hergestellt mit rasch härtendem Polyesterharz kann gezeigt werden, dass die maximale Grösse einer Inhomogenität (Schichtdicke) schon nach wenigen Elementen gegenüber dem idealen Gesetz der Schichtenbildung um Grössenordnungen abweicht bzw. das ideale Mischverhalten nie erreicht wird.
    • Darstellung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es die gleichmässige Ausbildung der Schichten in derartigen statischen Mischern wesentlich zu verbessern und dem Idealfall anzunähern und die Scherkräfte und die Dehnung zu erhöhen ohne den Druckverlust wesentlich zu erhöhen oder tote Zonen zu schaffen. Gleichzeitig sollen derartige Einbauelemente auch in den Mantelraum von Rohrbündel-Wärmetauschern zur Quermischung und Verbesserung des Wärmeübergangs eingebaut werden können.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, dass die erfindungsgemässe Aufgabe dadurch gelöst werden kann indem die Fenster gegenüber der maximalen Grösse der bekannten Grundstrukturen in der erfindungsgemässen Art verkleinert werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Umlenkflächen über die Trennstege auf der Eintrittsseite (I) hinaus in Richtung der Trennstege auf der Austrittseite derart um die Länge b verlängert sind, dass die Querausbreitung der Strömung auf der Austrittseite (II) der Umlenkflächen ausschliesslich in Richtung der Stege auf der Austrittseite erfolgt und die Fensterflächen gegenüber den maximalen, durch die Trennstege begrenzten Teilflächen verkleinert sind.
  • Durch die erfindungsgemässe Verkleinerung der Fensterflächen wird die Dehnung der Strömung auf der Austrittsseite vergrössert und sie erfolgt ausschliesslich in der durch die Stege vorgegebenen Richtung. Die Strömung und die Schichten werden maximal auseinandergezogen und die Schichtdicke wird gleichmässiger und damit geringer als bei den bekannten Grundstrukturen. Durch die bessere Mischwirkung und die höheren Strömungsgeschwindigkeiten wird ausserdem der Wärmeübergang verbessert.
  • Bei einer beliebigen Verkleinerung der Fensterflächen wie z.B. in EP 3 338 882 A1 dagegen würde sich die Strömung nach dem Durchtritt durch die Fenster auch quer zu der durch die Trennstege auf der Austrittsseite vorgegebenen Richtung ausdehnen und dabei würde die Schichtdicke wieder zunehmen. Ausserdem entstehen dabei auf der Austrittseite der Umlenkflächen durch die Strömung quer zum Steg zusätzliche Totzonen und Gebiete mit geringer Strömung.
  • Die Trennstege reichen bei den erfindungsgemässen Einbauelementen wie auch bei den bekannten Grundstrukturen von Wand zu Wand und unterteilen damit den ganzen Querschnitt in abgegrenzte Bereiche mit entgegengesetzten Querströmungsrichtungen hin zu den jeweiligen Fenstern und auf jeweils gegenüberliegende Seiten der Trennstege auf der Austrittsseite. Unter dem Ausdruck von "Wand zu Wand" ist insbesondere gemeint, dass mindestens ein Trennsteg der Baugruppe zwischen gegenüberliegenden Wandbereichen verläuft.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Eine bisher bekannte Grundstruktur ist in Fig.1 dargestellt. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Zeichnungen Fig. 2 bis Fig. 11 dargestellt. Im Folgenden werden die Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen
    • Fig. 1
    Einen statischen Mischer mit bisher bekannter Grundstruktur im Längs- und mit zwei Querschnitten
    Fig. 2
    zeigt eine Ansicht des Querschnittes im Eintrittsraum (I), beim Durchtritt durch die Umlenkfläche und im Austrittsraum (II) bei 2 Fenstern und je 1 Steg auf der Ein- und Austrittsseite für ein Einbauelement Typ A und das folgende Einbauelement Typ B bei einer erfindungsgemässen Form mit im Vergleich zur Grundstruktur halbierter Fensterfläche und quadratischem Querschnitt. Angedeutet ist schematisch der ideale Ablauf der Verschichtung und Dehnung wenn 2 Komponenten im Verhältnis 1:1 am Eintritt aufgegeben werden. Die Pfeile zeigen die Querströmungsrichtungen.
