Vorrichtungen der genannten Art sind bekannt, und zwar als kontinuierliche, chaotische Konvektionsmischer oder -wärmetauscher oder -reaktoren für Newton'sche und nicht-Newton'sche Fluide.

Daneben sind noch eine Vielzahl von Mischer- Wärmetauschertypen bekannt.

Statische Mischer haben feststehende Einbauten. an denen der Mischvorgang beschleunigt wird. Bei anderen Mischertypen (Rührkessel, gerührter Rohrreaktor) wird das Mischen durch bewegliche Einbauten vorgenommen. Chaotische Mischer und Wärmetauscher (J. Fluid Mech., 1989, Vol. 209, pp 335 - 357, Experimental Thermal and Fluid Science, 1993, Vol 7, pp 333 - 344, Wo 94/12270) nutzen die durch Trägheit induzierten Sekundärströmungen in gekrümmten Rohren oder Kanälen zum Mischen aus.

Bei statischen Mischern kann es auf Grund von Rezirkulationsgebieten zu Ablagerungen an den Einbauten kommen. In den Rezirkulationsgebieten kann es weiterhin lokal zur Überhitzung des Fluids (hot spots) kommen. Mischsysteme mit bewegten Einbauten haben den Nachteil, da sie konstruktiv aufwendiger sind als statische Mischer. Sie benötigen in der Regel einen Antrieb und eine Steuerung. Bei komplexen thermischen und rheologischen Fluiden können Effekte wie lokale Überhitzung und Degradation des Fluids wegen der hohen Scherraten an den Rührelementen auftreten. Bei den bekannten chaotische Mischern (WO 94/12270), können auf Grund der Strömungsführung bei grö eren Volumenströmen

Ablösebereiche auftreten. In diesen Rezirkulationsgebieten kann es dann zu Ablagerungen und zur lokalen Überhitzung kommen.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu finden, die keine Einbauten benötigt, sowie einfach und kompakt gebaut werden kann. Weiterhin soll eine gute Misch- und Wärmetauschwirkung - ohne die vorstehend diskutierten Nachteile - über einen weiten Viskositäts- und Volumenstrombereich erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemä durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, da das oder die durchströmbaren Elemente zumindest abschnittsweise so geformt oder angeordnet sind, da die aus der oder den Mittellinien gebildete Kurve ungefähr folgender Parameterdarsteilung genügt: wobei die Parameter und Konstanten folgende Bedeutung haben: Q(t) Ortsvektor in einem kartesischen Koordinatensystem, t Parameter entlang der Kurve (9), - oo < t < + , [t] ganzzahliger Anteil von t, <BR> <BR> <BR> <BR> a(t) ein Krümmungsradius (10) mit 0 < | Ja(t)J <co, <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> c(t) ein Abstandsparameter mit 0 < |c(t)| <oo.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Vorrichtung, insbesondere zum Mischen, für den Wärmeaustausch oder zum Durchführen von Reaktionen, aufweisend ein

oder mehrere durchströmbare Elemente, die in Strömungsrichtung eine Mittellinie aufweisen, dadurch gekennzeichnet, da das oder die durchströmbaren Elemente zumindest abschnittsweise so geformt oder angeordnet sind, da die aus der oder den Mittellinien gebildete Kurve ungefähr folgender Parameterdarstellung genügt: wobei die Parameter und Konstanten folgende Bedeutung haben: 9(t) Ortsvektor in einem kartesischen Koordinatensystem, t Parameter entlang der Kurve (9), - m < t < + cc, [t] ganzzahliger Anteil von t, a(t) ein Krümmungsradius (10) mit 0 < la(t)l <co, c(t) ein Abstandsparameter mit 0 < | c(t) r < -.

Dabei definiert ein Parameterbereich t für ein durchströmbares Element von einer ganzen Zahl zur nächsten ganzen Zahl eine sogenannte Schlaufe von 360" und zur übernächsten ganzen Zahl eine Doppelschlaufe.

Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bevorzugt ist eine Vorrichtung, die aus mehreren Schlaufen zusammengesetzt ist.

