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Die Erfindung betrifft einen Kavitator, ein Verfahren zur Behandlung von Flüssigkeiten mit diesem Kavitator sowie dessen Verwendung.
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Kavitatoren werden üblicherweise eingesetzt, um Flüssigkeiten zu homogenisieren, zu mischen oder möglichst stabile Dispersionen zu erzeugen.
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Beispielsweise beschreibt
EP 2 135 667 A1 einen rohrförmigen Kavitator zum Mischen bzw. zum Stabilisieren von wenigstens zwei hindurchströmenden Komponenten.
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US 2011/0172137 A1 ,
US 2015/0184806 A1 ,
DE 698 26 707 T2 und
DE 203 05 103 U1 beschreiben ebenfalls Kavitatoren. Einige dieser Dokumente offenbaren auch Kavitatoren mit Scheiben, in denen die Löcher kegelförmig sind.
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Die Kavitatoren aus dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass die erzeugten Flüssigkeiten keine stabilen Dispersionen sind und schon nach einigen Wochen wieder in ihre Komponenten zerfallen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Technologie bereitzustellen, mit der über lange Zeit phasenstabile Flüssigkeiten erzeugt werden können, die ursprünglich aus nicht mischbaren Flüssigkeiten entstehen.
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In einer ersten Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch einen Kavitator umfassend einen länglichen Behälter umfassend einen Einlass für Flüssigkeiten, einen Auslass für Flüssigkeiten und zwischen dem Einlass und dem Auslass angeordnet wenigstens zwei Scheiben mit jeweils mit einem Loch in der Mitte der Scheiben gelöst, wobei das Loch von wenigstens zwei der Scheiben auf der dem Einlass zugewandten Seite einen kleineren Durchmesser aufweist als auf der dem Auslass zugewandten Seite der jeweiligen Scheibe, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Löcher in den Scheiben und/oder Düsen in Richtung von Einlass zum Auslass abnimmt.
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Bei dem Durchtritt der Flüssigkeiten durch die Löcher kann es je nach Druck und Durchströmgeschwindigkeit der Flüssigkeiten zu Kavitation kommen, so dass an diesen Löchern Kavitationsblasen gebildet werden.
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Vorzugsweise weist der Kavitator wenigstens drei, insbesondere bevorzugt wenigstens fünf Scheiben auf.
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Vorzugsweise weist der Kavitator höchstens 20, insbesondere bevorzugt höchstens zehn Scheiben auf.
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Geometrie des Loches
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Der Durchmesser des Loches einer Scheibe auf der dem Einlass zugewandten Seite liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 6 mm, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 2,5 bis 3,5 mm.
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Der Durchmesser des Loches einer Scheibe auf der dem Einlass zugewandten Seite liegt vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 9 mm, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 2,7 bis 4 mm.
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Ist der Durchmesser jeweils zu groß, kann es dazu kommen, dass es zu keiner dauerhaft phasenstabilen Flüssigkeit als Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens kommt.
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Der Lochdurchmesser der dem Einlass nächsten Scheibe ist vorzugsweise größer als der Lochdurchmesser der dem Auslass nächsten Scheibe.
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Das Loch von wenigstens zwei Scheiben weist vorzugsweise die Form eines Kegelstumpfes auf. Die durch die Lochwände der Scheibe gebildeten Seitenwände des Kegelstumpfes weisen vorzugsweise einen Winkel in einem Bereich von 35 bis 55 ° zu der dem Einlass zugewandten Oberfläche der Scheibe auf. Diese Scheiben mit dieser Art Löcher werden auch Stufenwirkungsdüsen genannt.
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Vorzugsweise weist wenigstens eine Scheibe ein Loch mit einer Geometrie auf, bei der zwei der beschriebenen Kegelstümpfe so an ihren kleineren Stirnseiten aufeinandertreffen, dass das Loch rotationssymmetrisch ist und der Durchmesser des Loches zwischen der dem Einlass zugewandten Oberfläche und der dem Einlass abgewandten Oberfläche ein Minimum hat und der Durchmesser des Loches in den jeweiligen Oberflächen der Scheibe größer als dieser Minimaldurchmesser ist. Diesen Typ Scheiben kann man Hauptdüsen nennen. Vorzugsweise ist die dem Einlass nächste Scheibe eine Hauptdüse.
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Alle Scheiben sind vorzugsweise rotationssymmetrisch.
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Die Löcher in den Scheiben sind vorzugsweise in der Mitte der jeweiligen Scheiben angeordnet und vorzugsweise rund.
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Vorzugsweise weist jede Scheibe nur ein Loch auf.