    Fig. 3
    zeigt eine analoge Darstellung wie Fig. 2 für den Fall, dass 3 Fenster aber nur 1 Steg auf der Eintrittsseite und 2 Stege auf der Austrittsseite vorhanden sind für ein Einbauelement Typ A und das folgende Einbauelement Typ B nach der erfindungsgemässen Ausführungsform.
    Fig. 4
    zeigt ebenfalls eine analoge Darstellung wie Fig. 2 bei 3 Fenstern und je 2 Stegen auf der Ein- und Austrittsseite für ein Einbauelement Typ A und das folgende Einbauelement Typ B nach der erfindungsgemässen Ausführungsform.
    Fig. 5
    zeigt die gemessene maximale Schichtdicke für einen erfindungsgemässen statischen Mischer (SQ) mit 2 Fenstern mit halbierten Fensterflächen im Vergleich zur Grundstruktur nach EP 0749776 mit ebenfalls 2 Fenstern.
    Fig. 6
    zeigt eine besonders günstige Ausführung einer Vielzahl von erfindungsgemässen Einbauelementen in einer ganzen Baugruppe als Mischerstange mit stützenden und verbindenden Seitenwänden zum Einbau in ein quadratisches Gehäuse. Dargestellt ist ein Längsschnitt und ein Grundriss.
    Fig. 7
    zeigt einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemässes Einbauelement mit Umlenkflächen mit 2 Fenstern mit keilförmiger Verdickung der Umlenkfläche auf der Austrittseite und Rundungen zur Verminderung von toten Zonen.
    Fig. 8
    zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Einbauelement mit Umlenkflächen mit 2 Fenstern bei dem die Erweiterung der abgedeckten Flächen über Kanalbreite unterschiedlich gross ist und die Kante des Fensters schräg verläuft.
    Fig. 9
    zeigt eine Ausführung von erfindungsgemässen Einbauelementen mit Umlenkflächen mit 2 Fenstern und je 1 Steg auf der Ein- und Austrittsseite zum Einbau in den Mantelraum eines Rohrbündelwärmetauschers mit 12 Rohren.
    Fig. 10
    zeigt eine Ausführung von erfindungsgemässen Einbauelementen in einer Ausführung mit 3 Fenstern und 1 Steg auf der Eintrittsseite und 2 Stegen auf der Austrittsseite zum Einbau in den Mantelraum eines Rohrbündelwärmetauschers mit 24 Rohren.
    Fig. 11
    zeigt eine perspektivische Darstellung eines Rohrbündels mit erfindungsgemässen Einbauelementen in einer Ausführung nach Fig. 9
    Ausführungsbeispiele
  • Fig. 2 zeigt die erfindungsgemässe Verlängerung der Umlenkflächen am Beispiel mit 2 Fenstern und je 1 Trennsteg auf der Eintritts- und Austrittseite anhand von Querschnittsbildern für einen quadratischen Querschnitt. Fig. 2 oben zeigt einen Querschnitt im Eintrittsraum (I) mit der zugehörigen Querströmungsrichtung entlang dem Trennsteg 5 auf der Eintrittsseite, einen Querschnitt beim Durchtritt durch die Umlenkfläche in den Fenstern 3,4 in der Mitte bzw. in der Fensterebene und einen Querschnitt im Austrittsraum (II) mit der Ausdehnungsrichtung entlang dem Trennsteg 6 auf der Austrittsseite bei 2 Fenstern und je 1 Trennsteg auf der Ein- und Austrittsseite für ein Einbauelement Typ A (linke Bildhälfte) bei einem erfindungsgemässen Einbauelement. Angedeutet ist schematisch der Ablauf der Verschichtung und Dehnung wenn 2 Komponenten (grau/weiss) im Verhältnis 1:1 am Eintritt eines derartigen statischen Mischers aufgegeben werden. Die Farbe grau ist in den Bildern horizontal gestreift dargestellt. In der rechten Bildhälfte ist der weitere Vorgang