Die Verbindung der Schlaufen kann durch die dem Fachmann bekannten Verfahren für lösbare (Flansche) oder unlösbare (Schwei ung, Lötung) Verbindungen hergestellt werden. Es können auch die einzelnen Schlaufen über bekannte Verbindungsstücke, gerade oder gekrümmte Rohre, miteinander Verbunden sein.

Auf diese Weise lassen sich beliebig viele unterschiedliche erfindungsgemä e Vorrichtungen herstellen. In einer derartigen Vorrichtung können a(t) und c(t) entlang der Kurve oder von Schlaufe zu Schlaufe variieren oder auch gleich sein. In

einer bevorzugten Ausgestaltung genügt ein oder jedes durchströmbare Element und/oder ein oder jede Schlaufe genau oder abschnittsweise genau bzw, vollständig der Parameterdarstellung.

Weiter bevorzugt ist eine Ausgestaltung, in der die durchströmbaren Elemente so geformt oder angeordnet sind, da die aus der oder den Mittellinien gebildete Kurve über die gesamte Vorrichtung der Parameterdarstellung genügt. Die durchströmbaren Elemente bzw. die Schlaufen haben vorzugsweise einen kreisförmigen, rechteckigen oder elliptischen Querschnitt. Sie liegen nicht auf einer Ebene im Raum sondern sind im Raum fortschreitend, hintereinander angeordnet.

Die Mittellinie kann, was die Querschnittsfläche betrifft, eine Symmetrielinie sein. Bei symmetrischen oder näherungsweise symmetrischen Querschnitten sind Kurven, die in Strömungsrichtung gleiche Orte auf dem Umfang einzelner durchströmbarer Elemente miteinander verbinden, beispielsweise bei quaderförmigen Elementen bestimmte Ecken einzelner Elemente, gleichwertig zur Kurve aus den Mittellinien anzusehen, das hei t, diese Kurven (Kanten in Strömungsrichtung) genügen ebenfalls der Parameterdarstellung. Geringe Abweichungen der Kurven von der Parameterdarstellung insbesondere im Rahmen üblicher Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen sind unschädlich.

Die Vorrichtung kann aus einem Stück bestehen oder aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. Auslegung und Herstellung können nach den gängigen Methoden erfolgen. Als Werkstoffe kommen alle dem Fachmann geläufigen metallischen oder nichtmetallischen Werkstoffe in Frage, je nach Auslegung und Art der strömenden Fluide: Kunststoffe, Stähle (rost- oder säurebeständig), Glas, Keramik oder Sonderwerkstoffe.

Als Krümmungsradien a(t) der Mittellinie werden bevorzugt die in der deutschen DIN 2605 T1 angegebenen Vielfachen des Rohrdurchmessers verwendet. Eine typische Ausführung besteht z.B. aus einem Rohr mit dem Au endurchmesser D = 40 mm.

Nach Bauart 5 der Norm ergibt sich ein Biegeradius von 100 mm. Eine Steigung (Abstandsparameter c(t)) von 100 mm pro Schlaufe von 360" erweist sich dann als vorteilhaft. Die Anzahl der Schlaufen orientiert sich an der Mischaufgabe. Eine

typische Schlaufenanzahl ist 4 bis 8. Die Wanddicken d liegen üblicherweise im Bereich von 0.5 bis zu einigen mm, bei extremen Drücken bis zu 10 mm und mehr.

In besonderen Ausgestaltungen hat das oder jedes durchströmbare Element einen Au endurchmesser D aus dem Bereich von 1 bis 200 mm, bevorzugt 5 bis 100 mm, besonders bevorzugt 10 bis 50 mm und der Krümmungsradius a(t) ist aus dem Bereich von 1 *D bis 7*D, bevorzugt 2*D bis 5*D gewählt. Der Abstandsparameter c(t) wird mit Vorteil aus dem Bereich von -20*D bis +20*D, bevorzugt -10*D bis +10*D, besonders bevorzugt von -5*D bis +5*D gewählt, wobei er stets g 0 ist.

