DE102007052642A1

DE102007052642A1 - Steuerung einer Cavitator-Anlage

Info

Publication number: DE102007052642A1
Application number: DE102007052642A
Authority: DE
Inventors: Manfred Wagner; Manfred Lorenz Locher; Elmar Huymann
Original assignee: Individual
Current assignee: Cavitatorsystems Mediale Mischsysteme & A De GmbH
Priority date: 2007-07-30
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-11-06
Also published as: DE102007052642B4; ES2386318T3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit dessen Hilfe ein Cavitator bzw. eine Cavitator-Anlage, die auch mehrere Cavitatoren umfassen kann, einem Wechsel der Betriebsbedingungen, insbesondere variierenden Durchflussmengen und Produktparametern, angepasst, insbesondere automatisch angepasst werden kann, mit einer Cavitator-Strecke, die einen Cavitator oder mehrere parallel geschaltete Cavitatoren aufweist, wobei ein Mindest-Druckabfall über der Cavitator-Strecke unter Berücksichtigung der Eigenschaften, insbesondere der Temperatur, des zu verarbeitenden Fluids ermittelt wird, und bei Unterschreiten des Mindestdruckabfalls ein Teilstrom vom Ende der Cavitator-Strecke im Kreislauf über eine Rückführstrecke vor den Beginn der Cavitator-Strecke zurückgeführt wird, sowie eine entsprechende Vorrichtung.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft einen hydrodynamischen Kavitationsmischer.
II. Technischer Hintergrund
Bekanntermaßen wird mit derartigen Mischern eine Suspension oder Emulsion mit geringem Aufwand und ohne mechanisch angetriebene Teile hergestellt, indem in der dahinströmenden Flüssigkeit zunächst dampfgefüllte Gasblasen erzeugt werden, die anschließend implosionsartig wieder zusammenbrechen.
Wenn dieses Zusammenbrechen einer großen Anzahl von Blasen, der so genannten Kavitationsblasen, in der Nähe der Grenzfläche zwischen zwei Phasenbereichen, also etwa großen Gasblasen in Wasser, geschieht, wird dadurch die zweite Komponente, in diesem Fall die Gasblasen, in kleinere Einheiten zerrissen und dadurch eine sehr feine Vermischung der beiden Komponenten und damit ein sehr stabiles Gas-Wassergemisch erzeugt.
Die Erzeugung der Kavitationsblasen geschieht in einer strömenden Flüssigkeit durch einen Abfall des statischen Druckes unter den Dampfdruck der Flüssigkeit, wodurch sich dampfgefüllte Gasblasen bilden, z. B. aufgrund einer Stromeinengung.
Wenn anschließend der statische Druck durch eine Aufweitung des Strömungsquerschnitts wieder zunimmt und der statische Druck wieder den Dampfdruck übersteigt, brechen die Gasblasen zusammen.
Die Einengung und anschließende Aufweitung des Strömungsquerschnitts kann erreicht werden, indem in einer Durchflusskammer ein Hinderniskörper angeordnet wird, wobei der verbleibende Spalt z. B. zwischen Hinderniskörper und umgebendem Gehäuse der Durchflusskammer die Engstelle bildet.
Durch mehrfache Anordnung solcher Hinderniskörper hintereinander, aus Platzgründen vorzugsweise in Form von quer zur Strömungsrichtung stehenden Scheiben, wird der Kavitationseffekt vervielfacht, besondern indem in Strömungsrichtung die Ringspaltfläche von einer Scheibe zur nächsten jeweils abnimmt.
Zusätzlich entstehen dabei zu dem ersten, sich im Ringspaltbereich ausbildenden, Kavitationsfeld ergänzende Kavitationsfelder in den durchströmbaren Hohlräumen zwischen den Hinderniskörpern, und durch die räumliche Überlagerung der einzelnen Kavitationsfelder entsteht ein so genanntes Super-Kavitationsfeld, was eine Vervielfachung der Kavitationswirkung jedes einzelnen Kavitationsfeldes bewirkt.
Der statische Druck, dessen Unterschreitung zum Kavitationseffekt, wird bei Wasser Null oder negativ, wenn die Strömungsgeschwindigkeit einen bestimmten, von Umgebungsbedingungen abhängigen Wert von beispielsweise etwa 14 m/s an den Abrisskanten der Hinderniskörper überschreitet.
Derartige Cavitatoren werden beispielsweise in Betrieben zur Mineralwasserabfüllung oder Limonadenherstellung benutzt, um entweder das zugesetzte CO₂ möglichst vollständig im Wasser zu binden, und/oder auch den zugesetzten Limonaden-Grundstoff (Sirup).
Dabei treten in der Praxis vor allem zwei Probleme auf:
Zum einen kann sich die pro Zeiteinheit angelieferte und zu verarbeitende Menge des Produktes, also vor allem der Hauptkomponenten des Getränkes, stark ändern, abhängig von dem Betriebszustand der vorgelagerten Anlagenteile oder auch der Verfügbarkeit.
Des Weiteren können sich z. B. durch Produktwechsel dessen Eigenschaften ändern, beispielsweise dessen Temperatur, Viskosität, Anlieferungsdruck usw..