der Verschichtung im folgenden Einbauelement Typ B mit versetzten Fenstern in gleicher Weise dargestellt. Nach dem idealen Modell entstehen so im ersten Element Typ A aus 2 vier Schichten und dann im folgenden Einbauelement aus 4 acht Schichten gleicher Dicke usw. Diese Anordnung ist relativ unempfindlich auf die Lage der Verschichtung am Eintritt des ersten Einbauelementes. Bei falscher Lage, parallel zum Trennsteg am Eintritt geht lediglich dieses Einbauelement für die Verschichtung verloren. Die Verschichtungsrichtung wird dabei um 90° gedreht im ersten Einbauelement und der Vorgang läuft anschliessend normal weiter. Durch die Verlängerungen der Umlenkflächen in der erfindungsgemässen Form um die Länge (b) wird die offene Fensterfläche verkleinert, die Strömung stärker komprimiert und die Scherung erhöht. Die Schichtdicken fallen viel gleichmässiger aus weil die anschliessende Dehnung auf der Austrittsseite intensiviert wird. Die Dehnung ausgehendend vom engsten Fensterquerschnitt erfolgt nur in der durch die Trennstege am Austritt vorgegebenen Richtung und nicht quer dazu. Vorzugsweise wird die Verlängerung so gewählt, dass die freie Fensterfläche etwa halbiert wird. Die Länge b kann auch über die Kanalbreite variabel sein und die Begrenzungskante kann schräg oder in einer gekrümmten Linie erfolgen, vergl. Fig. 8.
  • Fig. 3 zeigt die gleichen Darstellungen wie bei Fig. 2 einer erfindungsgemässen Ausführungsform für den Fall, dass 3 Fenster 3,4,5 und nur 1 Trennsteg 6 auf der Eintrittsseite aber 2 Trennstege 7,8 auf der Austrittsseite vorhanden sind. Hier erfolgt die erfindungsgemässe Verlängerung (b) der geschlossenen Umlenkfläche ebenfalls in allen Fenstern und ausschliesslich in der Richtung der Trennstege auf der Austrittsseite. Dargestellt ist der Vorgang der modellmässigen Verschichtung im ersten Einbauelement Typ A (linke Bildhälfte) und im folgenden Einbauelement Typ B (rechte Bildhälfte) mit versetzten Fenstern. Es ist eine Besonderheit dieser Anordnung, dass die Richtung der Verschichtung im ersten Einbauelement um 90° gedreht wird und dass die Lage der Schichten am Eintritt parallel zum Trennsteg am Eintritt verlaufen muss. Bei falscher Dosierung erfolgt nur eine dauernde Rekombination der gleichen Schichten und folglich findet keine Vermischung statt! Fig. 4 zeigt wiederum die gleiche Darstellung wie bei Fig. 2 oder Fig. 3 bei 3 Fenstern 3,4,5 und je 2 Trennstegen ( auf der Ein- 6,7 und Austrittsseite 8,9) für ein Einbauelement Typ A und rechts für das folgende Einbauelement Typ B nach der erfindungsgemässen Ausführungsform. Dabei ist die Grösse der Fenster gegenüber der Grundstruktur halbiert dargestellt. Bei Fenster 5 wird die Verlängerung um den Betrag (b/2) gleichmässig entsprechend der beidseitigen Ausbreitungsrichtung auf der Austrittsseite aufgeteilt. Angedeutet ist schematisch der Ablauf der Verschichtung und Dehnung wenn 2 Komponenten im Verhältnis 1:1 am Eintritt aufgegeben werden. Es ist ebenfalls eine Besonderheit dieser Anordnung, dass die Richtung der Verschichtung im ersten Einbauelement 90° gedreht zu den Trennstegen am Eintritt verlaufen muss. Bei falscher Dosierung erfolgt nur eine dauernde Rekombination der gleichen Schichten und folglich findet keine Vermischung statt!
