專利名稱：連續(xù)無序的對流混合器、熱交換器和反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種特別地用于混合、用于熱交換或進(jìn)行反應(yīng)的裝置，具有一個或多個可流通的元件，它們沿流動方向具有一條中心線。
所述的這類裝置是已知的，而且是用于牛頓和非牛頓流體的連續(xù)無序的對流混合器或熱交換器或反應(yīng)器。
此外還知道多種混合器-熱交換器類型。靜態(tài)混合器有一個固定的內(nèi)裝構(gòu)件，借助于它加速混合過程。在另一種類型的混合器中(攪拌容器、攪拌反應(yīng)管)攪拌通過運(yùn)動的內(nèi)裝構(gòu)件進(jìn)行。無序混合器和熱交換器(J.Fluid Mech，1989，第209卷335～357頁，實驗熱力學(xué)和流體科學(xué)，1993。第7卷333～344頁，WO94/12270)充分利用在彎曲管道或通道內(nèi)由慣性感應(yīng)的次級流動。
在靜態(tài)混合器中由于再循環(huán)區(qū)域在內(nèi)裝構(gòu)件上會出現(xiàn)沉積。其次在再循環(huán)區(qū)域局部可能出現(xiàn)流體過熱(熱點)。帶有運(yùn)動內(nèi)裝構(gòu)件的混合系統(tǒng)有這樣的缺點其結(jié)構(gòu)成本比靜態(tài)混合器昂貴。通常它需要一個驅(qū)動裝置和控制系統(tǒng)。在熱力和流變復(fù)合流體時由于攪拌元件上很大的剪切率(Scherraten)會出現(xiàn)局部流體過熱和分解。在已知的混合器(WO94/12270)中由于流動的導(dǎo)向在較大流量的流動時會出現(xiàn)分離區(qū)。這樣在這個再循環(huán)區(qū)會出現(xiàn)沉積和局部過熱。
因此本發(fā)明的目的是，發(fā)明一種開頭所述這一類的裝置，它不需要內(nèi)裝構(gòu)件，以及制造方便、結(jié)構(gòu)緊湊。其次應(yīng)該在一個寬的粘度和流量范圍內(nèi)達(dá)到良好的混合和熱交換效果，而沒有前面討論過的缺點。
按照本發(fā)明這個目的通過開頭所述這一類的裝置來解決，其特征在于可流通的元件至少在局部做成或設(shè)置成這樣，使由它或它們的中心線構(gòu)成的曲線大致符合以下的參數(shù)表達(dá)式
其中參數(shù)和常數(shù)具有如下含義θ(t) 在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)的位置向量，t 沿曲線(9)的參數(shù)， -∞≤t≤+∞[t] t的整數(shù)部分a(t) 曲率半徑(10)， 0＜|a(t)|＜∞c(t) 間距參數(shù) 0＜|c(t)|＜∞因此本發(fā)明的內(nèi)容是一種特別是用于混合、用于熱交換或進(jìn)行反應(yīng)的裝置，具有一個或多個可流通的元件，它們在流動方向具有一條中心線，其特征在于這個或這些可流通的元件至少局部做成或設(shè)置成這樣，使得由它的或它們的中心線構(gòu)成的曲線大致滿足如下的參數(shù)表達(dá)式
其中參數(shù)和常數(shù)有如下含義θ(t) 在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)的位置向量，t 沿曲線(9)的參數(shù)，-∞≤t≤+∞，[t]t的整數(shù)部分a(t) 曲率半徑(10)， 0＜|a(t)|＜∞c(t) 間距參數(shù)0＜|c(t)|＜∞其中對于從一個整數(shù)到下一個整數(shù)可流通的元件的參數(shù)t范圍定義一個所謂的360°回環(huán)，到再下一個整數(shù)定義一個雙回環(huán)。
優(yōu)先的結(jié)構(gòu)由從屬權(quán)利要求得到。