Um bei solchen wechselnden Bedingungen dennoch zuverlässig im Cavitator den Kavitationseffekt zu bewirken, muss eine bestimmte Mindest-Fließgeschwindigkeit, insbesondere in den Durchflussspalten bei den Hinderniskörpern, erreicht oder überschritten werden, die jedoch von den genannten Umgebungsbedingungen abhängt.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe ein Cavitator bzw. eine Cavitator-Anlage, die auch mehrere Cavitatoren umfassen kann, einem Wechsel der Betriebsbedingungen, insbesondere variierende Durchflussmengen und Produktparameter, angepasst, insbesondere automatisch angepasst werden kann.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1, 2, 3, 26, 28, 30 und 31 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Da der zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Cavitators feststellbare Druckabfall mit der Fließgeschwindigkeit im Cavitator und insbesondere mit der Fließgeschwindigkeit an den Hindernis-Körpern, also in den Engstellen des Cavitators, korreliert, kann der Cavitator aufgrund des an der Cavitator-Strecke ge messenen Druckabfalls gesteuert werden. Die Cavitator-Strecke kann aus einem oder mehreren, in diesem Fall dann in der Regel parallel geschalteten, Cavitatoren bestehen.
Zunächst muss ein Mindest-Druckabfall festgelegt werden, der an der Cavitator-Strecke auftreten muss, damit innerhalb des Cavitators tatsächlich Kavitation und damit der gewünschte Effekt der Durchmischung auftritt.
Wie hoch dieser Mindest-Druckabfall sein muss, hängt von einer Vielzahl von Randbedingungen ab, einerseits von Bauform und Größe des Cavitators, andererseits aber auch von Umgebungsbedingungen wie den physikalischen Eigenschaften des mit dem Cavitator zu behandelnden Fluids oder zumindest seiner Hauptkomponente im Fall von Mischungen, z. B. der Temperatur, Viskosität und dem Druck, mit dem das zu bearbeitende Fluid angeliefert wird.
Wenn nun der Druckabfall während des Betriebes unter den vorgegebenen Mindest-Druckabfall sinkt, wird am Ausgang der Cavitator-Strecke ein Teilstrom vom Hauptstrom abgezweigt und im Kreis zur Hauptstrecke vor dem Beginn der Cavitator-Strecke zurückgeführt und diesem erneut zugeführt, wodurch die der Cavitator-Strecke zugeführte Menge pro Zeiteinheit künstlich erhöht wird, um das Auftreten von Kavitation sicherzustellen.
Im Detail kann die hierfür notwendige Steuerung unterschiedlich ausgeführt werden:
So kann beispielsweise bei Unterschreiten des Mindest-Druckabfalles immer ein feststehender, bestimmter Anteil des Hauptstromes im Kreis zurückgeführt werden, beispielsweise immer 50% des Hauptstromes.
Besser ist es jedoch, den zurückgeführten Teilstrom hinsichtlich seiner Größe variieren zu können, beispielsweise stufenweise oder auch kontinuierlich, was durch ein in die Rückführleitung eingebautes Regelventil leicht zu realisieren ist. Dadurch kann erreicht werden, dass der auftretende Druckabfall immer knapp ober halb des vorgegebenen Mindest-Druckabfalls liegt und damit Kavitation auftritt.
Ein deutliches Ansteigen des Druckabfalls über diesen Mindestwert bringt kaum einen effektiven Nutzen, da die dann auftretende Kavitation quantitativ kaum größer wird, also die Vermischung kaum verbessert wird. Dagegen treten mit Rückführung eines erheblichen oder gar großen Teil des Hauptstromes andere Probleme auf:
Durch die mehrfache Behandlung im Cavitator wird die Temperatur des zu behandelnden Mediums erhöht, was für viele Anwendungen von Nachteil ist. Ebenso wird das zu behandelnde Fluid dadurch nicht nur einfach, sondern mehrfach den im Cavitator auftretenden Belastungen unterworfen, beispielsweise hohen Scher-Kräften, was je nach zu behandelnden Fluid von Nachteil sein kann.
Eine besonders einfache Art, den Anteil des zurückgeführten Teilstromes stufenweise zu erhöhen, besteht darin, die Leitung in mehrere parallele Arme aufzuspalten und in jedem dieser Arme ein einfaches Sperr-Ventil einzubauen, die wesentlich kostengünstiger und einfacher anzusteuern sind als ein Regelventil.
Durch Sperren von mehreren oder wenigeren dieser Sperrventile und damit der Teiläste der Rückführleitung kann der zurückgeführte Anteil des Hauptstromes variiert werden.
Die Rückführung des Teilstromes erfolgt zu einem Punkt vor der den Arbeitsdruck für den Cavitator zur Verfügung stellenden Pumpe, so dass der zurückgeführte Teilstrom mittels dieser Pumpe wiederum auf den gewünschten Arbeitsdruck gebracht wird.
Sofern der Cavitator als Mischer eingesetzt wird, erfolgt die Rückführung auch zu einem Punkt vor dem Mischpunkt der zugeführten Komponenten in die Hauptkomponente.
Üblicherweise wird der Druckabfall kontinuierlich gemessen und die Ergebnisse der Druckmessung einer Steuerung zugeführt, die den Durchfluss durch die Rückführstrecke regelt. Eine besonders einfache Steuerung die dies bietet, ist ein einfacher Differenzdruckregler. In der Regel wird jedoch eine komplexere Steuerung verwendet, die zusätzlich andere Steuerungsfunktionen mit übernehmen kann.
So können beispielsweise neben dem auftretenden Druckabfall auch unmittelbar die interessierenden physikalischen Eigenschaften des Produktes, beispielsweise Temperatur, Viskosität etc. gemessen werden und ebenso der Druck, vorzugsweise der Druck nach der Pumpe, also der Arbeitsdruck am Eingang in den Cavitator. Da der Druckabfall ohnehin ermittelt wird durch Bestimmung der Drücke vor und hinter dem Cavitator, ist einer dieser Einzeldrücke bereits der Druck am Eingang in den Cavitator.