Die Vorteile der erfindungsgemä en Vorrichtung sind im wesentlichen darin zu sehen, da sie einfach aufgebaut und herstellbar ist und da bei der Strömungsführung keine Ablösebereiche auftreten. Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, da auf Grund des Bildungsgesetzes eine sehr kompakte Bauform entsteht. Im Gegensatz zu statischen Mischern mit Einbauten kann die erfindungsgemä e Vorrichtung leicht gereinigt werden, beispielsweise mit Molchen. Gegenüber dem aus der WO 94/12270 bekannten chaotischen Mischer hat die erfindungsgemä e Vorrichtung den Vorteil, da sie sich gut zu kompakten Modulen zusammensetzen lä t, beispielsweise in mehrgängigen Wärmeaustauschern. In einer solchen Anordnung ergibt sich zudem noch ein verbesserter Wärmeaustausch für das Mantelfluid durch hohe Anströmfläche und intensive Verwirbelung.

Die erfindungsgemä e Vorrichtung wird im folgenden anhand der in den Figuren 1,2,5,6 perspektivisch dargestellten beispielhaften Ausgestaltungen weiter erläutert.

Fig. 3 zeigt das Ergebnis eines numerischen Experiments, Fig. 4 einen Ausschnitt aus Fig. 2 im Querschnitt. Eine Beschränkung der Erfindung auf irgendeine Weise, insbesondere auf diese Ausgestaltungen, ist nicht beabsichtigt.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemä e Vorrichtung 1, die aus einem einzigen Rohr 2 mit kreisförmigem Querschnitt geformt ist, das eine Mittellinie 3 in Strömungsrichtung (Pfeil) aufweist, die eine Kurve 9 bildet. Mit eingezeichnet ist ein kartesisches Koordinatensystem 8 mit den Raumrichtungen x, y und z. Man kann

sich die Vorrichtung 1 aber auch in vier Schlaufen 6a, 6b, 6c, 6d und zwei gerade Rohre 15 zerlegt denken, wobei die Schlaufen 6 alternierend versetzt hintereinander angeordnet sind. Am Anfang und Ende der Schlaufenanordnung sind gerade Rohre 15 angesetzt. Eingezeichnete Trennungslinien 17 kennzeichnen die Übergänge zwischen den einzelnen Schlaufen 6 bzw. Rohren 15. Der Abstand der hintereinander liegenden Schlaufen 6a, 6c, bzw 6b, 6d ist durch eine Strecke 7 dargestellt, die im gezeichneten Fall 2*c(t), d.h. der doppelten Steigung entspricht.

Die Projektion der Kurve 9 der kreisförmigen Elemente 6a, 6b, 6c, 6d in die xz- Ebene kennzeichnet den Radius a(t) 10, der ebenfalls entlang der Kurve variieren kann. In Fig. 2 besteht die Vorrichtung 1 zumindest abschnittsweise aus einzelnen durchströmbaren Elementen 16 mit rechteckigem Querschnitt, die über Flansche 5 miteinander verbunden sind. Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen solchen Abschnitt. Hier ist dargestellt, wie die Mittellinien 3 der Elemente 16 eine Kurve 9 bilden. Ebenso dargestellt ist eine der Kurve 9 gleichwertige Kurve 12, die Eckpunkte der einzelnen Elemente 16 verbindet. Bei einem entsprechend geformten bzw. gebogenen quaderförmigen Element 16 kann auch eine Kante 4 dieses Elements 16 eine Kurve 9 bilden, die der Mittellinie 3 gleichwertig ist und der Parameterdarstellung genügt.

