Innovative Mischdüse additiv gefertigt

Thaletec nutzt additiv gefertigte poröse Strukturen für das feindisperse Eintragen von Gasen in Flüssigkeiten

Die Vorteile von generativ gefertigten gegenüber konventionell hergestellten Mischdüsen sind vielfältig.

  • Durch die Möglichkeit Funktionen bei der Herstellung direkt zu integrieren, entfallen Fügestellen vollständig. Das Bauteil kommt quasi fertig aus dem 3D-Drucker und kann ohne weitere Zwischenschritte wie Montage sofort eingesetzt werden.
  • Die Geometrie der Strömungskanäle ist in weiten Grenzen an die Randbedingungen angepasst, so dass für jede Anwendung eine optimale Strömungskanalform realisiert wird.
  • Der überragende Vorteil jedoch ist die Tatsache, dass der Gaseintritt in das flüssige Medium durch eine poröse Struktur, ebenfalls additiv gefertigt, verwirklicht wird. Dies gewährleistet einen homogenen Gaseintrag entlang der gesamten Außenfläche des Strömungskanals sowie die Gasverteilung mit feinsten Gasblasen, die für einen guten Stoffübergang sorgen.

Mischdüse im Film
Ein Video, welches die Funktionsweise der Mischdüse sowie weitere interessante technische Details zeigt, ist auf Youtube  zu finden.

Hintergrundinformationen zu industriell eingesetzten Mischdüsen
Das Mischen einer flüssigen Phase mit einer zweiten, gasförmigen Phase ist ein wichtiger und oft angewendeter Verfahrensschritt. Ziel dabei ist es, eine möglichst homogene Mischung der Phasen bei möglichst kleinem Gasblasendurchmesser zu erreichen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die beiden Phasen schnell und vollständig miteinander reagieren.

Mischdüsen werden oft nach dem Injektorprinzip aufgebaut. Durch eine kontinuierliche Verjüngung des Querschnittes des Strömungskanals für die Flüssigphase erhöht sich nach dem Gesetz von Bernoulli die Strömungsgeschwindigkeit und parallel dazu sinkt der Druck im durchströmten Kanal. Die zweite Phase wird im Bereich der Verjüngung zugeführt. Infolge des Druckunterschieds wird die zweite Phase in den Strom der ersten Phase eingesaugt.

Für Thaletec ist nun eine neuartige, einteilige Mischdüse mit einem Strömungsdurchmesser von etwa 25 mm für das Einmischen von gasförmigen Medien einen Flüssigkeitsstrom entwickelt worden. Für die Herstellung der Mischdüse wird ein additives Fertigungsverfahren verwendet, bei welchem das Bauteil auf der Basis eines Metallpulvers (nichtrostender Stahl) schichtweise mit Hilfe des Selective Laser Melting-Verfahrens aufgebaut wird. Durch das Verwenden eines additiven Fertigungsverfahrens ist es möglich, das Bauteil integral in einem Stück zu fertigen.

Abbildung 1: Aufbau der neuartigen Begasungsdüse mit teilporöser Struktur

Besonderes Augenmerk liegt bei der Gestaltung auf die Zuführung des Gases in den Flüssigkeitsstrom. Anstatt hier mit radialen Bohrungen im Düsenkörper zu arbeiten, wird bei dem das ansonsten gas- und flüssigkeitsdicht gefertigte Bauteil im Bereich des engsten Querschnittes eine definierte, gasdurchlässige Porosität „gedruckt“.

Abbildung 2: Medienführung in der Mischdüse

Die lokale Porosität wird erzielt, indem die Parameter der Steuerung der Selective-Laser-Melting Anlage lokal so angepasst werden, dass eben kein massives Teil, sondern eine Struktur mit offener Porosität erzeugt wird.

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