由多個回環(huán)拼接成的裝置優(yōu)先。回環(huán)的連接可以通過專業(yè)人士眾所周知的方法可拆卸地(法蘭)或不可拆卸地(焊接、釬焊)連接。單個回環(huán)也可以通過已知的連接件、直的或彎曲的管子相互連接。用這種方法可以制造任意多個不同的按本發(fā)明的裝置。在一個這種類型的裝置中a(t)和c(t)沿曲線或從一個回環(huán)到另一個回環(huán)可以是變化的，也可以是相同的。在一種優(yōu)先的結(jié)構(gòu)中一個或每個可流通元件和/或一個或每個回環(huán)正確地或局部正確地或完全地符合參數(shù)表達(dá)式。
其次優(yōu)先的是這樣的結(jié)構(gòu)，其中可流通元件做成或設(shè)置成這樣，使得由它或它們的中心線構(gòu)成的曲線在整個裝置上符合參數(shù)表達(dá)式?？闪魍ǖ脑蚧丨h(huán)最好具有一個圓形、矩形或橢圓形橫截面。它們在空間內(nèi)不是位于同一個平面內(nèi)，而是在空間內(nèi)向前推進(jìn)地、一個接一個地設(shè)置。中心線可以是相對于橫截面的對稱線。在對稱或近似對稱的橫截面時各個可流通元件周邊上在流動方向位置相同的點，例如在正方形的元件時各個元件確定的角點、相互連接成的曲線看作與由中心線構(gòu)成的曲線等效，也就是說，這個曲線(沿流動方向的棱邊)同樣符合參數(shù)表達(dá)式。曲線與參數(shù)表達(dá)式的、特別是在通常的加工和/或裝配公差范圍內(nèi)的微小偏差沒有妨礙。
此裝置可以由單個零件或多個零件組成。設(shè)計和制造可以按常用的方法進(jìn)行。根據(jù)結(jié)構(gòu)和流過的流體種類的不同可以考慮專業(yè)人員所熟悉的各種金屬或非金屬材料作材料如塑料、鋼(防銹的或耐酸的)、玻璃、陶瓷或特種材料。
作為中心線的曲率半徑a(t)優(yōu)先采用在德國DIN標(biāo)準(zhǔn)2605T1中規(guī)定的管子直徑的倍數(shù)。一種典型的結(jié)構(gòu)例如由徑為外D＝40毫米的管子組成。按照標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)類型5得到曲率半徑為100毫米。這樣導(dǎo)程(間距參數(shù)c(t))為每360°的回環(huán)100毫米證明是優(yōu)良的?；丨h(huán)的數(shù)量取決于混合的工作量。典型的回環(huán)數(shù)為4至8。壁厚通常在0.5至幾毫米的范圍內(nèi)，在壓力特別大時直到10毫米或更大。在特別的結(jié)構(gòu)中它或每個可流通元件具有范圍為1至200毫米的外徑D，優(yōu)先5至100毫米，特別優(yōu)先采用10至50毫米和曲率半徑a(t)在1*D至7*D，優(yōu)先在2*D至5*D范圍內(nèi)選擇。距離參數(shù)c(t)在一20*D至+20*D、優(yōu)先在-10*D至+10*D，特別優(yōu)先在-5*D至+5*D范圍內(nèi)選擇有好處，其中它永遠(yuǎn)≠0。
按本發(fā)明的裝置的優(yōu)點主要在于可以方便地安裝和制造，并在流動導(dǎo)向方面不出現(xiàn)沉積區(qū)。另一個重要的優(yōu)點是由于組成的規(guī)則形成一種緊湊的結(jié)構(gòu)形式。與帶有內(nèi)裝構(gòu)件的靜態(tài)混合器相比按本發(fā)明的裝置可以方便地清洗，例如用油管清洗器。與由WO 94/12270所知的無序混合器相比按本發(fā)明的裝置有這樣的優(yōu)點它可以很好地拼裝成緊湊的模塊，例如成為多螺距的熱交換器。此外在這種結(jié)構(gòu)中由于大入射角的迎流面和強(qiáng)的旋渦對于外層流體得到更好的熱交換。
下面借助于

圖1、2、5、6中用透視圖表示的舉例性的結(jié)構(gòu)對本發(fā)明的裝置作進(jìn)一步說明。圖3表示數(shù)值試驗的結(jié)果，圖4表示圖2中一個局部的剖視圖。本發(fā)明并非想以任何一種方式僅僅特別地局限于這種結(jié)構(gòu)。
