DE102005059187B3

DE102005059187B3 - Vorrichtung mit umgreifendem Rotor und Verfahren zum Herstellen von Nano-Dispersionen

Info

Publication number: DE102005059187B3
Application number: DE102005059187A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dipl.-Ing. Parras
Original assignee: VORTEX NANOFLUID GmbH; VORTEX-NANOFLUID GmbH
Current assignee: Hc Carbon 90461 Nuernberg De GmbH
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2005-12-12
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2025-12-13

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (1) zum intensiven Mischen einer Flüssigkeit und mindestens eines festen oder flüssigen Additivs zu einer Dispersion beschrieben mit einem geschlossenen Gehäuse (10) und einer in einem Innentubus (11) des Gehäuses (10) angeordneten antreibbaren saugenden Umwälzeinrichtung, welche die Dispersion in eine rotierende Umwälzbewegung versetzt. Es ist vorgesehen, dass am Ende des Innentubus (11) das Austrittsende einer Sprühvorrichtung angeordnet ist, und/oder dass der Rotor (14) in einem radial außenliegenden Abschnitt Verlängerungen aufweist, die um den erweiterten Austrittsabschnitt des Innentubus (11) herumgreifen, und/oder dass schraubenlinienförmige Leiteinrichtungen (10I, 11Ia, 11Ii) an der Innenwandung des Gehäuses (10) und/oder an der Außenwandung des Innentubus (11) und/oder an der Innenwandung des Innentubus (11) angeordnet sind. Weiter wird ein Verfahren zum intensiven Mischen einer Flüssigkeit und mindestens eines festen oder flüssigen Additivs zu einer Dispersion beschrieben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum intensiven Mischen einer Flüssigkeit und mindestens eines festen oder flüssigen Additivs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Nano-Dispersion aus einer Flüssigkeit und mindestens einem festen oder flüssigen Additiv gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 26.

Es sind Vorrichtungen bekannt, bei denen ein Flüssigkeits-Additiv-Gemisch intensiv gemischt wird, um eine Dispersion herzustellen. Bei der Dispersion handelt es sich um ein Gemenge aus mindestens zwei Stoffen, die sich nicht oder kaum ineinander lösen oder chemisch miteinander verbinden. Eine Dispersion aus zwei oder mehreren Flüssigkeiten wird auch als Emulsion bezeichnet, eine Dispersion aus Flüssigkeit und Feststoff als Suspension. Die Teilchen des Additivs sollen dabei eine solche Größe einnehmen, daß sie mit der Flüssigkeit eine Dispersion bilden, die über längere Zeiträume, beispielsweise ein Jahr, ihre Eigenschaften beibehält. Dabei sind Teilchen im Nanometer-Bereich bevorzugt, die in die von den Wassermolekülen gebildete Matrix eingebunden sind und auf diese Weise weder ausflocken noch verklumpen.

EP 0 134 890 B1 beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein Additiv aus kolloidalen Teilchen in einem sich nach unten verjüngenden Behälter mit an der Innenwand angebrachten Leitvorrichtungen unter Schwerkrafteinfluß in eine wirbelförmige Strömung versetzt wird. Es ist weiter vorgesehen, die am Boden des Behälters austretende Dispersion zur Einfüllöffnung des Behälters zurückzufördern und mehrere Mischungskreisläufe zu durchlaufen.

Die DE 37 38 223 C2 beschreibt eine Vorrichtung zum intensiven Mischen von Flüssigkeiten oder eines Flüssigkeit-Feststoff-Gemisches, bei der ein Rotor die Dispersion im Kreislauf fördert, mischt und die Feststoffteilchen zerkleinert. Als Rotor ist vorzugsweise ein Propeller vorgesehen, dessen Betriebsdrehzahl im Bereich von 6.000 U/min liegt. Bei so hohen Drehzahlen kann Kavitation an den Propellerblättern auftreten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer Nano-Dispersion anzugeben.

Zur Lösung der Aufgabe ist die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 26 vorgesehen. Weitere Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe also gelöst mit einer Vorrichtung zum intensiven Mischen einer Flüssigkeit und mindestens eines festen oder flüssigen Additivs zu einer Dispersion, mit einem geschlossenen Gehäuse und einer im Gehäuse angeordneten antreibbaren saugenden Umwälzeinrichtung, welche die Dispersion in eine rotierende Umwälzbewegung versetzt, mit einem Rotor mit mehreren Rotorblättern, wobei in dem geschlossenen Gehäuse ortsfest ein bei der Umwälzbewegung von Dispersion durchströmter Innentubus, angeordnet ist. der an seinem oberen Ende einen vorzugsweise trichterförmig erweiterten Eintrittsabschnitt und an seinem unteren Ende einen vorzugsweise glockenförmig erweiterten Austrittsabschnitt aufweist, wobei im oberen Abschnitt des Gehäuses Umlenkschaufeln angeordnet sind, die in den Eintrittsabschnitt des Innentubus hineinragen und im unteren Abschnitt des Gehäuses im Bereich des Austrittsabschnitts des Innentubus der Rotor angeordnet ist, wobei vorgesehen ist,
daß im Innenraum des Innentubus ein Austrittsende einer Sprühvorrichtung angeordnet ist,
daß der Rotor in einem radial außenliegenden Abschnitt Verlängerungen aufweist, die um den erweiterten Austrittsabschnitt des Innentubus herumgreifen. Die Aufgabe wird weiter mit einem Verfahren zur Herstellung einer Nano-Dispersion aus einer Flüssigkeit und mindestens einem festen oder flüssigen Additiv gelöst, wobei die so gebildete Dispersion in einem geschlossenen rotationssymmetrischen Gehäuse, das einen rotationssymmetrischen Innentubus aufweist, mit einer mit einem Rotor ausgebildeten Umwälzeinrichtung in einem Kreislauf im Innern des Innentubus in einem rotierenden Wirbel von oben nach unten fließend und im Zwischenraum zwischen Außenwandung des Innentubus und Innenwandung des Gehäuses in einem rotierenden Wirbel mit umgekehrter Drehrichtung von unten nach oben fließend umgewälzt wird, wobei die Dispersion in einem ersten Kreislaufabschnitt, in der sie mit einem ersten Abschnitt des Rotors zusammenwirkt, homogenisiert wird, wobei die Drehzahl des Rotors so eingestellt ist, daß die Cluster-Strukturen des Additivs und/oder der Trägerflüssigkeit im wesentlichen durch Kavitation aufgebrochen werden, wobei die Drehrichtung der Dispersion in einem stromabwärts folgenden zweiten Kreislaufabschnitt umgekehrt wird, wobei vorgesehen ist, daß das Additiv im ersten Kreislaufabschnitt oder in dem stromaufwärts benachbarten Kreislaufabschnitt unter Druck aus einem im Innenraum des Innentubus angeordneten Austrittsende einer Sprühvorrichtung eingesprüht wird.