Die Fig. 3 zeigt das Ergebnis eines numerischen Experiments zum Mischen zweier Fluide 13,14, deren Viskositäten sich um den Faktor fünf unterscheiden, beispielsweise HCI 13 und Wasserglas 14, in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1. In diesem Beispiel wurde die Anfangsbedingung so gewählt, da sich das niederviskose Fluid 13 (HCI) im Kern und das höherviskose Fluid 14 (Wasserglas) im äu eren Bereich des Einlaufs (links unten) befindet. Die in der Legende dargestellten Graustufen kennzeichnen die Konzentration (Volumenanteile, schwarz=1, wei =0) des niederviskosen Fluids 13. Deutlich sieht man das Voranschreiten des Mischvorgangs in den chaotischen Mischelementen, das hei t in den Schlaufen 6. Bereits nach Durchlauf von drei Schlaufen 6 hat sich in diesem Fall eine gute Durchmischung eingestellt. Die Konzentration beider Fluide liegt über den gesamten Querschnitt etwa gleichmä ig etwa bei 0.5.

Fig. 5 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemä en Vorrichtung 1,

bei der zwei Schiaufenpaare 6a,b und 6c,d durch ein gerades Rohr 15 verbunden sind. In der weiteren bevorzugten Ausgestaltung gemä Fig. 6 sind Schlaufenpaare 6a,b und 6c,d durch S-förmige Rohrstücke 18 verbunden.

Damit kann der Fachmann auf einfache Weise nahezu beliebig viele unterschiedliche, kompakte, sehr gut mischende chaotische Konvektionsmischer herstellen.

Im folgenden werden erfindungsgemä e Mischer wie sie in den Fig. 1,5 und 6 dargestellt sind anhand dreier Parametersätze beispieihaft charakterisiert. Eine Beschränkung ist dadurch nicht beabsichtigt.

Fig. 1 Schlaufe t a(t) c(t) 6a 0-1 5*R 3*R 6b 1-2 5*R 3*R Innenradius R= 1 mm (R = (D-2*d)/2) Fig. 5 Schlaufe t a(t) c(t) 6a 0-1 5*R 5*R 6b 1-2 5*R 5*R 6c 0-1 5*R -5*R 6d 1-2 5*R -5*R Innenradius R=20 mm; die Schlaufen 6b und 6c sind durch ein gerades Element (Rohr 15) verbunden.

Fig. 6 Schlaufe t a(t) c(t) 6a 0-1 5*R 5*R 6b 1-2 5*R 5*R 6c 0-1 5*R -5*R 6d 1-2 5*R -5*R Innenradius R=20 mm; die Schlaufen 6b und 6c sind durch ein S-förmig gekrümmtes Element (Rohr 18) verbunden.

Gegenstand der Erfindung ist weiter ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemä en Vorrichtung, bei dem man ein Rohr um [t] zylindrische Formkörper biegt, die alternierend zu zwei zueinander parallelen Säulen angeordnet sind, wobei in jeden Formkörper am Umfang eine Führungsnut mit dem Krümmungsradius a(t) und einer Steigung ½* c(t) eingearbeitet ist, und wobei man das Rohr um den ersten Formkörper der ersten Säule biegt, anschlie end um den ersten Form körper der zweiten Säule, und anschlie end die weiteren Formkörper alternierend auf die erste und zweite Säule steckt und das Rohr um diese weiteren Formkörper biegt.

Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, aufweisend eine Grundplatte, auf der mindestens zwei zylindrische Formkörper zu zwei Säulen in einem Abstand (b) parallel zueinander angeordnet sind,wobei die mindestens zwei zylindrischen Form körper am Umfang eine Führungsnut mit einem Krümmungsradius a(t) und einer Steigung 1/2* c(t) für die Biegung des Rohres aufweisen und einzeln zu den Säulen zusammensteckbar sind.

Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung sind in den jeweiligen Unteransprüchen offenbart.

Im folgenden werden diese Gegenstände anhand der Figuren 7 bis 10 näher beschrieben. Eine Beschränkung in irgend einer Weise ist dadurch nicht

beabsichtigt.