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Die Oberflächen der Scheiben, in denen die Löcher angeordnet sind, sind vorzugsweise relativ zur jeweils benachbarten Oberfläche der benachbarten Scheibe beabstandet. Vorzugsweise liegt der Abstand in einem Bereich von 1 bis 20 mm, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 3 bis 7 mm.
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Vorzugsweise ist vor der Hauptdüse eine Zusatzdüse angeordnet. Der Abstand dieser Zusatzdüse ist vorzugsweise relativ zur Hauptdüse einstellbar. Der Abstand dieser Zusatzdüse zur Hauptdüse liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,1 bis 5 mm.
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Die Zusatzdüse kann die Geometrie einer Stufenwirkungsdüse haben. Vorzugsweise hat die Zusatzdüse aber auf deren Innenseite die Geometrie eines sich verjüngenden Rohres. Die Innenseite der Zusatzdüse ist vorzugsweise rotationssymmetrisch. Der Durchmesser auf der Innenseite der Zusatzdüse verjüngt sich vorzugsweise von einem weitesten Durchmesser in einem Bereich von 5 bis 50 mm zu einem engsten Durchmesser in einem Bereich von 1 bis 10 mm. Vorzugsweise hat die Zusatzdüse am Auslass der Zusatzdüse den engsten Durchmesser. Der Auslass der Zusatzdüse ist vorzugsweise zentriert über dem Loch der Hauptdüse angeordnet.
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Vorzugsweise liegt der Einlass vor der Hauptdüse.
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Vorzugsweise ist ein Zusatzeinlass vor der Zusatzdüse und der Einlass zwischen Zusatzdüse und Hauptdüse angeordnet. Durch den Zusatzeinlass kann entweder eine weitere Flüssigkeit oder Gas zudosiert werden.
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Der Durchmesser der Löcher in den Scheiben und/oder Düsen nimmt in Richtung von Einlass zum Auslass ab. Vorzugsweise nimmt der Durchmesser von Scheibe zu Scheibe in einem Bereich von 0,01 bis 0,2 mm ab.
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Geometrie des länglichen Behälters
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Der längliche Behälter ist vorzugsweise innen rotationssymmetrisch. Vorzugsweise hat der längliche Behälter denselben Innendurchmesser wie der Durchmesser der Scheiben, so dass das Gemisch der Flüssigkeiten durch die Löcher in den Scheiben hindurchtreten muss.
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Vorzugsweise weist der längliche Behälter zwischen den Scheiben Löcher auf, durch die Flüssigkeit nach außen treten kann. Diese Löcher sind vorzugsweise verschließbar und besonders bevorzugt mit Ventilen versehen. Ganz besonders bevorzugt können diese Löcher unabhängig voneinander geöffnet und geschlossen werden. Dadurch kann man den Druck in jeder Stufe zwischen den Scheiben individuell einstellen.
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Um den länglichen Behälter herum ist vorzugsweise ein Außenbehälter angeordnet. Dadurch kann die austretende Flüssigkeit aufgefangen werden.
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Auf der dem Einlass zugewandten Seite des länglichen Behälters ist vor den Scheiben oder Düsen vorzugsweise eine Vorkammer angeordnet, in die die Flüssigkeiten eingepumpt werden können.
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Material der Scheiben
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Vorzugsweise enthalten die Scheiben vorzugsweise überwiegend Metall, ganz besonders bevorzugt Messing oder Stahl.
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Das Material der Scheiben, das an die Löcher angrenzt, ist vorzugsweise ausgewählt aus Hartmaterialien wie beispielsweise Nitriden oder Carbiden. So kann dieses Material beispielsweise Siliciumcarbid sein.
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Weitere Ausführungsformen
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In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch ein Verfahren zum Behandeln von Flüssigkeiten gelöst, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Gemisch von verschiedenen Flüssigkeiten durch den erfindungsgemäßen Kavitator unter Druck hindurchpumpt.
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Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht beispielsweise eine über sehr lange Zeit phasenstabile Flüssigkeit, wenn man Öl und Wasser als Gemisch einsetzt. Es kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also vorzugsweise ein Gemisch aus Öl und Wasser eingesetzt werden. Das Öl ist vorzugsweise aus Heizöl, Rohöl, Pflanzenöl oder einer Mischung eines oder mehrerer dieser Öle ausgewählt. Besonders bevorzugt ist in der Mischung der Gewichtsanteil an Wasser höher als der Gewichtsanteil an Öl. Das Gewichtsverhältnis von Wasser zu Öl liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1,2:1 bis 2:1.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Gemisch mit einem Druck in einem Bereich von 3 bis 15 bar durch den erfindungsgemäßen Kavitator gepumpt.