Der Rotor der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist also einen inneren Bereich mit Rotorblättern zum Aufbrechen der Cluster der Trägerflüssigkeit und/oder des beigemischten Additivs auf. Der Rotor dreht sich entgegengesetzt zur Drehrichtung der wirbelnden Dispersion, so daß die Relativgeschwindigkeit zwischen der Dispersion und den Kanten des Rotorblätter sehr hoch ist und Kavitation eintritt. Kavitation ist ein Effekt, der in bewegten Flüssigkeiten beobachtet wird, wenn der hydrostatische Druck in der bewegten Flüssigkeit lokal auf einen Wert absinkt, der in etwa dem Dampfdruck der Flüssigkeit entspricht. Es bilden sich dann kleine mit Dampf gefüllte Blasen, die mit der strömenden Flüssigkeit schließlich in Bereiche höheren Drucks gelangen und dort zusammenstürzen. Bei der Blasenimplosion entstehen im Innern der Blase und in ihrer näheren Umgebung hohe Druckspitzen, die beispielsweise das Aufbrechen der Cluster des Additivs und/oder der Trägerflüssigkeitunterstützen.

Die Verlängerungen der Rotorblätter sorgen nun in dem weiter stromabwärts folgenden Abschnitt, der durch die Wandung des glockenförmigen unteren Abschnitts des Innentubus von dem inneren Rotorbereich getrennt ist, für die Verwirbelung der Dispersion in umgekehrter Drehrichtung und für die Förderung der Dispersion von unten nach oben. Weil nun die Strömungsrichtung der Dispersion mit der Bewegungsrichtung der Verlängerungen der Rotorblätter übereinstimmt, sinkt die Relativgeschwindigket zwischen dem Rotor und der Dispersion. Sie kann im Idealfall gegen Null gehen.

Durch die Aufteilung des Rotors in zwei Bereiche ist der Rotor sowohl für das effektive Aufbrechen der Cluster des Additivs und/oder der Trägerflüssigkeit als auch für die Förderung der Dispersion optimierbar. Die Ausbildung der Verlängerungen kann an die Viskosität der Flüssigkeit und an die Rotorgeschwindigkeit angepaßt werden. Weiter kann vorteilhafterweise die Wirbelgeschwindigkeit des inneren und des äußeren Wirbels relativ unabhängig voneinander verändert werden und so Einfluß auf die optimale Verteilung der aus dem Additiv gewonnenen Nanopartikel in der Flüssigkeit genommen werden. Wenn es sich bei der Flüssigkeit um Wasser handelt, können die Nanopartikel in die Matrix des Wassers so eingebunden werden, daß eine besonders haltbare Dispersion gebildet wird. Dabei kann die Form der Rotorblätter so gewählt werden, daß sie der anströmenden Flüssigkeit nur einen geringen Strömungswiderstand bietet und deshalb die Relativgeschwindigkeit der Flüssigkeit zum Rotor nicht wesentlich verringert, so daß sich hinter den Rotorblättern Superkavitation ausbilden kann. Unter Superkavitation versteht man die Ausbildung eines zusammenhängenden Kavitationsbereichs hinter dem angeströmten Körper.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Verlängerungen des Rotors als Rotorschaufeln ausgebildet sind, die in den Ringraum zwischen der Außenwandung des glockenförmigen Abschnitts des Innentubus und der Innenwandung des Gehäuses hineinragen. Durch die Gestaltung der Schaufelblätter kann die Förderung der Dispersion optimiert werden, u.a. mit dem Ziel, den Energieaufwand hierfür zu minimieren.

Es kann vorgesehen sein, daß die Rotorschaufeln am Rotor einstellbar und/oder austauschbar befestigt sind. Das ist besonders vorteilhaft, wenn Dispersionen aus Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität hergestellt werden sollen. Darüber hinaus können die Schaufelblätter bei Verschleiß leicht gewechselt werden.

Wie bereits weiter oben ausgeführt, sollen die innerhalb des glockenförmigen Abschnitts des Innentubus im ersten Abschnitt des Rotors angeordneten Rotorblätter einen möglichst geringen Strömungswiderstand haben. Dazu kann vorgesehen sein, daß die Vorderkanten der Rotorblätter messerförmig ausgebildet sind. Mit dieser Ausbildung der Rotorblätter wird weiter erreicht, daß die Kavitation erst an der Hinterkante der Rotorblätter einsetzt, an der die Strömung abreißt. Kavitation im Bereich der Oberfläche der Rotorblätter ist unerwünscht, weil sie zu erhöhtem Verschleiß der Rotorblätter führt, der erhöhte Unterhaltungskosten verursacht sowie vom Rotor herausgelöste Partikel als unerwünschte Fremdbeimengungen in die Dispersion eintragen kann.

Bei bevorzugten Ausführungen ist vorgesehen, daß schraubenlinienförmige und/oder flächige Leiteinrichtungen an der Innenwandung des Gehäuses und/oder an der Außenwandung des Innentubus und/oder an der Innenwandung des Innentubus angeordnet sind.

Die an der Innenwandung des Gehäuses und/oder der Außenwandung des Innentubus und/oder an der Innenwandung des Innentubus angeordneten schraubenlinienförmigen und/oder flächigen Leiteinrichtungen unterstützen die Wirbelbildung der Dispersion und können insbesondere im Randbereich des Wirbels wirksam sein. Die flächigen Leiteinrichtungen können als Leitbleche, vorzugsweise stromlinienförmig ausgebildet sein. Mit der Steigung und der Gangrichtung der schraubenlinienförmigen und/oder flächigen Leiteinrichtungen sind weitere Einflussmöglichkeiten für die Endqualität der Dispersion gegeben.

Es kann vorgesehen sein, daß die an der Innenwandung des Gehäuses und die an der Innenwandung des Innentubus angeordneten schraubenlinienförmigen Leiteinrichtungen eine Gangrichtung aufweisen, die gleichsinnig oder gegensinnig zur Gangrichtung der an der Außenwandung des Innentubus angeordneten schraubenlinienförmigen und/oder flächigen Leiteinrichtung ist. Auf diese Weise kann die Energie des rotierenden Dispersionswirbels im Inneren reduziert werden und auf den äußeren Bereich konzentriert werden, in denen er auf die Rotorblätter trifft.

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Gangrichtung der an der Innenwandung des Innentubus angeordneten schraubenlinienförmigen und/oder flächigen Leiteinrichtung dem in dem Innenbehälter von oben nach unten fließenden Dispersionsstrom folgt. Die Leiteinrichtungen können sich an den betreffenden Wandungen kontinuierlich erstrecken oder aber auch nur abschnittsweise, also mit Unterbrechungen ausgebildet sein

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Drehrichtung des Rotors der Drehrichtung des in dem Innentubus fließenden Dispersionsstroms entgegengesetzt ist. Durch dieses Gegenstromprinzip wird die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Dispersionsstrom und den Rotorblättern wirkungsvoll gesteigert, so daß eine hohe Energie in den Dispersionsstrom eingetragen wird. Die Höhe des Energieeintrags wird auch von der weiter oben beschriebenen Kavitation bestimmt. Durch die Verkleinerung der Partikel des Additivs bei der Herstellung der Dispersion erhöht sich die Phasengrenzfläche zwischen den beiden Phasen. Dabei muß die Grenzflächenspannung überwunden werden und eine neue Grenzfläche geschaffen werden. Dies erfordert Arbeit, die mechanisch in das System eingebracht wird. Durch dabei auftretenden Scherkräfte werden die Partikel immer kleiner.