Es zeigt: Fig. 7 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemä en Biegevorrichtung mit einem Rohr zu Beginn des Biegevorganges; Fig. 8 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemä en Biegevorrichtung mit einem Rohr nachdem eine Schlaufe gebogen wurde; Fig. 9A,B eine Darstellung der erfindungsgemä en Biegevorrichtung mit zwei Säulen zu je 3 Formkörpern in Seitenansicht und in geschnittener Seitenansicht; Fig. 10 eine Darstellung der erfindungsgemä en Biegevorrichtung in der Draufsicht; Fig. 11 einen Wärmeaustauscher mit erfindungsgemä hergestellten Doppelschlaufen Um die Strömung in und um eine Doppelschlaufe 6a, 6b der erfindungsgemä en Vorrichtung 1 nach Anspruch 1 - im folgenden "Chaotischen Mischer" bzw. "CM" genannt - zu führen, ist es vorteilhaft, diese ohne Fügetechniken herzustellen. Dazu wird ein Stück Rohr 2 auf die Länge der Mischst?ecke gebracht und in einer modular gestalteten Biegevorrichtung 22 geeignet verformt.

Die Biegevorrichtung 22 weist u.a. mehrere, vorzugsweise zylindrischen Form körper 23 auf, die ineinandergesteckt werden können und zu zwei parallel zueinander verlaufenden Säulen 29, 32 angeordnet sind. Die Zahl der Formkörper 23 ist gleich der Zahl [t] der Schlaufen 6a, 6b .. . Die Säulen 29, 32 aus Formkörpern 23 sind auf einer Grundplatte 30 in einem Abstand b zueinander befestigt. In die Form körper 23 ist am Umfang zur Führung des Rohrs 2 beim Biegen eine Führungsnut 31, vorteilhafterweise mit mindestens einem Viertel des Rohrquerschnitt, bevorzugt mit halbem Rohrquerschnitt, mit der Steigung 1/2* c(t) eingearbeitet, z.B. durch Frä en oder über ein Gie verfahren.

Die Formkörper 23 sind ineinandersteckbar und gegeneinander verdrehbar, so da der Übergang der Führungsnut 31 (Einfrä ung) von einem ersten Form körper 23 auf einer ersten Säule 29 zu dem darauffolgenden auf der zweiten Säule 32 stufenlos ist. Aus diesem Grund ist der erste Formkörper 23 der zweiten Säule 32 bzw. seine Nut 31 um das der Steigung entsprechende Ma erhöht. Die Formkörper 23 weisen eine vollständige Nut 31 von mindestens 90°, bevorzugt 1800, besonders bevorzugt 360" auf.

Zur Biegung eines CM 1 nach Fig. 1 sind zwei Arten von Formkörpern 23 erforderlich: a) mit Linkssteigung und b) mit Rechtssteigung, d.h. da die Steigung der Führungsnut 31 der Formkörper 23 a) das umgekehrte Vorzeichen der von b) hat.

Jeweils eine Art (a) oder b)) kommt in einer Säule 29, 32 aus ineinandergesteckte Formkörpern 23 vor. Dadurch entsteht nach dem Biegen des Rohres 2 um die Formkörper 23 a) und b) eine achtförmige Doppelschlaufe 6a, 6b mit definierter Steigung. Je nach dem Abstand b der Säulen 29, 32 zueinander kann die Form der Doppelschlaufen 6a, 6b von der in Fig. 1 gezeigten Form abweichen.

Der Biegevorgang gestaltet sich folgenderma en: Das Rohrende, von dem aus der Biegevorgang eines CM-Elementes ausgehen soll, ist auf der Grundplatte 30 mittels eines Lagers 30 a fixiert (Fig. 7).

Das Rohr 2 wird mit Hilfe einer Führungsrolle 34, die an einem Hebel 36 befestigt ist, um die Formkörper 23 a) gebogen, wobei der Hebel 36 auf das obere Ende der Säule 29 aus Formkörpern 23 a) gesteckt und in der Höhe verschiebbar ist.

Nachdem das Rohr 2 um diesen Formkörper 23 a) in ausreichendem Ma e gebogen wurde (Fig. 7 strichpunktiert), wird ein Formkörper 23 b) auf die Säule 32 gesteckt.