圖1表示按本發(fā)明的裝置1，它由一根圓形橫截面的單獨的管子2制成，它在流動方向(箭頭)具有中心線3，它形成一條曲線9。一起示出的有一個具有空間方向X、Y和Z的笛卡爾坐標(biāo)系8。但是裝置1也可以設(shè)想分解為4個回環(huán)6a、6b、6c、6d和兩根直管15，其中回環(huán)6交替地相互錯開地順序設(shè)置。在回環(huán)結(jié)構(gòu)的開頭和末尾采用直管15。畫出的分界線17表示多個回環(huán)6或管子15之間的交接處。一個接一個分布的回環(huán)6a、6c或6b、6d的間距用線段7表示，在所示情況下它相當(dāng)于2*c(t)，也就是兩倍的導(dǎo)程。圓形元件6a、6b、6c、6d的曲線9在XZ平面內(nèi)的投影顯示出半徑a(t))10，它沿曲線同樣可以是變化的。圖2中裝置1至少局部由單個可流通的具有矩形橫截面的元件16組成，它們通過法蘭5相互連接。圖4表示通過這種管段的橫截面。這里表示這些元件16的中心線3怎樣構(gòu)成曲線9。同樣示出了一條與曲線9等值的曲線12，它連接各個元件16的角點。在相應(yīng)地成形或彎曲的正方形元件16時這些元件的棱邊4也可以形成一條曲線9，它和中心線3等值并且符合參數(shù)表達(dá)式。
圖3表示在圖1所示的裝置1中兩種流體13、14混合的數(shù)值試驗結(jié)果，這兩種液體的粘度相差5倍，例如HC1 13和水玻璃14。在這個例子中這樣地選擇初始條件，使低粘度流體13(HC1)位于中心，高粘度流體14(水玻璃)位于進(jìn)口(左下方)的外部區(qū)域。在圖表中表示的灰色深淺等級表示低粘度流體13的濃度(體積成分，黑色＝1，白色＝0)。人們可以清楚地看到，在無序混合元件中也就是回環(huán)6中混合過程的逐步前進(jìn)。在通過3個回環(huán)6以后在這種情況下已經(jīng)建立了良好的充分混合。兩種流體的濃度在整個橫截面上差不多均勻地為0.5。
圖5表示按本發(fā)明的裝置1的一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)，其中兩對回環(huán)6a，b和6c，d通過一根直管15連接。在按圖6的另一種優(yōu)選結(jié)構(gòu)中回環(huán)對6a，b和6c，d通過S形管段18連接。由此專業(yè)人員可以方便地制造幾乎任意多不同的、緊湊的、混合得非常好的無序?qū)α骰旌掀鳌?br> 下面借助于三組參數(shù)舉例說明如圖1、5和6中所示的按本發(fā)明的混合器。但是本發(fā)明并不局限于此。
圖1回環(huán) t a(t)c(t)6a 0-1 5*R3*R6b 1-2 5*R3*R內(nèi)徑R＝1毫米(R＝(D-2*d)/2)圖5回環(huán)t a(t) c(t)6a 0-15*R 5*R6b 1-25*R 5*R6c 0-15*R -5*R6d 1-25*R -5*R內(nèi)徑R＝20毫米；回環(huán)6b和6c通過一個直的元件(管子15)連接。
圖6回環(huán)t a(t) c(t)6a 0-15*R 5*R6b 1-25*R 5*R6c 0-15*R -5*R6d 1-25*R -5*R內(nèi)徑R＝20毫米；回環(huán)6b和6c通過一個S形彎曲的元件(管18)連接。
其次本發(fā)明的對象是制造按本發(fā)明的裝置的方法，其中圍繞[t]個圓柱形成形體彎曲管子，成形體交錯地布置成兩個相互平行的柱子，其中在每個成形體的圓周上加工出曲率半徑為a(t)、導(dǎo)程為1/2*c(t)的導(dǎo)向槽，并且這里繞第一個柱子的第一成形體彎曲管子，接著是繞第二個柱子的第一個成形體，接著將另一個成形體交替地插在第一和第二個柱子上并繞該另一個成形體彎曲管子。