Was die Querschnittsform der Leiteinrichtungen betrifft, kann sie vorzugsweise experimentell optimiert werden. Es kann sich beispielsweise um ein schraubenlinienförmig gewickeltes Element handeln, das beispielsweise ein Querschnittsprofil aufweist, wie es von Flugzeugtragflächen bekannt ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, die Leiteinrichtung in die entsprechenden Wandungen einzuprägen, wobei gegebenenfalls die Wandung als Doppelwandung ausgeführt sein kann, wie etwa die Wandung des Innentubus, die Leiteinrichtungen mit entgegengesetzter Gangrichtung aufweisen kann.

Bei bevorzugten Ausführungen ist vorgesehen, daß das Austrittsende der Sprühvorrichtung innerhalb des Innentubus vorzugsweise in dem Innenraum des vorzugsweise glockenförmigen Austrittsendes des Innentubus angeordnet ist.

Es kann weiter vorgesehen sein, daß das Austrittsende der Sprühvorrichtung als ein im Bereich der Nabe des Rotors angeordneter Sprühkopf ausgebildet ist Hier ist die Relativgeschwindigkeit des Wirbels gering.

In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Sprühvorrichtung eine axial im Rotor geführte Zuleitung aufweist. Die Zuleitung zur Sprühvorrichtung kann aber auch außerhalb der Nabe des Rotors angeordnet sein, beispielsweise als eine längs der Achse des Innentubus verlaufende Zuleitung oder als eine die Wand des Innentubus durchgreifende Zuleitung.

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Sprühvorrichtung als Zuleitung ein Kapillarrohr aufweist, das in der Mittelachse des Innentubus angeordnet ist, wobei das Austrittsende des Kapillarrohrs im unteren Ende des oberen Drittel des Innentubus angeordnet ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die Sprühvorrichtung als Ringdüse ausgebildet ist. Diese Ringdüse kann beispielsweise im oberen Bereich des glockenförmigen Abschnitts des Innentubus angeordnet sein. Durch die Ausbildung als Ringdüse kann das Additiv über eine große Fläche verteilt eingebracht werden.

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Sprühvorrichtung den dem glockenförmigen Abschnitt des Innentubus benachbarten Bereich des Innentubus durchgreift. Auf diese Weise kann das Additiv insbesondere in den äußeren Bereich des rotieren Wirbels der Dispersion eingesprüht werden, in dem der Wirbel eine besonders hohe Relativgeschwindigkeit zu den Austrittsöffnungen der Sprühvorrichtung aufweist Sprühvorrichtung kann beispielsweise aus Sprühköpfen ausgebildet sein, die in einer oder mehreren übereinander angeordneten Reihen am Umfang des Innentubus verteilt sind. Es können aber auch eine oder mehrere übereinander angeordnete Ringdüsen vorgesehen sein.

Mit der Positionierung der Austrittsöffnung der Sprühvorrichtung kann in Abhängigkeit von der Konsistenz des Additivs eine solche Anordnung gefunden werden, bei der besonders wirkungsvoll vermieden wird, daß das zugegebene Additiv verklumpt oder ausflockt.

Vorzugsweise ist vorgesehen, daß die Sprühvorrichtung mit einem Vorratsbehälter für das Additiv verbunden ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß das Additiv beispielsweise von Hand, beispielsweise mit Hilfe einer Injektionsspritze zugeführt wird.

Die Sprühvorrichtung kann neben dem oder den Sprühköpfen eine Dosierpumpe, Ventile und einen Druckgasbehälter mit Reduzierventil umfassen. Die Sprühvorrichtung kann so ausgebildet sein, daß sie mit einem Computer verbunden werden kann und auf diese Weise in ein computergesteuertes Ablaufprogramm einbindbar ist.

Es kann vorgesehen sein, daß das Gehäuse mit einer Vakuumpumpe verbunden ist.

Vorteilhafterweise kann vorgesehen sein, daß der obere Endabschnitt des Gehäuses dem Rotor gegenüberliegend einen Anschlußstutzen für eine Vakuumpumpe aufweist. Durch das Anlegen von Vakuum kann das Einsetzen der Kavitation in gewissen Grenzen beeinflußt werden. Ein weiterer positiver Effekt ist darin zu sehen, daß die Dispersion entgast wird und dabei u.a. das Treibgas entfernt wird, mit dem das Additiv in die Flüssigkeit gesprüht wird, wie weiter oben beschrieben.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der erste Abschnitt des Rotors eine mittlere Umfangsgeschwindigkeit von > 50 m/s aufweist. Unter dieser Bedingung bildet sich hinter den Rotorblättern Superkavitation aus.

In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß ein im oberen Abschnitt des Gehäuses angeordneter Einfüllstutzen mit einer Niederdruckdestillationsanlage verbunden ist. In Niederdruckdestillationsanlagen setzt die Verdampfung der Flüssigkeit bereits bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes bei Normaldruck ein, weil der über der Flüssigkeit angeordnete Gasraum einen Druck unterhalb des atmosphärischen Drucks aufweist. Insbesondere unter Niederdruck destilliertes Wasser ist als Trägerflüssigkeit der Dispersion vorteilhaft, wie empirische Versuche gezeigt haben.

Es kann vorgesehen sein, daß in den Zuleitungen und/oder in den Ableitungen des Gehäuses Sensoren angeordnet sind.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß in den Zuleitungen und/oder in den Ableitungen des Gehäuses Durchflußsensoren angeordnet sind. Aus den Signalen eines Durchflußsensors kann beispielsweise unter Einbeziehung der Füllzeit die Füllmenge bestimmt werden. Die Sensoren können Teil einer Steuerung sein, die beispielsweise mittels eines Computers ausgeführt sein kann. Der Computer kann dabei neben der Auswertung der Signale und der Steuerung von Aktoren, wie Ventilen, auch den gesamten Programmablauf für die Herstellung der Dispersion steuern. Darüber hinaus kann er Fehlfunktionen detektieren und gegebenenfalls eine Notabschaltung der Vorrichtung auslösen.

Weiter kann vorgesehen sein, daß an dem Gehäuse ein Füllstandssensor angeordnet ist. Der Füllstandssensor kann beispielsweise anstelle eines Durchflußsensors bevorzugt sein, weil er den Füllstand im Gehäuse direkt anzeigt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, daß der untere Abschnitt des Gehäuses von einer Einrichtung umgeben ist, die ein Magnetfeld und/oder ein elektrostatisches Feld ausbildet. Diese Einrichtung kann beispielsweise für Dispersionen auf der Basis von Wasser vorteilhaft sein, weil Wassermoleküle als Dipole ausgebildet sind, die sich in magnetischen und/oder elektrischen Feldern ausrichten können. Die Eigenschaften der Felder müssen mangels gesicherter Theorien empirisch bestimmt werden.

Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, daß mindestens der untere Abschnitt des Gehäuses und/oder des Innentubus elektrisch nichtleitend und/oder nichtmagnetisierbar ausgebildet ist. So können die genannten Felder ungehindert auf die Dispersion einwirken.

In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, daß die Vorrichtung im Magnetfeld der Erde ausrichtbar montiert ist. Auf diese Weise kann die Vorrichtung in eine solche Position gebracht werden, die für die Ausbildung einer mit Wasser als Dispersionsmittel ausgeführten Dispersion optimal ist.

Es ist vorgesehen, daß die Drehzahl des Rotors und/oder der Gasdruck über der Dispersion und/oder die Temperatur der Dispersion eingestellt und/oder geregelt werden bzw. wird. Diese Prozeßregelgrößen können bedarfsweise durch weitere ergänzt werden, beispielsweise durch magnetische oder elektrische Feldgrößen, wie vorstehend beschrieben. Die Regelung der Prozeßgrößen ist entscheidend für die Einhaltung der Qualität der Dispersion und deren Langzeitstabilität.

Es kann vorgesehen sein, daß der erste Abschnitt des Rotors eine mittlere Umfangsgeschwindigkeit von > 50 m/s aufweist.

Weiter kann vorgesehen sein, daß das Additiv mit einer Dosiervorrichtung bereitgestellt und sodann mittels eines unter Überdruck stehenden Treibgases eingesprüht wird. Bei dem Additiv handelt es sich im Allgemeinen um kleine Stoffmengen, die aus einem Vorratsbehälter entnommen werden und der Sprühvorrichtung zugeführt werden.

Vorteilhafterweise ist vorgesehen, daß als Treibgas ein Inertgas verwendet wird. Bei dem Inertgas handelt es sich um ein Gas, das chemisch inert ist, d.h. das nicht oder nur sehr träge mit anderen Stoffen chemische Verbindungen eingeht. Bevorzugt kann Technischer Stickstoff, noch weiter bevorzugt Reinststickstoff als Inertgas vorgesehen sein. Als Inertgas können weiter Edelgase, wie Helium, Argon, Krypton oder Xenon vorgesehen sein. Die Förderung des Additivs mittels eines Treibgases ist deshalb bevorzugt, weil das Volumen des in die Flüssigkeit eingesprühten Additivs im Allgemeinen viel kleiner ist als das Volumen der Verbindungsleitung zwischen der Sprühvorrichtung und dem Vorratsbehälter. Wenn also nur eine Dosierpumpe o.ä. in Verbindung mit einem Absperrventil vorgesehen ist, verbleibt nach Abschluß der Dosierung ein nicht unbedeutender Rest des Additivs in der Verbindungsleitung und kann während des Mischens unkontrolliert ganz oder teilweise in die Dispersion gelangen. Alternativ zum Treibgas kann vorgesehen sein, die Dosierpumpe und das Absperrventil unmittelbar an der Sprühvorrichtung anzuordnen.

Wie bereits weiter oben angeführt, kann vorgesehen sein, daß es sich bei der Flüssigkeit um bei Niedrigtemperatur destilliertes Wasser handelt. Es kann sich aber auch um ein unter anderen Bedingungen aufbereitetes oder aus natürlichen Quellen stammendes Wasser handeln, wenn als Flüssigkeit zur Herstellung der Dispersion Wasser vorgesehen ist. Die Entscheidung darüber ist nach dem Verwendungszweck der Dispersion zu treffen.

Weiter kann vorgesehen sein, daß die Flüssigkeit vor dem Einfüllen in das Gehäuse temperiert wird. Dabei kann die Temperatur der Flüssigkeit so gewählt sein, daß die Temperaturerhöhung, die die Dispersion infolge der eingetragenen mechanischen Arbeit und/oder der Umgebungstemperatur der Vorrichtung erfährt, berücksichtigt ist. In einem solchen Fall kann auf die weiter oben beschriebene Temperaturregelung verzichtet werden.