Der Hebel 36 wird ebenfalls auf die Säule 32 oben aufgesteckt und das Rohr 2 dann in der anderen Richtung weitergebogen (Fig. 8). Dabei ist zu beachten, da das Rohr 2, bevor es weitergebogen wird, drucklos an jedem neu aufgesteckten Formkörper 23 anliegt, bzw. in deren Führungsnut 31 einliegt, da es sonst zu Deformationen des gesamten CM-Elementes kommt, wenn die Form körper 23

herausgenommen werden. Das Rohr 2 ist also über den elastischen Bereich hinaus, plastisch zu verformen. Anschlie end wird ein weiterer Formkörper 23 a) sowie der Hebel 36 auf die Säule 29 aufgesteckt, und es wird wie vorbeschrieben weitergebogen. Diese Vorgänge werden so lange wiederholt, bis die gewünschte Zahl von Schlaufen 6a, 6b ... hergestellt wurde.

Die Formkörper 23 werden nach Beendigung des gesamten Biegevorganges aus dem CM-Element herausgeschraubt. Durch diese Vorgehensweise sind die Formkörper 23 als Matrizen wiederholt einsetzbar und können zu Herstellung mehrerer, gleicher CM-Elemente 6a, 6b ... benutzt werden.

Der erste Formkörper 23, in den das Rohr 2 eingelegt wird, unterscheidet sich von den übrigen dadurch, da die Führungsnut 31 am Anfang ein Stück horizontal verläuft, um erst im weiteren Veriauf auf dem Umfang in die geforderte Steigung überzugehen. Dadurch wird das Einlegen des Rohres 2 in den Formkörper 23 wesentlich erieichtert.

Weiter sind folgende Punkte zu beachten: Die Rohrinnen- und Au endurchmesser sind den Erfordernissen entsprechend zu wählen. Sie können von Au endurchmesser 2 mm bis 500 mm reichen.

Als Rohrwerkstoff sind den Erfordernissen entsprechende, korrosionsbeständige Metalle oder geeignete Kunststoffe zu wählen, wobei Kunsstoffrohre für den Biegevorgang gegebenenfalls erwärmt werden müssen.

Die Formkörper 23 sollten aus einem geeigneten Material gefertigt sein, das mit dem Werkstoff des Rohres nicht zu Problemen beim Biegevorgang, wie z.B. Fressen, führt.

Der Rohrquerschnitt solite sich aufgrund des Biegevorganges nicht wesentlich verformen. Ideal ist der Kreisquerschnitt. Geringe Abweichungen sind tolerierbar.

Wird der CM im Betrieb mit Druck belastet, ist darauf zu achten, da die thermische Belastung während des Biegens die Festigkeit nicht zu stark herabsetzt.

Das Rohr sollte während des Biegens mit geeignetem Füllmaterial ausgefüllt sein.

Die Übergänge vom gebogenen auf ein gerades Stück Rohr sollten ohne Unstetigkeiten wie Knicke, d.h. tangential gestaltet werden.

Die Säulen 29, 32 aus ineinandergesteckten Form körpern 23 sind in einer Grundplatte 30 von geeigneter Stärke zu halten. Der Abstand b der Säulen 29, 32 zueinander bestimmt sich unter anderem nach den Abmessungen und Biegeeigenschaften der verwendeten Rohre.

Die Hauptma e der CM-Elemente können in folgenden Bereichen liegen: Abstand t 10 mm bis 5000 mm, Durchmesser DCM (Fig. 10): 5 mm bis 3000 mm, Steigungswinkel a, der mit der Steigung c(t) korelliert ist, (Fig. 9B) pro Formkörper 23: 1 bis 60 Grad.

Die Vorteile dieses erfindungsgemä en Verfahrens sind im wesentlichen darin zu sehen, da , bedingt durch den modularen Aufbau und das wechselseitige Aufstecken der Formkörper zu einer Säule, Rohre "beliebiger" Länge endlos zu chaotischen Mischern gebogen werden können.

Fig. 11 zeigt beispielhaft wie drei erfindungsgemä hergestellte CM-Elemente 37 zL einem kompakten, effektiv arbeitenden Wärmeaustauscher 38 zusammengebaut werden können.