  • Es wurden Versuche mit rasch aushärtendem, hochviskosen Polyesterharz mit erfindungsgemässen Baugruppen bzw. Einbauelementen mit quadratischem Querschnitt gemacht. Zwei verschieden eingefärbte Komponenten wurden im Verhältnis 1:1 durch den statischen Mischer mit erfindungsgemässen Einbauelementen mit Umlenkflächen mit 2 Fenstern gepresst. Die Fensterfläche betrug 50% der maximalen durch die Trennstege begrenzten Teilfläche. Nach dem aushärten wurde der Mischer nach jedem Einbauelement quer aufgeschnitten und die Schnittbilder nach der grössten messbaren Schichtdicke I ausgewertet. Zum Vergleich wurde derselbe Versuch auch mit einem statischen Mischer nach dem Stand der Technik mit den Fensterflächen gemäss EP 0749776 mit 2 Fenstern bzw. 2 Löchern durchgeführt. Dieser statische Mischer hatte ebenfalls den gleichen, quadratischen Querschnitt und die gleiche Länge der Einbauelemente. Fig. 5 zeigt das Resultat für einen erfindungsgemässen Mischer (SQ) mit halbierter Fensterfläche im Vergleich zum Mischer gemäss dem Stand der Technik EP 0749776 (2L). Dabei ist lo die Schichtdicke am Eintritt der Mischer. Es zeigt sich eine deutliche Reduktion der maximalen Schichtdicke I und somit eine Verbesserung der Schichtbildung (Mischwirkung) gegenüber dem Stand der Technik. Vergleiche der Homogenisierungslänge für einen Variationskoeffizienten COV = 1% bei einer Mischung 1:1 mit ähnlichen Viskositäten zeigen eine Reduktion von 20 - 25% für eine erfindungsgemässe Ausführung gegenüber dem Stand der Technik. Der Druckverlustbeiwert steigt dabei etwas an aber auch nur um 20 - 25% wenn die Fensterflächen im Vergleich zur Grundstruktur etwa halbiert werden. Somit ergibt sich durch die geringere Länge kein höherer Druckverlust für die Homogenisierung. Diese Verkürzung der notwendigen Mischerlänge bei gleichem Druckverlust bedeutet einen grossen Vorteil in der praktischen Anwendung, besonders bei Einwegmischern für die Applikation von aushärtenden Harzen und Klebern. Bei unterschiedlichen Viskositäten der Komponenten mit einem Verhältnis der Viskositäten von mehr als 1:100 bilden sich mischresistente Stromfäden die eine grössere Homogenisierungslänge verursachen. Solche Stromfäden bilden sich bei der bisher bekannten Grundstruktur bevorzugt im Bereich der Umströmung der Stege und in der Mitte der Fenster in der Nähe der Gehäusewand aus. Durch die erfindungsgemässen Verlängerungen der Umlenkflächen wird die direkte Umströmung der Stege verhindert und die niederviskosen Stromfäden werden abgedrängt und stärker geschert. Dadurch wird die Mischung günstig beeinflusst. Um besonders grosse Scherkräfte bei sehr grossen Viskositätsunterschieden zu erzeugen kann die Verlängerung b in der erfindungsgemässen Richtung auch soweit gehen, dass nur noch ein kleines Fenster mit hoher Schergeschwindigkeit offen bleibt.
  • Zur mechanischen Verstärkung der Grundstruktur sind viele Möglichkeiten bekannt die natürlich auch auf diese Ausführungsform anwendbar sind. So werden die Einbauelemente durch axiale Stützen oder Seitenwände untereinander verbunden oder die Einbauelemente werden bei besonders hohen Anforderungen an die Druckfestigkeit in einen tragenden Ring eingebaut oder bilden ein monolithisches Teil mit diesem Ring. Eine besonders günstige Ausführung für Baugruppen als ganze Mischerstangen aus erfindungsgemässen Einbauelementen wird in Fig. 6 dargestellt. Hier erstrecken sich die Verstärkungen (Seitenwände) 7 am Rand über mehrere Einbauelement bzw. eine ganze Mischerstange. Diese Verstärkungen sind so angeordnet, dass die Mischerstange trotzdem durch ein einfaches Auf/Zu Werkzeug z.B. aus Kunststoff-Spritzguss hergestellt werden kann. Zum Einbau der Mischer in ein kreisrundes Gehäuse bzw. Rohre werden diese Verstärkungen vorteilhaft mit dem Querschnitt von Kreisabschnitten ausgebildet. Es entsteht dann ein Mischer mit nahezu rechteckigem Querschnitt. Quadratische oder leicht rechteckige Querschnitte ergeben gleichmässigere Schichten als runde Querschnitte.