Die vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus und ist so ausgeführt, daß die für die Herstellung einer langzeitstabilen Nano-Dispersion notwendigen Parameter einstellbar und regelbar sind. Die mit der Vorrichtung hergestellten Emulsionen zeichnen sich dadurch aus, daß sie ohne Verwendung von Emulgatoren langzeitstabil sind und die Additive als Nano-Tröpfchen in der Flüssigkeit homogen verteilt sind. Die mit der Vorrichtung hergestellten Suspensionen zeichnen sich ebenfalls durch Langzeitstabilität und durch homogen verteilte Nano-Partikel aus.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 eine schematische Zusammenstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung und mit ihr verbundener Einrichtungen;
2 eine Schnittansicht der Vorrichtung in 1;
3 eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse in der Vorrichtung in 1;
4 eine Schnittansicht der Vorrichtung in 1 mit veränderter Sprühvorrichtung;
5 eine perspektivische Schnittdarstellung des unteren Abschnitts eines geringfügig modifizierten Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 1;
6 eine perspektivische Ansicht des Rotors der Vorrichtung in 5.
Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum intensiven Mischen einer Flüssigkeit und mindestens einem flüssigen oder festen Additiv zu einer Dispersion. Die 2 zeigt die Vorrichtung 1 in vergrößerter und detaillierter Darstellung.
Die Vorrichtung 1 weist ein geschlossenes rotationssymmetrisches Gehäuse 10 auf, in dem ein rotationssymmetrischer Innentubus 11 zentrisch angeordnet ist. Im Bereich des unteren kuppelförmigen Abschnitts des an beiden Stirnseiten offenen Innentubus 11 ist ein Rotor 14 angeordnet. Der Rotor 14 weist in seinem radial inneren Abschnitt Rotorblätter 14b und an seinem radial äußeren Abschnitt Rotorschaufeln 14s auf, die sich senkrecht zur radialen Ebene erstrecken. Der Rotor 14 ist so angeordnet, daß die Rotorschaufeln radial sich erstrecken und den kuppelförmigen Abschnitt des Innentubus 11 umgreifen, so daß die Rotorschaufeln 14s in den Bereich zwischen der Innenwandung des Gehäuses 10 und der Außenwandung des kuppelförmigen Abschnitts des Innentubus 11 eingreifen, während die Rotorblätter 14b im Innenraum des kuppelförmigen Abschnitts des Innentubus 11 angeordnet sind.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist in 6 näher dargestellt und wird in der vorliegenden Beschreibung noch im einzelnen beschrieben.
Wie in den 1 und 2 erkennbar, ist der Rotor 14 mit der Abtriebswelle eines Motors 15 verbunden. Es kann sich vorteilhafterweise um einen drehzahlgeregelten Elektromotor handeln.
Das Gehäuse 10 ist in dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel dreigeteilt ausgeführt und in eine Hauptsektion 10h, eine Kopfsektion 10k und eine Fußsektion 10f gegliedert. Die Endabschnitte der Sektionen 10k, 10h, 10f sind mit Ringflanschen verbunden, die am Umfang verteilt lösbare Verbindungen 10v aufweisen. In dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die lösbaren Verbindungen mit Zylinderschrauben ausgeführt. Es kann aber vorteilhafterweise vorgesehen sein, die Verbindungen als Schnellspannverbindungen auszuführen, um das Gehäuse 10 zu Wartungszwecken leicht öffnen zu können. Wie in 1 und 2 angedeutet, sind die Ringflansche über eine kreisringförmige Dichtungsscheibe miteinander verschraubt, so daß das Gehäuse 10 als flüssigkeits- und gasdichtes Gehäuse ausgebildet ist.
Die Kopfsektion 10k ist im wesentlichen kuppelförmig ausgebildet. Sie weist einen zentrischen Anschlußstutzen 10kv für den Anschluß einer Vakuumpumpe 12 auf. In die Zuleitung zur Vakuumpumpe 12 ist ein Dreiwegeventil 12v eingefügt, das in der einen Stellung die Vakuumpumpe mit dem Innenraum des Gehäuses 10 verbindet, und das in der anderen Stellung den Innenraum des Gehäuses 10 mit der Außenluft vorzugsweise über einen Luftfilter verbindet. Die Vakuumpumpe 12 kann im Gasraum über der Flüssigkeit einen Unterdruck einstellen, der das Auftreten der weiter unten beschriebenen Kavitation begünstigen kann. Vor dem Entleeren des Gehäuses 10 ist das Dreiwegeventil 12v so einzustellen, daß der Innenraum des Gehäuses 10 mit der Außenluft verbunden ist, d.h. der Unterdruck aufgehoben ist.
Die Kopfsektion 10k weist des weiteren einen Einfüllstutzen 10ke auf, der mit dem Ausgang einer Destillationsanlage 13 verbunden ist. Bei der Destillationsanlage kann es sich beispielsweise um eine Niederdruckdestillationsanlage handeln. Die in der 1 schematisch dargestellte Destillationsanlage umfaßt alle Einrichtungen, die benötigt werden, um am Ausgang der Destillationsanlage 13 eine Flüssigkeit mit vorbestimmter Temperatur bereitzustellen. Bei der Flüssigkeit kann es sich vorzugsweise um Wasser handeln, aus dem durch Zumischen eines flüssigen Additivs eine Emulsion oder durch Zumischen eines festen Additivs eine Suspension hergestellt wird. Als Oberbegriff wird im weiteren „Dispersion" verwendet.
In die Zuleitung von der Destillationsanlage 13 ist ein Absperrventil 13v eingefügt.
Im Innern der Kopfsektion 10k sind stationäre Umlenkschaufeln 10u angeordnet, deren Ausbildung und Funktion weiter unten näher erläutert wird.
Die Hauptsektion 10h ist als ein im mittleren Abschnitt leicht eingeschnürter Kreiszylinder ausgebildet. Der genaue Verlauf seiner Mantelfläche wird zweckmäßigerweise durch Versuche bestimmt. Er ist u.a. abhängig von der Ausbildung der Mantelfläche des Gehäuses 10 und so zu bemessen, daß der Strömungsverlauf der Dispersion in dem Ringraum zwischen der Außenwand des Innentubus 11 und der Innenwand des Gehäuses 10 optimiert ist.
Die Fußsektion 10f des Gehäuses 10 ist im wesentlichen mit toroidalem Verlauf ausgebildet, wobei der Innenraum des Toroids zur Aufnahme des Lagers des Rotors 14 und zur Befestigung des Motors 15 bestimmt ist. Die Ausführung dieses konstruktiven Details ist in der 2 nur angedeutet. Sie ist im wesentlichen abhängig von der Ausführungsform des Motors 15. Es ist mindestens ein gas- und flüssigkeitsdichtes Rotorlager vorzusehen.
Die Fußsektion 10f ist mit einem Ablaßstutzen 10fa versehen, der etwa am tiefsten Abschnitt der Fußsektion angeordnet ist, so daß die fertiggestellte Dispersion ungehindert und vollständig abfließen kann.
Der Ablaßstutzen 10fa ist unter Zwischenschaltung eines Absperrventils 16v mit einem Sammelbehälter 16 verbunden, der zur Zwischenlagerung der aus dem Gehäuse 10 entnommenen Dispersion bestimmt ist.