Falls die Cavitator-Strecke nicht nur einen, sondern mehrere parallel geschaltete Cavitatoren umfasst, kann die Anpassung an einen zu geringen Durchfluss auch dadurch geschehen, dass – wiederum nach vorheriger Festlegung eines Mindest-Druckabfalles über der Cavitator-Strecke – im Falle der Unterschreitung wenigstens ein Cavitator oder der Reihe nach mehrere Cavitatoren deaktiviert, also verschlossen werden, bis über die Cavitator-Strecke mit den restlichen im Betrieb befindlichen Cavitatoren, also mindestens einem in Betrieb befindlichen Cavitator, der Mindest-Druckabfall erreicht wird.
Wenn die Cavitator-Strecke zwei oder mehrere gleich dimensionierte Cavitatoren umfasst, wird bei Unterschreiten des Mindest-Druckabfalls einer nach dem anderen dieser Cavitatoren der Reihe nach stillgelegt, bis nur noch ein Cavitator betrieben wird.
Wenn die Cavitatoren einer Cavitator-Strecke dagegen unterschiedlich groß dimensioniert sind, ist die Vorgehensweise eine andere:
Sofern der Ausgangszustand darin bestand, dass alle Cavitatoren der Strecke aktiviert waren und dann der Druckabfall unter den Mindest-Druckabfall sinkt, so wird zunächst der kleinste Cavitator stillgesetzt.
Wenn dies nicht ausreichend ist, wird der kleinste Cavitator aktiviert und stattdessen der nächst größere Cavitator deaktiviert usw., bis der Mindestdruckabfall erreicht ist.
Sollte dies mit dem Stilllegen eines einzigen Cavitators nicht erreichbar sein, so wird der größte einzelne Cavitator deaktiviert belassen und mit den verbleibenden aktivierten Cavitatoren der gleiche Durchlauf fortgesetzt und so fort, bis zum Schluss zwei oder auch mehrere Cavitatoren stillgesetzt sind. Auf diese Art und Weise wird der Mindest-Druckabfall knapp überschritten ohne zu stark anzusteigen, was lediglich hohe Energieverluste bedeutet.
Auf diese Art und Weise kann beispielsweise mit drei unterschiedlich großen Cavitatoren bereits eine sehr gute Steuerung der Cavitator-Anlage durchgeführt werden.
Vorzugsweise verhalten sich die einzelnen, jeweils nächst größeren Cavitatoren zueinander immer im gleichen Größenverhältnis, beispielsweise 1:2 oder 1:4.
Sofern ein Betrieb mit einem oder mehreren stillgelegten Cavitatoren erfolgt, wird nach einem vorgegebenen Zeitraum – sofern dies aufgrund gleicher Dimensionierung der Cavitatoren möglich ist – der stillgelegte Cavitator gewechselt, um ein zu langes Stehen des zu bearbeitenden Mediums im stillgelegten Cavitator zu vermeiden, was dort die Möglichkeit für unerwünschte Keimbildung erhöhen würde.
Im umgekehrten Fall werden bei einer Cavitator-Strecke, bei der momentan nicht alle Cavitatoren im Betrieb sind, dann zusätzliche Cavitatoren aktiviert, wenn der momentane Druckabfall um mehr als 30%, insbesondere um mehr als 50% über dem vorgegebenen Mindest-Druckabfall liegt. Dadurch wird ein zu hoher Energieverlust und zu hohe Scherbelastungen auf das Medium vermieden.
Zur Stilllegung eines Cavitators werden sowohl die Zufuhrleitung und insbesondere auch die Abfuhrleitung, also vor und hinter dem Cavitator, separat gesperrt.
Dies verhindert die Migration von Verkeimungen in und aus dem Cavitator, aber auch Druckschläge aus dem aktivierten Bereich der Cavitator-Strecke in den stillgelegten Cavitator hinein.
Wenn ferner der Cavitator oder die Cavitatoren einer Cavitator-Strecke hinsichtlich der Spaltgröße – also der Größe des wirksamen Spaltes zwischen Hinderniskörpern und äußerem Gehäuse des Cavitators zum Erzeugen der Kavitation – veränderbar ist, kann eine Steuerung und Anpassung an schwankendem Durchfluss auch durch Veränderung der Spaltgröße erfolgen.
In der Regel sind die Hinderniskörper axial hintereinander im Abstand angeordnete, scheibenförmige Körper, die auf einer axial verlaufenden Stange angeordnet sind. Zur Verstellung der Spaltgröße wird in der Regel nicht jeder einzelne Hinderniskörper in seiner Axialposition innerhalb des meist konisch zulaufenden äußeren Gehäuses verschoben, sondern die axiale Stange und mit ihm alle Hinderniskörper, also das gesamte Hindernis-Bäumchen.
Eine besonders einfache Ansteuerung ist dadurch möglich, dass das Hindernisbäumchen lediglich zwischen zwei Endstellungen hin und her verstellt werden kann, was auf einfache Art und Weise mittels eines Druckluft-Zylinder erfolgen kann.
Eine feinere Regelungsmöglichkeit ist gegeben, wenn die axiale Verstellung in mehreren Stufen oder gar stufenlos erfolgen kann, wofür das Bäumchen beispielsweise mittels eines Servomotors bewegt werden muss.
Vor allem die kontinuierliche Verstellung der Spaltgröße wird dann in direkter Abhängigkeit von dem aktuell gemessenen Druckabfall über der Cavitator-Strecke durchgeführt, so dass der erforderliche Mindest-Druckabfall gerade eben erreicht wird.