此外本發(fā)明的對象是實現(xiàn)這一方法的裝置，它有一個底板，它上面至少裝有兩個成為相互平行的、相隔間距(b)的柱子的兩個圓柱形成形體，其中至少兩個圓柱形成形體在圓周上具有用來彎曲管子的曲率半徑為a(t)和導(dǎo)程為1/2*c(t)的導(dǎo)向槽，并且單個成形體可以相互插在一起成為柱子。
本發(fā)明的方法和裝置的優(yōu)選結(jié)構(gòu)形式在各個從屬權(quán)利要求中公開。
下面借助于圖7至10對這些內(nèi)容作較詳細(xì)的說明。但由此并不表明本發(fā)明以任何一種方式局限于此。
其中表示圖7 按本發(fā)明的帶一根開始彎曲過程的管子的彎曲裝置的透視圖；圖8 按本發(fā)明的帶一根彎曲成回環(huán)以后的管子的彎曲裝置的透視圖；圖9A、B按本發(fā)明的帶兩個各有三個成形體的柱子的彎曲裝置的側(cè)視圖和剖開的側(cè)視圖；圖10 按本發(fā)明的彎曲裝置的頂視圖；圖11 具有按本發(fā)明制造的雙回環(huán)的熱交換器。
為了引導(dǎo)在按本發(fā)明權(quán)利要求1的裝置1的雙回環(huán)6a，6b(下面對為“無序混合器”或“CM”)內(nèi)及繞其運(yùn)動的液流，不用拼接技術(shù)制造這種雙回環(huán)有好處。為此取一段長度為混合路程的管子2并在一個模塊化設(shè)計的彎曲裝置22中適當(dāng)?shù)爻尚巍?br> 其中彎曲裝置22具有多個、最好是圓柱形的成形體23，它們可以相互插在一起，并布置成兩個相互平行分布的柱子29、32。成形體23的數(shù)量等于回環(huán)6a，6b，……的數(shù)量[t]。由成形體23組成的柱子29、32固定在一塊底板上，相互間隔間距b。在成形體23的圓周上是一個導(dǎo)向槽31，用來在彎曲時引導(dǎo)管子2，導(dǎo)向槽最好加工成至少具有1/4個管子橫截面、最好是1/2個管子橫截面，導(dǎo)程為1/2*c(t)，例如通過銑削或鑄造的方法加工。
成形體23可以相互插接并相互相對轉(zhuǎn)動，使得第一個柱子29上的第一個成形體23的導(dǎo)向槽31(銑出的槽)與第二個柱子32上的相接的導(dǎo)向槽的交接處沒有臺階。出于這個原因第二個柱子32的第一個成形體23或者它的槽31升高一個相當(dāng)于導(dǎo)程的尺寸。成形體23具有一個至少90°、優(yōu)選180°、特別優(yōu)選360°的完整的槽31。
為了彎曲按圖1的CM1需要兩種成形體23a)具有左旋導(dǎo)程和b)具有右旋導(dǎo)程，也就是說成形體23a)的導(dǎo)向槽31導(dǎo)程具有和成形體23b)的導(dǎo)向槽導(dǎo)程相反的符號。
在由相互插接的成形體23組成的一個柱子29、32中各自存在一種類型a)或b)。由此在管子2繞成形體23a)和b)彎曲后形成具有確定導(dǎo)程的8種形狀的雙回環(huán)6a，6b。根據(jù)柱子29、32相互間距離b的不同可以形成與圖1中所示形狀不同的雙回環(huán)形狀6a，6b。
彎曲過程按以下的方式進(jìn)展CM元件的彎曲過程應(yīng)該由此開始的管端借助于一個支座30a固定在底板30上(圖7)。
管子2借助于一個固定在杠桿36上的導(dǎo)向滾輪34繞成形體23a)彎曲，其中杠桿36插在由成形體23a)組成的柱子29的上端上并在高度方向可以移動。當(dāng)管子2繞這個成形體23a)彎曲到足夠程度以后(圖7中點劃線表示)，在柱子32上插上一個成形體23b)。同樣杠桿36從上面插在柱子32上，然后管子2向另一個方向繼續(xù)彎曲(圖8)。其中應(yīng)該注意，管子2在繼續(xù)彎曲之前無壓力地靠在每個新插上的成形體23上，或者放在它的導(dǎo)向槽31內(nèi)，因為否則當(dāng)成形體23取出來以后會導(dǎo)致整個CM元件過度的變形。也就是管子2超過彈性區(qū)產(chǎn)生塑性變形。接著在柱子29上插上另一個成形體23a)以及杠桿36，并像上面所述那樣繼續(xù)彎曲。這個過程一直重復(fù)直到建立所希望的回環(huán)數(shù)6a、6b、……為止。