Die Vorrichtung 1 ist weiter mit einem Vorratsbehälter 17 zur Bereitstellung des Additivs verbunden. Der Vorratsbehälter 17 verfügt an seinem Ausgang über eine Dosierpumpe 17d, die unter Zwischenschaltung eines Dreiwegeventils 17v mit einer Sprühvorrichtung 18 verbunden ist. Die Verbindungsleitung zwischen Dreiwegeventil 17v und Sprühvorrichtung 18 durchgreift die Wandung des Gehäuses 10, wie in 2 rein schematisch dargestellt. Der eigentliche Verlauf der Verbindungsleitung im Gehäuse ist so zu legen, daß die Strömungsverhältnisse im Gehäuse nicht negativ beeinträchtigt werden. In 1 ist ein solcher Verlauf dargestellt, bei dem die Verbindungsleitung im oberen Abschnitt des Gehäuses hineingeführt und sodann an der Außenseite des Innentubus 11 zur Sprühvorrichtung 18 geführt ist.
Die Sprühvorrichtung 18 ist in dem in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel als Ringdüse ausgebildet, die am oberen Ursprungsrand des glockenförmigen Abschnitts des Innentubus 11 angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich können noch eine oder mehrere Sprühvorrichtungen an anderer Stelle vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Sprühvorrichtung als Sprühkopf ausgebildet sein und über dem Mittelpunkt des Rotors 14 angeordnet sein. Es können auch weitere Sprühvorrichtungen 18 als Ringdüsen und/oder als Sprühköpfe ausgebildet sein, die stromaufwärts vor dem glockenförmigen Abschnitt des Innentubus 11 angeordnet sind.
Das Dreiwegeventil 17v ist des weiteren mit einem Druckgasbehälter 19 verbunden, dessen Ausgang über einen Gasdruckregler 19r geführt ist. Bei dem Gasdruckregler 19r kann es sich beispielsweise auch um ein als Nadelventil ausgebildetes Reduzierventil handeln. Der Druckgasbehälter 19 ist vorgesehen, um mittels eines unter Überdruck stehenden Inertgases, wie Stickstoff, oder mittels eines Edelgases das mit der Dosierpumpe 17d zugeführte Additiv der Sprühvorrichtung 18 zuzuführen und die Zuführungsleitung vollständig zu leeren. Da es sich bei dem Additiv um kleine Mengen handelt, muß dafür Sorge getragen werden, daß keine Reste des Additivs in der Zuleitung verbleiben. Es kann auch vorgesehen sein, ein anderes Druckgas zu verwenden, jedoch darf das Druckgas weder mit dem Dispersionsmittel noch mit dem Additiv chemisch reagieren oder eine Lösung eingehen. Das für Getränke eingesetzte Druckgas CO₂ beispielsweise ist sowohl chemisch als auch physikalisch in Wasser löslich und deshalb als Druckgas ungeeignet.
3 zeigt nun eine schematische Darstellung der Strömungsverhältnisse in der vorstehend beschriebenen Vorrichtung 1, wobei in der folgenden Beschreibung auch auf in 2 dargestellte Positionen Bezug genommen wird.
Die Dispersion wird im Innentubus 11 von oben nach unten durch den Rotor 14 angesaugt und nach außen in den Ringraum zwischen Innentubus 11 und Innenwandung des Gehäuses 10 gefördert. Die Rotorschaufeln 14s fördern die Dispersion in dem bezeichneten Ringraum von unten nach oben, die durch die Umlenkschaufeln 10u umgelenkt in den Innentubus zurückströmt.
Die Dispersion bildet in der Vorrichtung 1 einen inneren Flüssigkeitswirbel 30i und einen zentrisch um diesen angeordneten äußeren Flüssigkeitswirbel 30a. Bei beiden Wirbeln handelt es sich um schraubenlinienförmig kreisende Flüssigkeitswirbel mit gegensinnig zueinander ausgebildeter Strömungsrichtung. Die beiden Flüssigkeitswirbel 30i, 30a sind durch die Wandung des Innentubus 11 voneinander getrennt. Der äußere Flüssigkeitswirbel 30a wird durch die Rotorschaufeln 14s von oben auf den Flüssigkeitswirbel geblickt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn in eine rotierende Bewegung versetzt. In 3 ist nur eine Rotorschaufel 14s dargestellt, die an einem Fortsatz am Ende des Rotorblatts 14b angeordnet ist. Wie in 2 zu erkennen, wird die Ausformung der Wirbelströmung durch ein an der Innenwand des Gehäuses 10 angeordnete Leiteinrichtung 10l unterstützt, die in einer Schraubenlinie verläuft.
Eine an der Außenwand des Innentubus 11 angeordnete äußere Leiteinrichtung 11la ist ebenfalls schraubenlinienförmig ausgebildet, doch mit einer Gangrichtung, die gleichsinnig zur Gangrichtung der vorstehend beschriebenen Leiteinrichtung 10l ausgebildet ist. Auf diese Weise wird der aufsteigende äußere Flüssigkeitswirbel 30a von der Außenwand des Innenbehälters 11 abgelöst, wobei dieser Effekt durch die am Flüssigkeitswirbel angreifende Fliehkraft unterstützt wird.
Der äußere Flüssigkeitswirbel 30a trifft im oberen Abschnitt des Gehäuses 10 auf die Umlenkschaufeln 10u – in 3 ist nur eine Umlenkschaufel dargestellt – und wird von diesen in eine entgegengesetzte Drehrichtung versetzt, wodurch der innere Flüssigkeitswirbel 30i ausgebildet ist. Der innere Flüssigkeitswirbel 30i rotiert deshalb zum Uhrzeigersinn entgegengesetzt. Zur Ausbildung des inneren Flüssigkeitswirbels 30i ist eine innere Leiteinrichtung 111i vorgesehen, die an der Innenwand des Innenbehälters 11 angeordnet ist und die mit gleicher Gangrichtung ausgebildet ist wie die an der Innenwand des Gehäuses angeordnete Leiteinrichtung 10l.
Die Leiteinrichtungen 10l, 11la, 11li sind in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem schraubenlinienförmig gewendelten Bandmaterial gebildet, beispielsweise aus einem Blechband, das mit der Wand des Gehäuses 10 bzw. mit der Innenwand oder mit der Außenwand des Innentubus 11 verbunden ist. Die Leiteinrichtungen können aber auch einstückig mit der Wand des Gehäuses 10 und/oder mit der Innenwand oder mit der Außenwand des Innentubus 11 ausgebildet sein, beispielsweise eingeprägt sein. Wenn die Leiteinrichtungen in die Wandung des Innentubus 11 eingeprägt werden, kann vorteilhafterweise eine doppelte Wandung für den Innentubus 11 vorgesehen sein, so daß Überschneidungen zwischen den Leiteinrichtungen 11la und 11li vermieden sind.
Der Querschnitt der Leiteinrichtungen 10l, 11la, 11li ist nicht auf den bandförmigen Querschnitt beschränkt. Der Querschnitt kann fertigungsbedingt gewählt sein, er kann aber auch nach funktionellen Aspekten gestaltet sein.
Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit ist durch die Ganghöhe und/oder die Gangtiefe der schraubenförmigen Leiteinrichtung gegeben, wodurch die Anzahl der übereinander rotierenden Wirbel und/oder die Einwirkungstiefe der Leiteinrichtung variierbar sind.