Bei einem Cavitator, dessen Spaltbreite nur zwischen zwei Stellungen variiert werden kann, wird bei eingestellter großer Spaltbreite auf die kleinere Spaltbreite umgeschaltet, sobald der Mindest-Druckabfall unterschritten wird. Umgekehrt wird von kleiner auf große Spaltbreite umgestellt, sobald der Mindest-Druckabfall um mehr als 20% überschritten wird.
Der Mindest-Druckabfall wird dabei so festgelegt, dass beispielsweise bei Wasser als zu verarbeitenden Produkt, beziehungsweise einem Produkt, dessen Hauptkomponente Wasser ist, bei einer Verarbeitungstemperatur von 20°C mit Abweichungen von +/–2°C eine Fließgeschwindigkeit von mindestens 15 m pro Sekunde im Cavitator, insbesondere an allen Engstellen im Cavitator, erreicht oder überschritten wird. Dies entspricht z. B. einem Mindest-Druckabfall von 4,0 bar über der Cavitator-Strecke.
Eine Cavitator-Anlage kann nun mehrere Beeinflussungsmöglichkeiten gleichzeitig aufweisen:
Wenn die Anlage einerseits eine Rückführungsleitung besitzt und andererseits die Cavitatoren hinsichtlich der Spaltbreite veränderbar sind, werden bei einem Absinken des Druckabfalls unter den Mindest-Druckabfall zunächst der Reihe nach mehrere bis zu allen Cavitatoren der Cavitator-Strecke von einem großen Spalt auf einen kleinen Spalt reduziert, wenn nur zwei Stellungen der Spaltbreite möglich sind.
Sofern eine gestufte mehrfache Variation möglich ist, wird die Spaltbreite zunehmend abgesenkt, vorzugsweise in allen Cavitatoren der Strecke parallel, bis der Mindest-Druckabfall erreicht ist.
Sollte die Veränderung der Spaltbreite hierfür nicht ausreichen, wird in einem zweiten Schritt zusätzlich die Rückführung zunehmend geöffnet, bis auf diese Art und Weise durch beide Beeinflussungsverfahren gemeinsam der Mindest-Druckabfall erreicht wird.
Wenn die zur Verfügung stehende Cavitator-Anlage außer Rückführleitung und der Verstellung der Spaltbreite über eine Cavitator-Strecke mit mehreren parallel gestalteten Cavitatoren verfügt, die einzeln aktiviert und deaktiviert werden können, so ist das Abschalten eines oder nacheinander mehrerer Cavitatoren die primär gewählte Beeinflussungsmöglichkeit für den Druckabfall, und erst wenn dies nicht ausreicht, wird zusätzlich die Spaltbreiten-Verringerung und die Erhöhung des Rückführanteils – in dieser Reihenfolge – zusätzlich benutzt.
Eine Alternative zu dieser Steuerungs-Priorität liegt darin, als erste Maßnahme die Spaltbreite bei allen noch durchgängigen Cavitatoren der Cavitator-Strecke zu verringern, und erst falls dies nicht ausreicht, einzelne oder mehrere Cavitatoren zu deaktivieren. Auch hier ist die letzte Beeinflussungsstufe die Erhöhung des Rückführanteils durch die Rückführleitung.
Der Rückfluss durch die Leitung wird im Praxisbetrieb nie vollständig geschlossen, um Ablagerungen und Verkeimungen in der Leitung zu vermeiden. Ein Rückführanteil von mindestens 2%, besser 5% des Hauptstromes ist hierfür ausreichend.
Eine Cavitator-Anlage zur Realisierung der zuvor beschriebenen Beeinflussungsmöglichkeiten weist somit folgende Elemente auf:

– Eine Cavitator-Strecke mit mehreren, parallel zueinander geschalteten Cavitatoren, die einzeln und unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dabei können die Cavitatoren sowohl vollständig abgeschaltet werden, als auch im geöffneten Zustand ihre Spaltenbreite wenigstens zwischen einer großen und einer kleinen Spaltenbreite, vorzugsweise stufenlos, verstellt werden,
– eine Pumpe in der Zufuhrleitung zur Cavitator-Strecke, um den für die Funktion der Cavitatoren notwendigen Druck aufzubringen,
– eine Messvorrichtung, die den Differenzdruck zwischen zwei Messpunkten vor und nach der Cavitator-Strecke und damit den Druckabfall über der Cavitator-Strecke misst,
– und – falls der Cavitator als Mischer betrieben wird – eine Einspeiseleitung für die zuzuführende zweite Komponente der Mischung, wobei die Leitung in der Haupt-Strecke der Cavitator-Anlage vor der Pumpe mündet,
– eine Steuerung, die die Signale der Differenzdruckmessvorrichtung als Input verwendet und in Abhängigkeit davon sowohl die einzelnen Cavitatoren ansteuert, also schließt oder öffnet, und im geöffneten Zustand die Spaltenbreite variiert.

Dabei können die Spaltbreiten innerhalb eines Cavitators an den einzelnen Hindernis-Körpern in der Regel nur gemeinsam verstellt werden, beispielsweise durch axiales Verschieben des gesamten, vom Außenumfang her konischen, Hindernis-Bäumchen ins ebenfalls konische Gehäuse des Cavitators.
Wenn die Hauptleitung zusätzlich eine Rückführleitung von einem Punkt hinter der Cavitator-Strecke zurück zu einem Punkt vor der Cavitator Strecke, insbesondere vor der Pumpe der Cavitator Strecke, aufweist, deren Durchsatz mit Hilfe eines Regelventil gesteuert werden kann, kann der Anteil des über die Rückleitung zurückgeführten Teilstromes von der Steuerung ebenfalls abhängig von dem Druckabfall über der Cavitator-Strecke gesteuert werden.