  • Zur weiteren Verminderung von mischresistenten Stromfäden kann es günstig sein periodisch Einbauelemente mit unterschiedlicher Anzahl Fenster und Trennstegen in eine Mischerstange einzubauen. Dies wird in Fig.6 beispielhaft dargestellt. In eine Mischerstange mit Einbauelementen nach Fig. 2 mit 2 Fenstern und 2 Trennstegen 30 wird mindestens ein Einbauelement nach Fig. 3 mit 3 Fenstern und 3 Trennstegen 31 eingebaut. Dadurch werden präferenzielle Pfade unterbrochen. Im Einbauelement 31 erfolgt zudem eine Drehung der Richtung der Verschichtung und eine Umkehr von Innen nach Aussen.
  • Zur Vermeidung von Totzonen können die Umlenkflächen insbesondere im Austrittsraum (II) jeweils in Richtung der Ausbreitung der Strömung keilförmig zur Wand hin verdickt sein wie Fig. 7 zeigt (8). Ausserdem können die Ecken ausgefüllt und gerundet sein. Dies ist bei Bauteilen aus Spritzguss oder nach einem additiven Verfahren leicht möglich.
  • Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemässes Einbauelement mit Umlenkflächen mit 2 Fenstern bei dem die Erweiterung der abgedeckten Flächen über die Kanalbreite unterschiedlich gross ist und die Kante des Fensters schräg verläuft.
  • Es ist auch möglich diese Baugruppen/Einbauelemente aus Umlenkblechen mit Trennstegen in den Mantelraum eines Rohrbündelwärmetauschers anstelle der üblichen Umlenkbleche einzubauen und damit das Produkt im Mantelraum beim Wärmeaustausch gleichzeitig dauernd zu mischen und den Wärmeübergang zu verbessern wenn die geschlossenen Umlenkflächen Bohrungen entsprechend der Rohrteilung des Rohrbündels aufweisen. Durch diese erfindungsgemässen Einbauelemente wird insbesondere die Ausbildung einer Maldistribution bei viskosen Produkten dank der Quermischung vermieden. Für eine gute Wärmeübertragung an die Rohre ist es erwünscht, dass die gesamte freie Fensterfläche einer Umlenkfläche nur 20 bis 30% der Querschnittsfläche beträgt. Bei der bekannten Grundstruktur beträgt die freie Fensterfläche dagegen nahezu 50%. Durch die erfindungsgemässe Verlängerung der Umlenkflächen über die Trennstege am Eintritt hinaus kann die Fensterfläche wie gewünscht verkleinert werden ohne dass schwach durchströmte Zonen entstehen oder die Verweilzeitverteilung ungünstig beeinflusst wird und die Mischwirkung wird zusätzlich verbessert.
  • Fig. 9 zeigt eine Ausführung mit 12 Rohren mit Umlenkflächen mit 2 Fenstern und je 1 Trennsteg auf der Ein- und Austrittsseite. Dabei ist DM der Innendurchmesser des nicht dargestellten Mantels des Rohrbündelwärmetauschers.
  • Fig. 10 zeigt eine Ausführung mit 3 Fenstern und 1 Trennsteg auf der Eintrittsseite und 2 Trennstegen auf der Austrittsseite bei einem Rohrbündel mit 24 Rohren. Die Fenster und geschlossenen Flächen bei aufeinanderfolgenden Einbauelementen sind jeweils abwechselnd angeordnet so dass kein direkter, axialer Durchtritt möglich ist. Für den möglichst einfachen Einbau der Trennstege ist eine quadratische Rohrteilung des Rohrbündelwärmetauschers von Vorteil.
  • Fig. 11 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Rohrbündels ohne Mantelrohr mit Umlenkflächen nach Fig. 9.