成形體23在整個彎曲過程結(jié)束以后從CM元件中擰出來。通過這種方式成形體23可以當(dāng)作模具重復(fù)使用，并可以用來制造多個同樣的CM元件6a、6b……。
管子2放在它里面的第一個成形體23和其他成形體的不同之處在于導(dǎo)向槽31在開頭有一段水平分布，以便只有在圓周上導(dǎo)向槽的后續(xù)分布中過渡到所要求的導(dǎo)程。由此使管子2放入成形體23變得容易得多。
此外應(yīng)注意以下幾點應(yīng)該根據(jù)要求選擇管子的內(nèi)徑和外徑。外徑可以從2毫米直到500毫米。
作為管子材料可以選擇符合要求的、耐腐蝕金屬或合適的塑料，其中用于彎曲過程的塑料管在必要情況下必須加熱。
成形體23應(yīng)該由合適的材料加工成，它與管子材料在彎曲過程中不應(yīng)該產(chǎn)生問題，如腐蝕(Fressen)。
管子橫截面不應(yīng)該由于彎曲工序而造成明顯的變形。理想的是圓形橫截面。微小的偏差是可以允許的。
如果CM在工作時承受壓力，那么應(yīng)該注意，在彎曲時所產(chǎn)生的熱負(fù)荷不應(yīng)該使強(qiáng)度有太大的降低。
在彎曲時管子應(yīng)填滿適當(dāng)?shù)奶畛洳牧稀?br> 從彎曲部分到直線管段的交接部位應(yīng)該沒有不連續(xù)性，如折拐，也就是做成相切的。
由相互插接的成形體23組成的柱子29、32應(yīng)該以適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度固定在底板30上。此外柱子29、32相互之間的間距b特別取決于所用管子的尺寸和彎曲特性。
CM元件的主要尺寸可以在以下的范圍之內(nèi)間距b10至5000毫米，直徑DCM(圖10)5至3000毫米，導(dǎo)程角α和導(dǎo)程c(t)有關(guān)系，(圖9B)每個成形體231至60度。
這種按本發(fā)明的方法的主要優(yōu)點在于由于模塊化結(jié)構(gòu)和成形體交替地插接成柱子，可以將“任意”長的管子彎曲成無序混合器。
圖11舉例表示三個按本發(fā)明制造的CM元件37是怎樣能夠拼裝成一個緊湊的、高效地工作的熱交換器38。
權(quán)利要求
1.特別是用來混合、熱交換或進(jìn)行反應(yīng)的裝置，具有一個或幾個可流通的元件(2)，它們在流通方向具有一條中心線(3)，其特征在于這個或這些可流通的元件(2)至少局部做成或設(shè)置成這樣，使得由這個或這些中心線(3)構(gòu)成的曲線(9)大致滿足如下的參數(shù)表達(dá)式
其中參數(shù)和常數(shù)具有如下含義θ (t) 在笛卡爾坐標(biāo)系(8)中的位置向量，t 沿曲線(9)的參數(shù)，-∞≤t≤+∞[t] t的整數(shù)部分a(t) 曲率半徑(10)， 滿足0＜|a(t)|＜∞c(t) 間距參數(shù)滿足0＜|c(t)|＜∞
2.按權(quán)利要求1的裝置，其特征在于對于一個或多個可流通的元件(2)曲線(9)完全滿足參數(shù)表達(dá)式，其中參數(shù)t在0到1內(nèi)變化。
3.按權(quán)利要求1的裝置，其特征在于；對于一個或多個可流通的元件(2)曲線(9)完全滿足參數(shù)表達(dá)式，其中t在1到2內(nèi)變化。
4.按權(quán)利要求1至3之至少一項的裝置，其特征在于這個或每個可流通元件(2)具有在1至200毫米范圍內(nèi)的外徑D，優(yōu)選為5至100毫米，特別優(yōu)選為10至50毫米，a(t)在1*D到7*D的范圍內(nèi)選擇，優(yōu)選在2*D至5*D的范圍內(nèi)選擇。