Zum Absperren, also Deaktivieren, der einzelnen Cavitatoren in der Cavitator-Strecke besitzt jeder Cavitator vorzugsweise Sperrventile sowohl vor als auch hinter dem Cavitator, um Rückschläge und Verunreinigungen in bzw. aus dem stillgelegten Cavitator zu verhindern.
Die Messpunkte, die für die Messvorrichtung, welche die Druckdifferenz über der Cavitator-Strecke misst, befinden sich einerseits zwischen dem Ende der Cavitator-Strecke und der Abzweigung zur Rückführung, also noch auf der unverzweigten Hauptstrecke hinter dem Cavitator und andererseits zwischen der Pumpe und dem Eingang in die Cavitator-Strecke, um den vollen anfänglichen Arbeitsdruck zur Cavitator-Strecke hin zu erfassen.
Das Regelventil in der Rückführleitung ist vorzugsweise nahe dem Ende der Rückführleitung, also dem Mündungspunkt im Hauptstrang, angeordnet.
Sofern eine Einspeiseleitung für eine zweite Komponente vorhanden ist, befindet sich diese hinsichtlich ihrer Mündung im Hauptstrang zwischen der Mündung der Rückführleitung und der Pumpe, besitzt vorzugsweise jedoch eine Querverbindung zur Rückführleitung, die stromaufwärts des Regelventiles in der Einspeiseleitung mündet.
c) Ausführungsbeispiele
Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: Eine erfindungsgemäße Cavitator-Anlage, und
2: einen dabei verwendeten Cavitator.
1 zeigt eine Cavitator-Anlage, bei dem in der Haupt-Durchflussrichtung 10 ein zu bearbeitendes Fluid, meist Wasser oder ein Produkt, dessen Hauptkomponente Wasser ist, zugeführt und über eine Cavitator-Strecke 1 geleitet wird, die aus ein oder mehreren, in diesem Fall zwei gleichen, parallel geschalteten Cavitatoren 1a, b besteht.
Damit in den Cavitatoren der gewünschte Kavitationseffekt auftritt, wird das zu bearbeitende Fluid durch eine Pumpe 4, die vor der Cavitator-Strecke 1 im Hauptstrang angeordnet ist, auf den dafür erforderlichen Druck gebracht, der abhängig von den physikalischen Eigenschaften des zu bearbeitenden Fluids und weiterer Parameter ist.
Im vorliegenden Fall wird die Cavitator-Anlage als Mischer eingesetzt, weshalb dem in Hauptdurchflussrichtung 10 strömenden Fluid über eine Einspeiseleitung 17 eine zweite Komponente, in diesem Falle CO₂, zugeführt wird.
Die Einspeiseleitung mündet im Hauptstrang in einem Mischpunkt 5, der stromaufwärts der Pumpe 4 mündet, damit das komplette Gemisch der Druckerhöhung durch die Pumpe 4 zugeführt wird.
Von der Hauptdurchflussrichtung 10, also dem Hauptstrang, zweigt nach der Cavitator-Strecke 1 eine Rückführleitung 3 am Punkt 3a ab und führt einen Teilstrom 2 des Hauptstromes 2 im Kreis wieder zurück zur Hauptstrecke an einen Punkt 3b, der stromaufwärts der Pumpe 4 und auch stromaufwärts des Mischpunktes 5 für die zweite Komponente liegt.
Diese Rückführung, also eine Kreisführung, dient lediglich dazu, bei in Hauptdurchflussrichtung gering angelieferten Mengen an zu bearbeitendem Fluid pro Zeiteinheit die notwendige Mindestdurchflussmenge durch die Cavitator-Strecke 1 aufrechtzuerhalten, die notwendig ist, um den für die Funktion der Cavitatoren notwendigen Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke zu erzielen.
Zu diesem Zweck wird der Druckabfall über der Cavitator-Strecke von einer Differenzdruck-Messvorrichtung 15 gemessen, die Ihre Ergebnisse an eine Steuerung 6 weitergibt, welche mit der Differenzdruck-Messvorrichtung auch funktionsvereinigt sein kann.
Diese Steuerung 6 steuert das in der Rückführleitung 3 angeordnete Stellventil 7, welches ein Regelventil ist und den Durchfluss durch die Rückführleitung 3 stufenlos steuern kann.
Die Druck-Messpunkte 16a, b liegen einerseits zwischen der Pumpe 4 und dem Eingang in die Cavitator-Strecke 1 und andererseits zwischen der Cavitator-Strecke 1 und dem Abzweigungspunkt 3a der Rückführstrecke 2a.
Ferner wird ergänzend mittels Durchflussmessern 21a, b der Durchfluss einerseits im Hauptstrang 10 stromaufwärts des Punktes 3b, in dem die Rückführstrecke 2a mündet, und andererseits in der Einspeiseleitung 17 gemessen und der Steuerung 6 zur Verbesserung des Regelverhaltens zur Verfügung gestellt.
Das Regelventil 7 sitzt vorzugsweise nahe des Mündungspunktes 3b der Rückführleitung im Hauptstrang 10.
Ferner kann jeder der parallel geschalteten Cavitatoren 1a, b der Cavitator-Strecke 1 durch vor und hinter dem jeweiligen Cavitator 1a angeordneten Sperrventile 18a, b separat stillgelegt, also verschlossen, werden.
Auch diese Sperrventile 18a, b bei jedem Cavitator 1a, b ... werden von der Steuerung 6 angesteuert, so dass jeder einzelne Cavitator aktivierbar und deaktivierbar ist.