Claims (14)

  1. Baugruppen, insbesondere Einbauelemente, aus Umlenkflächen (2,2') die quer zur Strömungsrichtung verlaufen mit Fenstern (3,4,3',4') und mit Trennstegen (5,6,5',6') für den Einbau in ein Gehäuse, Rohr oder Kanäle (1) als statischer Mischer und/oder als Umlenkbleche mit Trennstegen für den Einbau in den Mantelraum von Rohrbündel-Wärmetauschern, vorzugsweise im laminaren Strömungsbereich bei hochviskosen Medien, mit mindestens einem Trennsteg von Wand zu Wand der parallel zur Strömungsrichtung verläuft auf der Eintrittsseite (I) und mindestens einem Trennsteg von Wand zu Wand der parallel zur Strömungsrichtung verläuft auf der Austrittsseite (II) der die Trennstege auf der Eintrittsseite vorzugsweise in einem Winkel von 90° kreuzt und mindestens je einem Fenster zu jeder Seite der Trennstege durch das die Strömung von der Eintrittsseite zu einer jeweils gegenüberliegenden Seite eines Steges auf der Austrittseite führt dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkflächen über die Trennstege am Eintritt hinaus in Richtung der Trennstege auf der Austrittsseite derart verlängert sind, dass die Querausbreitung der Strömung auf der Austrittseite der Umlenkflächen ausschliesslich in Richtung der Stege auf der Austrittseite erfolgt und die Fensterflächen gegenüber den maximalen, durch die Trennstege begrenzten Teilflächen verkleinert sind.
  2. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher aus Baugruppen, insbesondere aus Einbauelementen, mit Umlenkflächen, Trennstegen und Fenstern nach Anspruch 1.
  3. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet dass geschlossene Umlenkflächen und offene Fenster aufeinanderfolgender Elemente derart versetzt sind, dass die Fenster auf in Strömungsrichtung aufeinanderfolgender Einbauelemente abgedeckt werden.
  4. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet dass die Fensterflächen aufeinanderfolgender Mischelemente verschieden gross sind.
  5. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet dass die Anzahl der Fenster und/oder Trennstege mindestens eines der aufeinanderfolgender Einbauelemente verschieden gross sind.
  6. Statischer Mischer nach Anspruch 2 oder Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet dass die Fensterflächen mindestens eines Einbauelementes höchstens 50% der maximalen durch die Trennstege begrenzten Teilflächen betragen.
  7. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche 2-6, dadurch gekennzeichnet dass die Verlängerung der Umlenkflächen bei mindestens einem Mischelement über die Breite der Fenster unterschiedlich ist und die Begrenzung der Fenster nicht parallel zu den Stegen am Eintritt verläuft und eine schräge oder eine gekrümmte Linie ist.
  8. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet dass mehrere Einbauelemente durch seitliche Verstärkungen (7) miteinander zu einer Mischerstange verbunden sind.
  9. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet dass die Einbauelemente durch einen äusseren Ring verstärkt sind.
  10. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche 2-9, dadurch gekennzeichnet dass die Umlenkflächen auf der Austrittseite vom Fenster zu einer Wand hin in der Querströmungsrichtung durch keilförmige Erweiterungen (8) verstärkt sind.
  11. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche 2-10, dadurch gekennzeichnet dass die Umlenkflächen, Trennstege und Verstärkungen ein monolithisches Bauteil aus einem oder mehreren Einbauelementen bilden und aus Feinguss, Kunststoffspritzguss oder einem additiven Verfahren hergestellt sind.
  12. Rohrbündelwärmetauscher mit Baugruppen, insbesondere aus Einbauelementen, nach Anspruch 1 im Mantelraum, dadurch gekennzeichnet dass die geschlossenen Umlenkflächen Bohrungen entsprechend der Rohrteilung eines Rohrbündels aufweisen und die Rohre durch diese Bohrungen geführt werden.
  13. Rohrbündelwärmetauscher nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet dass die gesamte Fensterfläche eines Einbauelementes kleiner 30% der Querschnittsfläche des Mantelraums beträgt.
  14. Statischer Mischer oder Rohrbündelwärmetauscher nach einem der vorangehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Trennstege auf der Eintrittsseite kleiner als auf der Austrittseite ist.
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