Der innere Flüssigkeitswirbel trifft im glockenförmigen unteren Abschnitt des Innentubus 11 auf die mit entgegengesetzter Drehrichtung rotierenden Rotorblätter 14b des Rotors 14. Dabei bildet sich infolge der hohen Relativgeschwindigkeit zwischen dem Rotorblatt 14b und dem inneren Flüssigkeitswirbel 30i hinter dem Rotorblatt 14b eine Kavitationszone 14k aus. Kavitation ist ein Effekt, der in bewegten Flüssigkeiten beobachtet wird, wenn der hydrostatische Druck in der bewegten Flüssigkeit lokal auf einen Wert absinkt, der in etwa dem Dampfdruck der Flüssigkeit entspricht. Es bilden sich dann kleine mit Dampf gefüllte Blasen, die mit der strömenden Flüssigkeit schließlich in Bereiche höheren Drucks gelangen und dort zusammenstürzen. Bei der Blasenimplosion entstehen im Innern der Blase und in ihrer näheren Umgebung hohe Druckspitzen, die ganz wesentlich das Aufbrechen der Cluster des Additivs und/oder der Trägerflüssigkeit unterstützen. Das Rotorblatt 14b ist auf einen geringen Strömungswiderstand und das Auftreten der Kavitation erst an der hinteren Kante des Rotorblattes 14b, der sogenannten Abrißkante, optimiert. Ein wesentliches Ziel der Optimierung ist das Auftreten von Superkavitation hinter dem Rotorblatt 14b, wodurch die Cluster hauptsächlich aufgebrochen werden. Die schneidenförmig ausgebildete Vorderkante des Rotorblatts 14b hat am Aufbrechen der Cluster nur einen geringen Anteil.
Die Rotorblätter 14b sind so ausgebildet, daß sie einen die Dispersion ansaugenden Propeller bilden.
Wie in 3 zu erkennen, wird hinter der Kavitationszone 14k die Drehrichtung des Flüssigkeitswirbels 30i umgelenkt, wonach die Dispersion sodann, wie weiter oben beschrieben, durch die Rotorschaufeln 14s wieder in Rotation versetzt wird.
Durch die zweimalige Umkehrung der Rotationsrichtung der in Flüssigkeitswirbeln 30a, 30i bewegten Dispersion sowie das Aufbrechen der Cluster des Additivs und/oder der Trägerflüssigkeit durch Superkavitation wird eine besonders homogene und langzeitstabile Dispersion erhalten, die sich des weiteren durch einen geringen Streuwert der Partikelgröße des Additivs auszeichnet.
In 1 und 2 ist beispielhaft ein Füllstandssensor 20 dargestellt, der den Füllstand im Gehäuse 10 bei ruhendem Rotor 14 anzeigt. Es handelt sich in diesem Ausführungsbeispiel um einen handelsüblichen Schwebekörper-Füllstandssensor. Wenn die Steuerung und Regelung der Vorrichtung 1 und der mit ihr verbundenen Komponenten vorgesehen ist, können weitere in den 1 und 2 nicht dargestellte Sensoren vorgesehen sein, beispielsweise Druck-, Temperatur-, Durchfluß- und Mengen-Sensoren.
Die 4 zeigt nun eine Vorrichtung 1, wie sie in 1 und 2 dargestellt ist, mit einer veränderten Sprühvorrichtung 18'. Bei der Sprühvorrichtung 18' handelt es sich um ein Kapillarrohr, das wegen seines geringen Innendurchmessers ein geringes Innenvolumen aufweist und so gut an das geringe zu dosierende Volumen des Additivs angepaßt ist. Die Mittelachse der Sprühvorrichtung 18' fällt mit der Mittelachse des Innentubus 11 zusammen. Sie ist so im „Auge" des Flüssigkeitswirbels angeordnet. Das Additiv wird in diesem Ausführungsbeispiel also in einen Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit dosiert. Der obere Abschnitt der Sprühvorrichtung durchgreift die Kopfsektion 10k, wobei vorgesehen sein kann, daß sie dort abgewinkelt ausgebildet ist und daher neben dem Anschlußstutzen 10kv für die Vakuumpumpe die Wandung der Kopfsektion 10k durchgreift. Die Sprühvorrichtung 18' mündet am unteren Ende des oberen Drittel des Innentubus 11.
Die 5 und 6 zeigen nun ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das sich von der Vorrichtung 1 in Ausführungsdetails des Rotors und des unteren Abschnitts des Innentubus unterscheidet.
5 zeigt den unteren Abschnitt der Vorrichtung 1, die einen modifizierten Innentubus 51 aufweist, dessen unterer Abschnitt als Kegelstumpf ausgebildet ist, der in einen Kreiszylinder übergeht. Im übrigen ist der Innentubus 51 wie der in 1 und 2 dargestellte Innentubus 11 ausgeführt. Der Innentubus 51 kann einfacher zu fertigen sein, weil sein unterer Abschnitt aus einfachen geometrischen Körpern zusammengesetzt ist.
In 5 sind die Leiteinrichtungen sowie die Dosiereinrichtung nicht dargestellt. Es kann allerdings vorgesehen sein, auf eine oder mehrere der weiter oben genannten Leiteinrichtungen 10l, 11la, 11li zu verzichten, wobei jedoch die Dosiereinrichtung unverzichtbar ist.
6 zeigt den Rotor 14, dessen Rotorblätter 14b einen vierflügeligen Propeller bilden. In dem in 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorderkante des Rotorblatts 14b leicht gerundet. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß sie als schneidenförmige Kante ausgebildet ist. Bei der Gestaltung der Vorderkante des Rotorblatts 14b ist ein Kompromiß zu finden zwischen optimaler Kavitation und Standzeit der Rotorblätter.
Die Rotorschaufeln 14s sind als rechteckige Platten ausgebildet, deren Vorderseite in einer von Radiusvektor und Drehachse des Rotors 14 aufgespannte Ebene verläuft.
Die Rotorschaufel 14s durchdringt die Aufnahme 14a, wobei die über die Aufnahme 14a hinausragenden Abschnitte der Rotorschaufel 14s in dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel etwa gleich groß sind. Die Aufnahme 14a ist von zwei Gewindebohrungen durchgriffen, in die jeweils versenkbare Befestigungsschrauben eingeschraubt sind, die zwischen der Rotorschaufel 14s und der Aufnahme 14a eine kraftschlüssige Verbindung herstellen. Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn der Austausch der Rotorschaufeln vorgesehen ist. Auf diese Weise kann beispielsweise die Ausbildung der Rotorschaufeln durch Versuchsreihen optimiert werden. Es kann aber auch eine einstückige Ausbildung des Rotors vorgesehen sein.
Über den Rotor kann bei bevorzugten Ausführungsbeispielen etwa eine Leistung von 7 kW in die Dispersion eingetragen werden. Das Gehäuse 10 kann ein Aufnahmevolumen von 35 l und in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von ca. 300 mm und eine Höhe von ca. 670 mm aufweisen.
Vorzugsweise wenn es sich bei dem Dispersionsmittel um Wasser handelt, dessen Moleküle als Dipole ausgebildet sind und sich in einem magnetischen und/oder elektrischen Feld und/oder elektromagnetischen Feld ausrichten können, können Mittel zur Erzeugung solcher Felder vorgesehen sein, die vorzugsweise im Bereich des glockenförmigen Abschnitts des Innentubus angeordnet sein können. Dann kann vorteilhafterweise weiter vorgesehen sein, das Gehäuse und den Innentubus aus nichtleitendem und/oder nichtmagnetisierbarem Material auszubilden. Es kann alternativ vorgesehen sein, auf Mittel zur Felderzeugung zu verzichten und die Vorrichtung im irdischen Magnetfeld auszurichten.