Hierfür wäre bei jedem einzelnen Kavitator auch nur ein einzelnes Sperrventil ausreichend, jedoch soll durch die beiden Sperrventile verhindert werden, dass einseitig durchmischte Flüssigkeit und damit Keime oder auch Druckschläge von dem Hauptstrang aus auf den stillgesetzten Cavitator einwirken.
Ferner ist bei jedem Cavitator 1a, b das – in 2 näher dargestellte – Hindernisbäumchen 12 mit den daran befestigten Hinderniskörpern 14a, b in Axialrichtung 10 des Cavitators zwischen zwei Endstellungen mittels eines Druckluftzylinders 13 verschiebbar, wodurch aufgrund der konischen Gestaltung sowohl des Hindernisbäumchens als auch des umgebenden Cavitatorgehäuses die Spaltbreite 11 von großer auf kleiner Spaltbreite und umgekehrt verstellt werden kann.
Auch die diese Verstellung bewirkenden Druckluftzylinder 13a, b werden von der Steuerung 6 aus angesteuert.
Die Messpunkte für die Differenzdruckmessung durch die Messvorrichtung 15 liegen stromabwärts der Cavitator-Strecke 1 zwischen dem Ende der Cavitator- Strecke 1 und der Abzweigung 3a für die Rückführung 3 und stromaufwärts der Cavitator-Strecke 1 zwischen der Pumpe 4 und der Cavitator-Strecke 1.
Zwischen der Einspeiseleitung 17 für die zweite Komponente und der Rückführleitung 3 besteht ferner eine Verbindungsleitung 19, die in der Einspeiseleitung 17 zwischen dem Dosierventil 20 und dem Mischpunkt 5 mit dem Hauptstrang abzweigt.
Diese Verbindungsleitung sowie die weiteren in Einspeiseleitung und Verbindungsleitung 19 enthaltenen Ventile dienen sowohl in der Einspeiseleitung als auch in der Rückführleitung zu Reinigungszwecken.
Auch das Dosierventil 20 in der Einspeiseleitung 17, welche die Zufuhr an zweiter Komponente regelt, kann vorteilhafterweise direkt ebenfalls von der vorhandenen Steuerung 6 gesteuert werden.
Damit steuert eine Steuerung 6 die drei hier wesentlichen Beeinflussungsmöglichkeiten für den Druckabfall über der Cavitator-Strecke, der für eine einwandfreie Funktion und Aufbringung des Kavitationseffektes nicht unter einen für jeden Einzelfall der anlagespezifischen Mindest-Druckabfall sinken soll:

– Einerseits das Zu- und Abschalten einzelner Cavitatoren 1a, b der Cavitator-Strecke 1,
– andererseits das zunehmende Öffnen oder Schließen der Rückführstrecke 3 und damit des vom Hauptstrom zurückgeführten Teilstromes 2a, und
– Vergrößern oder Verkleinern der Spaltbreite in den einzelnen Cavitatoren, in diesem Fall durch Umschalten von großer auf kleiner Spaltbreite und zurück separat und unabhängig für jeden einzelnen Cavitator 1a, b ....

1: Cavitator-Strecke
1a, b: Cavitator
2: Hauptstrom
2a: Teilstrom
3: Rückführstrecke
3a, b: Punkt
4: Pumpe
5: Mischpunkt
6: Steuerung
7: Stellventil
8: Zufuhrleitung
9: Abführleitung
10: Durchflussrichtung
11: Spaltbreite
12: Hindernisbäumchen
13: Druckluftzylinder
14a, b: Hinderniskörper
15: Differenzdruckmessvorrichtung
16a, b: Messpunkte
17: Einspeiseleitung
18a, b: Sperrventile
19: Verbindungsleitung
20: Dosierventil
21a, b: Durchflussmesser

Claims

Verfahren zur Durchflussanpassung einer Cavitator-Anlage mit einer Cavitator-Strecke (1), die einen Cavitator (1a) oder mehrere parallel geschaltete Cavitatoren (1a, b ...) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Mindest-Druckabfall über der Cavitator-Strecke (1) unter Berücksichtigung der Eigenschaften, insbesondere der Temperatur, des zu verarbeitenden Fluids ermittelt wird, – bei Unterschreiten des Mindestdruckabfalls ein Teilstrom (2a) vom Ende der Cavitator-Strecke (1) im Kreislauf über eine Rückführstrecke (3) vor den Beginn der Cavitator-Strecke (1) zurückgeführt wird.
Verfahren zur Durchflussanpassung einer Cavitator-Anlage mit einer Cavitator-Strecke (1) mit mehreren parallel geschalteten Cavitatoren (1a, b ...) dadurch gekennzeichnet, dass – eine Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke (1) festgelegt wird, – im Falle des gleichzeitigen Einsatzes aller Cavitatoren der Cavitator-Strecke (1) bei Unterschreiten des Mindestdruckabfalls, wenigstens ein Cavitator (1), insbesondere der Reihe nach mehrere Cavitatoren verschlossen wird, bis der Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke (1) erreicht wird.