5.按權(quán)利要求1至3之至少一項的裝置，其特征在于這個或每個可流通元件(2)具有在1至200毫米范圍內(nèi)的外徑D，優(yōu)選是5至100毫米范圍內(nèi)，特別優(yōu)選是10至50毫米范圍內(nèi)；c(t)在-10*D至+10*D，優(yōu)選在-5*D至+5*D的范圍內(nèi)選擇。
6.按權(quán)利要求1至5之至少一項的裝置，其特征在于一個或多個可流通元件(2)具有橢圓形或矩形或圓形或正方形橫截面。
7.按權(quán)利要求1至6之至少一項的裝置用來混合或熱交換或進(jìn)行反應(yīng)。
8.制造按權(quán)利要求1至6之一項或多項的裝置(1)的方法，其中將管子(2)繞[t]個圓柱形成形體(23)彎曲，成形體交替地設(shè)置成兩個相互平行的柱子(29、32)，其中每個成形體(23)在圓周上加工出一個具有曲率半徑(10)a(t)和導(dǎo)程為1/2*c(t)的導(dǎo)向槽，其中管子繞第一個柱子的第一個成形體(23)彎曲，接著繞第二個柱子的第一個成形體(23)彎曲，接著將其余的成形體(23)交替地插在第一個和第二個柱子上，并且管子繞這些其它的成形體(23)彎曲。
9.按權(quán)利要求8的方法，其特征在于成形體(23)可以在柱子(29、32)上旋轉(zhuǎn)。
10.按權(quán)利要求8或9的方法，其特征在于這個或每個成形體(23)具有一個至少占管子橫截面1/4的導(dǎo)向槽(31)。
11.按權(quán)利要求8至10之一項或幾項的方法，其特征在于第二個柱子的這個或每個成形體(23)的導(dǎo)向槽(31)的導(dǎo)程具有與第一個柱子的這個或每個成形體(23)的導(dǎo)向槽(31)的導(dǎo)程相反的符號。
12.實現(xiàn)按權(quán)利要求8至11之一項或幾項的方法的裝置(22)，它具有一塊底板(30)，在它上面至少兩個圓柱形成形體設(shè)置成兩個相互平行的相隔間距為(b)的柱子(29、32)，其中至少兩個圓柱形成形體(23)在圓周上具有曲率半徑(10)為a(t)和導(dǎo)程為1/2*c(t)的導(dǎo)向槽(31)以彎曲管子，并且單個成形體可以拼接成柱子(29、32)。
13.按權(quán)利要求12的裝置，其特征在于成形體(23)在柱子(29、32)上可以轉(zhuǎn)動。
14.按權(quán)利要求12或13的裝置，其特征在于在第一個柱子上的成形體(23)的導(dǎo)向槽(31)的導(dǎo)程有與第二個柱子上的成形體的導(dǎo)向槽的導(dǎo)程不同的符號。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種專門用來混合、熱交換或進(jìn)行反應(yīng)的裝置(1),它具有一個或多個可流通的元件(2),它們在流動方向具有一條中心線(3),其特征在于:這個或這些元件(2)至少局部做成或設(shè)置成這樣,使得由這條或這些中心線(3)構(gòu)成的曲線(9)大致滿足參數(shù)表達(dá)式(1),其中參數(shù)和常數(shù)具有如下含義:θ(t)在笛卡爾坐標(biāo)系內(nèi)的位置向量，t為沿曲線(9)的參數(shù)，－∞≤t≤+∞,[t]為t的整數(shù)部分,a(t)為曲率半徑(10),滿足0< a(t)< ∞,c(t)為間距參數(shù),滿足0< 丨c(t)丨< ∞。
文檔編號B01F5/00GK1272804SQ98807493
公開日2000年11月8日 申請日期1998年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月24日
發(fā)明者威爾弗雷德·希爾霍爾茨, 格茨·勞施克, 斯特凡·奧特, 烏爾里?！な┟芴? 彼得·海因 申請人:阿克西瓦有限公司