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Vorzugsweise kann neben dem Gemisch von verschiedenen Flüssigkeiten ein Gas zudosiert werden. Das Gas wird vorzugsweise in einer Menge in einem Bereich von 0,5 bis 5 Volumenteile bezogen auf 100 Volumenteile des Gemisches der verschiedenen Flüssigkeiten zudosiert. Das Gas kann vorzugsweise ausgewählt werden aus der Gruppe CO2, Luft, Methan, Propan, Stickstoff oder beliebige Mischungen derselben.
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Bei dem Durchtritt der Flüssigkeiten durch die Düsen entstehen vorzugsweise Kavitationsblasen.
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Vorzugsweise wird das Gas oder die zusätzliche Flüssigkeit durch die Zusatzdüse in einer solchen Menge oder mit einem solchen Druck zudosiert, dass die dabei entstehenden Kavitationsblasen mit einer solchen Frequenz platzen, dass die Frequenz im Bereich des für Menschen hörbaren Schalls liegt. Es hat sich herausgestellt, dass die Wirkung des Verfahrens dann besonders effizient ist und die entstehende Flüssigkeit besonders lange phasenstabil ist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kavitators zum Behandeln von Flüssigkeiten gelöst.
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Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
- 1 zeigt den erfindungsgemäßen Kavitator
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1 zeigt den erfindungsgemäßen Kavitator 10 umfassend einen länglichen Behälter 12 umfassend einen Einlass 14 für Flüssigkeiten, einen Auslass 16 für Flüssigkeiten und zwischen dem Einlass 14 und dem Auslass 16 angeordnet wenigstens zwei Scheiben 18 mit jeweils mit einem Loch 20 in der Mitte der Scheiben 18, wobei das Loch 20 von wenigstens zwei der Scheiben 18 auf der dem Einlass 14 zugewandten Seite einen kleineren Durchmesser aufweist als auf der dem Auslass 16 zugewandten Seite der jeweiligen Scheibe 18.
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Vor den Stufenwirkungsdüsen 18 kann eine Hauptdüse 22 angeordnet sein, und vor der Hauptdüse 22 kann eine Zusatzdüse 24 angeordnet sein. Vor der Zusatzdüse 24 kann ein Zusatzeinlass 26 angeordnet sein. Um den länglichen Behälter 12 kann ein Außenbehälter 28 angeordnet sein. Durch seitliche Löcher in den Scheiben 18, die individuell verschließbar sein können, kann Flüssigkeit nach außen in den Außenbehälter 28 abgeführt werden.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Gemisch aus 3,7 l Wasser, 2 l Heizöl und 0,5 l Rapsöl wurde mit einem Druck von 10 bar durch den erfindungsgemäßen Kavitator hindurchgepumpt. Es waren eine Zusatzdüse, dann eine Hauptdüse und dann fünf Stufenwirkungsdüsen nacheinander im Kavitator angeordnet. Durch den Zusatzeinlass vor der Zusatzdüse wurden Heizöl und Rapsöl zugeführt. Durch den Einlass, der zwischen Zusatzdüse und Hauptdüse angeordnet war, wurde Wasser zugeführt. Der Innendurchmesser der Zusatzdüse verjüngte sich von 5 mm auf 3,1 mm an der Spitze der Zusatzdüse. Die Hauptdüse hatte in ihrem Loch einen engsten Durchmesser von 3 mm. Die 5 Stufenwirkungsdüsen hatten in ihrem Loch einen Durchmesser von 2,9, 2,8, 2,7, 2,6 und 2,5 mm - in Richtung vom Einlass zum Auslass. Die Scheiben bzw. Düsen und der längliche Behälter hatten die oben beschriebene bevorzugte Geometrie und Ausgestaltung.
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Die entstandene Flüssigkeit ist seit dem Experiment phasenstabil (mehr als zwei Monate bisher). Wurde als Gemisch ein Gemisch von Wasser und Öl in einem Gewichtsverhältnis von 1,2:1 bis 2:1 eingesetzt, dann war die entstehende Flüssigkeit brennbar.
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Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Sie kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse des zuständigen Fachmanns variiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kavitator
- 12
- länglicher Behälter
- 14
- Einlass
- 16
- Auslass
- 18
- Scheiben, Stufenwirkungsdüse
- 20
- Löcher
- 22
- Scheibe, Hauptdüse
- 24
- Zusatzdüse
- 26
- Zusatzeinlass
- 28
- Außenbehälter