Verfahren zur Durchflussanpassung einer Cavitator-Anlage mit einer Cavitator-Strecke (1), die einen Cavitator (1a) oder mehrere parallel geschaltete Cavitatoren (1a, b) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke (1) bzw. dem einzigen, insbesondere dem einzigen in Betrieb befindlichen, Cavitator (1a) festgelegt wird, – bei Unterschreiten des Mindestdruckabfalls die Spaltgröße (11) des bzw. der Cavitatoren (1a) verringert wird, insbesondere durch axiale Verstellung des Hindernis-Bäumchens (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zurückgeführten Teilstromes (2a) ein fixer Anteil, insbesondere 50%, des Hauptstromes (2) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des zurückgeführten Teilstromes (2a) stufenweise erhöht werden kann, insbesondere durch Öffnen der Sperrventile in mehreren parallelen Armen der Rückführstrecke (3).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des rückgeführten Teilstromes (2a) kontinuierlich verändert wird, so dass der Mindestdruckabfall gerade erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführung an einem Punkt vor der den Arbeitsdruck für die Cavitator-Strecke (1) liefernde Pumpe (4) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer als Mischer eingesetzten Cavitator-Anlage die Rückführung an einen Punkt vor dem Mischpunkt (5) der beiden Komponenten erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckabfall kontinuierlich gemessen wird und einer Steuerung (6) zugeführt wird, die den Durchfluss durch die Rückführstrecke (3), insbesondere ein dort installiertes Stellventil (7), regelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Steuerung (6) ein Differenzdruckregler verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Mindestdruckabfall beeinflussenden Eigenschaften des Produktes, insbesondere Anlieferungsdruck, Temperatur, Viskosität des Produktes bzw. wenigstens seiner Hauptkomponente ständig oder in Intervallen gemessen und der Mindestdruckabfall in Abhängigkeit davon von der Steuerung (6) verändert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Cavitator-Strecke (1) zwei oder mehr gleichdimensionierte Cavitatoren (1a, b ...) umfasst und bei Unterschreitung des Mindestdruckabfalls die Cavitatoren der Reihe nach stillgelegt werden bis nur noch ein Cavitator (1b) durchflossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb nur eines Teils der Cavitatoren (1a, b ...), insbesondere bei einer Cavitator-Strecke mit zwei Cavitatoren (1a, b) nur ein Cavitator, in Betrieb ist, die im Betrieb befindlichen Cavitatoren bzw. der eine im Betrieb befindliche Cavitator (1b) oder (1a) nach einer festgelegten Zeitspanne im Turnus gewechselt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestdruckabfall unter Berücksichtigung der Eigenschaften des zu verarbeitenden Produktes, insbesondere wenigstens der Eigenschaften der Hauptkomponente des Produktes, festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitraum des Wechsels in Abhängigkeit von den Eigenschaften des zu verarbeitenden Produktes, insbesondere wenigstens der Hauptkomponente des zu verarbeitenden Produktes, festgelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb nur eines Teils der Cavitatoren der Cavitator-Strecke (1) die stillgesetzten Cavitatoren (a, b) nacheinander oder allesamt zugeschaltet werden, wenn der Druckabfall über der nur teilweise betriebenen Cavitator-Strecke (1) um 30%, insbesondere besser um 50% über dem Mindestdruckabfall liegt bzw. 5,5 Bar, besser 6,0 Bar erreicht hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Stilllegung eines Cavitatos sowohl die Zufuhrleitung (8) als auch die Abführleitung (9) vor und hinter dem Cavitator (1a) gesperrt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Cavitator-Strecke (1) unterschiedlich groß dimensionierte Cavitatoren eingesetzt werden und bei Unterschreiten des Druckabfalls zunächst der kleinste Cavitator stillgelegt wird, sofern dies nicht ausreicht anstelle des kleinsten der nächst größere usw., bis das Stilllegen nur eines Cavitators nicht mehr ausreicht und analog fortgefahren wird mit der Stilllegung eines zweiten Cavitators.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verstellung des Hindernisbäumchens (12) zwischen zwei Endlagen erfolgt und insbesondere mittels eines Druckluftzylinders (13) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verstellung in Stufen oder stufenlos kontinuierlich, insbesondere mittels eines Servomotors, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei kontinuierlicher Spaltverstellung in direkter Abhängigkeit von dem Druckabfall so durchgeführt wird, dass der erforderliche Mindestdruckabfall gerade erreicht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten des Mindestdruckabfalls um 20% die zuletzt durchgeführte Durchflusssteigerungsmaßnahme rückgängig gemacht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Mindestdruckabfall so festgelegt wird, dass bei Wasser als zu verarbeitendes Produkt bzw. Hauptkomponente des zu verarbeitenden Produktes bei einer Temperatur von 20°C +/– 2° (14a, b ...) – eine Fließgeschwindigkeit von mindestens 15 m/s an den einzelnen Hinderniskörpern erreicht oder überschritten, insbesondere an allen Hinderniskörpern erreicht oder überschritten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke (1) bei der Behandlung von Wasser oder von Produkten mit Wasser als Hauptkomponente, insbesondere bei einer Verarbeitungstemperatur von 20°C +/– 2°C 4,0 Bar beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke (1) festgelegt wir, insbesondere unter Berücksichtigung der Eigenschaften, beispielsweise der Temperatur des zu verarbeitenden Produktes.
Verfahren zur Durchflussanpassung einer Cavitator-Anlage mit einer Rückführung von einem Punkt nach der Cavitator-Strecke (1) zu einem Punkt vor dem Cavitator und einer Spaltbreitenverstellung des Cavitators zwischen großem und kleinem Spalt, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke ermittelt wird, – bei Absinken des Druckabfalls unter den Mindestdruckabfall der Cavitator (1a) von großen Spalt (12) auf kleinen Spalt (12') reduziert wird, und – bei weiterem Unterschreiten des Mindestdruckabfalls die Rückführung (3) zunehmend geöffnet wird, bis der Mindestdruckabfall erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb des Cavitators (1a) mit kleiner Spaltbreite (12') auf große Spaltbreite (12) umgeschaltet wird, wenn der Mindestdruckabfall um mindestens 30%, besser mindestens 50%, überschritten wird.