1: Vorrichtung zum Mischen
10: Gehäuse
10f: Fußsektion
10fa: Ablaßstutzen
10h: Hauptsektion
10k: Kopfsektion
10ke: Einfüllstutzen
10kv: Anschlußstutzen für Vakuumpumpe
10l: Leiteinrichtung
10u: Umlenkschaufel
10v: Verbindung
11: Innentubus
11la: äußere Leiteinrichtung
11li: innere Leiteinrichtung
12: Vakuumpumpe
12v: Dreiwegeventil
13: Destillationsanlage
13v: Absperrventil
14: Rotor
14a: Aufnahme für Rotorschaufel 14s
14b: Rotorblatt
14k: Kavitationszone
14s: Rotorschaufel
14v: Verbindungselement
15: Motor
16: Sammelbehälter
16v: Absperrventil
17: Vorratsbehälter
17d: Dosierpumpe
17v: Dreiwegeventil
18: Sprühvorrichtung
18': Sprühvorrichtung
19: Druckgasbehälter
19r: Gasdruckregler
20: Füllstandssensor
30a: äußerer Flüssigkeitswirbel
30i: innerer Flüssigkeitswirbel
51: Innentubus

Claims

Vorrichtung zum intensiven Mischen einer Flüssigkeit und mindestens eines festen oder flüssigen Additivs zu einer Dispersion, mit einem geschlossenen Gehäuse (10) und einer im Gehäuse (10) angeordneten antreibbaren saugenden Umwälzeinrichtung, welche die Dispersion in eine rotierende Umwälzbewegung versetzt, mit einem Rotor (14) mit mehreren Rotorblättern (14b), wobei in dem geschlossenen Gehäuse (10) ortsfest ein bei der Umwälzbewegung von Dispersion durchströmter Innentubus (11, 51) angeordnet ist, der an seinem oberen Ende einen erweiterten Eintrittsabschnitt und an seinem unteren Ende einen erweiterten Austrittsabschnitt aufweist, wobei im oberen Abschnitt des Gehäuses (10) Umlenkschaufeln (10u) angeordnet sind, die in den Eintrittsabschnitt des Innentubus (11, 51) hineinragen und im unteren Abschnitt des Gehäuses (10) im Bereich des Austrittsabschnitts des Innentubus (11, 51) der Rotor (14) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Innenraum des Innentubus (11, 51) ein Austrittsende einer Sprühvorrichtung (18, 18') angeordnet ist; und daß der Rotor (14) in einem radial außenliegenden Abschnitt Verlängerungen aufweist, die um den erweiterten Austrittsabschnitt des Innentubus (11, 51) herumgreifen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen des Rotors (14) als Rotorschaufeln (14s) ausgebildet sind, die in den Ringraum zwischen der Außenwandung des glockenförmigen Abschnitts des Innentubus (11, 51) und der Innenwandung des Gehäuses (10) hineinragen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (14s) am Rotor (14) einstellbar und/oder austauschbar befestigt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkanten der Rotorblätter (14b) messerförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintrittsabschnitt des Innentubus (11, 51) trichterförmig erweitert ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittsende der Sprühvorrichtung (18, 18') innerhalb des Innentubus (11, 51) vorzugsweise in dem Innenraum des vorzugsweise glockenförmigen Austrittsendes des Innentubus (11, 51) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittsende der Sprühvorrichtung (18, 18') als ein im Bereich der Nabe des Rotors (14) angeordneter Sprühkopf ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühvorrichtung (18, 18') eine axial im Rotor geführte Zuleitung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühvorrichtung (18, 18') als Zuleitung ein Kapillarrohr aufweist, das in der Mittelachse des Innentubus (11, 51) angeordnet ist, wobei das Austrittsende des Kapillarohrs im unteren Ende des oberen Drittel des Innentubus (11, 51) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Austrittsende der Sprühvorrichtung (18, 18') als Ringdüse ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprühvorrichtung (18, 18') mit einem Vorratsbehälter (17) für das Additiv verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß schraubenlinienförmige und/oder flächige Leiteinrichtungen (10l, 11la, 11li) an der Innenwandung des Gehäuses (10) und/oder an der Außenwandung des Innentubus (11, 51) und/oder an der Innenwandung des Innentubus (11, 51) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Innenwandung des Gehäuses (10) und die an der Innenwandung des Innentubus (11, 51) angeordneten schraubenlinienförmige Leiteinrichtungen (10l, 11li) eine Gangrichtung aufweisen, die gleichsinnig oder gegensinnig zur Gangrichtung der an der Außenwandung des Innentubus angeordneten schraubenlinienförmgen Leiteinrichtung (11la) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangrichtung der an der Innenwandung des Innentubus angeordneten schraubenlinienförmigen Leiteinrichtung (111i) dem in dem Innentubus (11, 51) von oben nach unten fließenden Dispersionsstrom folgt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangrichtung der schraubenlinienförmigen Leiteinrichtung (111i) so ausgebildet ist, daß die Drehrichtung des Rotors (14) der Drehrichtung des in dem Innentubus (11, 51) fließenden Dispersionsstroms entgegengesetzt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) mit einer Vakuumpumpe (12) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Endabschnitt des Gehäuses (10) dem Rotor (14) gegenüberliegend einen Anschlußstutzen (10kv) für die Vakuumpumpe (12) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein im oberen Abschnitt des Gehäuses (10) angeordneter Einfüllstutzen (10ke) mit einer Niederdruckdestillationsanlage (13) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Niederdruckdestillationsanlage (13) um eine Anlage zur Niederdruckdestillation von Wasser handelt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuleitungen und/oder in den Ableitungen des Gehäuses (10) Sensoren angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zuleitungen und/oder in den Ableitungen des Gehäuses (10) Durchflußsensoren angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Gehäuse (10) ein Füllstandssensor (20) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse oder ein Teil des Gehäuses, vorzugsweise der untere Abschnitt des Gehäuses (10) von einer Einrichtung umgeben ist, die ein Magnetfeld und/oder ein elektrisches Feld und/oder ein elektromagnetisches Feld ausbildet.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der untere Abschnitt des Gehäuses (10) und/oder des Innentubus (11, 51) elektrisch nichtleitend und/oder nichtmagnetisierbar ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung im Magnetfeld der Erde ausrichtbar montiert ist.
Verfahren zur Herstellung einer Nano-Dispersion aus einer Flüssigkeit und mindestens einem festen oder flüssigen Additiv, vorzugsweise unter Einsatz einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die so gebildete Dispersion in einem geschlossenen rotationssymmetrischen Gehäuse (10), das einen rotationssymmetrischen Innentubus (11, 51) aufweist, mit einer mit einem Rotor (14) ausgebildeten Umwälzeinrichtung in einem Kreislauf im Innern des Innentubus (11, 51) in einem rotierenden Wirbel von oben nach unten fließend und im Zwischenraum zwischen Außenwandung des Innentubus (11, 51) und Innenwandung des Gehäuses (10) in einem rotierenden Wirbel mit umgekehrter Drehrichtung von unten nach oben fließend umgewälzt wird, wobei die Dispersion in einem ersten Kreislaufabschnitt, in der sie mit einem ersten Abschnitt des Rotors (14) zusammenwirkt, homogenisiert wird, wobei die Drehzahl des Rotors (14) so eingestellt ist, daß die Cluster-Strukturen des Additivs und/oder der Trägerflüssigkeit im wesentlichen durch Kavitation aufgebrochen werden, wobei die Drehrichtung der Dispersion in einem stromabwärts folgenden zweiten Kreislaufabschnitt umgekehrt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv im ersten Kreislaufabschnitt oder in dem stromaufwärts benachbarten Kreislaufabschnitt unter Druck aus einem im Innenraum des Innentubus (11, 51) angeordneten Austrittsende einer Sprühvorrichtung (18, 18') eingesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Rotors (14) und/oder der Gasdruck über der Dispersion und/oder die Temperatur der Dispersion eingestellt und/oder geregelt werden bzw. wird.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt des Rotors (14) eine mittlere Umfangsgeschwindigkeit von > 50 m/s aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dritten Kreislaufabschnitt stromaufwärts vor dem ersten Kreislaufabschnitt über dem Flüssigkeitsspiegel Unterdruck angelegt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv mit einer Dosiervorrichtung bereitgestellt und sodann mittels eines unter Überdruck stehenden Treibgases eingesprüht wird.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgas ein Inertgas verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß das Treibgas Stickstoff ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Flüssigkeit um bei Niedrigtemperatur destilliertes Wasser handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit vor dem Einfüllen in das Gehäuse (10) temperiert wird.