Verfahren zur Durchflussanpassung einer Cavitator-Anlage mit einer Rückführung von einem Punkt nach der Cavitator-Strecke (1) zu einem Punkt vor der Cavitator-Strecke (1) und einer Spaltbreitenverstellung der Cavitatoren (1a, b) zwischen großem und kleinem Spalt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke (1) ermittelt wird, wobei ausgehend von einem Betriebszustand, bei dem alle Cavitatoren (1a, b) in Betrieb sind und auf große Spaltbreite (12) gestellt sind und die Rückführleitung (3) weitestgehend geschlossen ist, bei einem Absinken des Druckabfalls unter dem Mindestdruckabfall, – zuerst einer oder nacheinander mehrere Cavitatoren (1a, b ...) geschlossen werden, – danach der verbleibende letzte Cavitator (1b) oder bei mehreren in Betrieb befindlichen Cavitatoren wenigstens einer der in Betrieb befindlichen Cavitatoren die Spaltweite von groß (12) auf klein (12') verstellt wird, und – als letztes bei nur noch einem in Betrieb befindlichen Cavitator (1b) mit, insbesondere geringer Spaltbreite (12') die Rückführleitung (3) zunehmend geöffnet wird, bis der Mindestdruckabfall erreicht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführleitung (3) im regulären Betrieb nie geschlossen wird, sondern immer mindestens 2%, besser mindestens 5% des Hauptstromes (2) durch die Rückführleitung (3) zurückgeführt werden.
Verfahren zur Durchflussanpassung einer Cavitator-Anlage mit zwei gleich großen separat stilllegbaren, parallel geschalteten Cavitatoren sowie mit einer Rückführung (3) von einem Punkt nach der Cavitator-Strecke (1) zu einem Punkt vor der Cavitator-Strecke (1) und einer Spaltbreitenverstellung der Cavitatoren (1a ...) zwischen großem und kleinen Spalt, dadurch gekennzeichnet, dass – bei Abfallen der angelieferten Produktmenge pro Zeiteinheit unter 75% der maximalen Durchsatzmenge der Anlage einer der Cavitatoren (1a) von großer auf kleine Spaltbreite verstellt wird, der andere noch auf großer Spaltbreite belassen wird, – bei Absinken der Anliefermenge auf die Hälfte der maximalen Durchsatzleistung der Cavitator, der auf kleine Spaltweite verstellt war, ganz geschlossen wird, – bei Absinken der Anlieferungsmenge auf oder unter 25% der maximalen Durchsatzmenge der im Betrieb befindliche Cavitator auf kleine Spaltbreite verstellt wird und – wenn in diesem Zustand der erforderliche Mindestdruckabfall über der Cavitator-Strecke (1) immer noch erreicht wird, die Rückführleitung (3) zunehmend geöffnet wird, so dass der Mindestdruckabfall nach Möglichkeit erreicht wird.
Cavitator-Anlage (1) mit – einer Cavitator-Strecke mit mehreren parallel zueinander geschalteten Cavitatoren (1a, b), wobei die Spaltbreite in den Cavitatoren verstellbar ist, insbesondere zwischen einer großen (12) und einer kleinen (12') Spaltbreite (1a, b), insbesondere mittels Druckluftzylinder (13), – einer Pumpe in der Zufuhrleitung zur Cavitator-Strecke, – einer Differenzdruck-Messvorrichtung (15) zwischen Punkten (16a, b) nach und vor der Cavitator-Strecke (1), und – gegebenenfalls einer Einspeiseleitung (17) für eine zweite Komponente, die in der Hauptstrecke vor der Pumpe (4) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass – die Cavitatoren (1a, b ...) einzeln und unabhängig voneinander sowohl abschaltbar durch Sperren der Zu- und Abführleitung (8, 9) zu den einzelnen Cavitatoren (1a, b ...) als auch – verstellbar hinsichtlich ihrer Spaltbreite sind, – eine Steuerung (6) vorhanden ist, die in Abhängigkeit des von der Differenzdruck-Messvorrichtung gemessenen Druckabfalls über der Cavitator-Strecke die einzelnen Cavitatoren (1a, b ...) ansteuert hinsichtlich sowohl Öffnen und Schließen als auch im geöffneten Zustand Verstellen von großer (12) auf kleine (12') Spaltbreite und umgekehrt.
Cavitator-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Rückführleitung (3) von einem Punkt (3a) nach der Cavitator-Strecke (1) zu einem Punkt (3b) vor der Pumpe (4), insbesondere dem Zuführpunkt für die zweite Komponente aufweist, mit einem Regelventil (7) in der Rückführleitung (3), welches ebenfalls von der Steuerung (6) angesteuert wird.
Cavitator-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Cavitator (1a, b ...) durch Sperrventile (18a, b) sowohl vor als auch hinter dem Cavitator (1a ...) verschließbar ist.
Cavitator-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Regelventil (7) in der Rückführstrecke (3) nahe am Mündungspunkt (3b) der Rückführstrecke im Hauptstrang angeordnet ist.
Cavitator-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messpunkte für die Druckmessung der Differenzdruck-Messvorrichtung einerseits zwischen dem Ende der Cavitator-Strecke (1) und der Abzweigung (3a) für die Rückführung (3) liegt und andererseits zwischen der Pumpe (4) und der Cavitator-Strecke (1).
Cavitator-Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Einspeiseleitung (17) für die zweite Komponente und der Rückführleitung (3) eine Verbindungsleitung (19) besteht, die insbesondere in der Zuführleitung (17) zwischen dem Dosierventil (20) und dem Mündungspunkt der Einspeiseleitung (17) im Hauptstang ansetzt.