DE102019111122A1

DE102019111122A1 - Injektordüse

Info

Publication number: DE102019111122A1
Application number: DE102019111122.6A
Authority: DE
Inventors: Hermann Post; Markus Suschatz; Felix Wiedemann; Stephan Wahrenburg
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2020-11-05
Also published as: WO2020221500A1; CN217266617U; EP3962636A1; EP3962636B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Injektordüse (3) zum Eindüsen eines ersten Fluids (1) in eine, von einem zweiten Fluid (2) durchströmte Mischzone (4) mit wenigstens einer Düsenöffnung (5), deren durchströmbarer Querschnitt über einen lageveränderlichen Verschlusskörper (6) änderbar ist.Dabei soll die Vermischung der Fluide (1,2) dadurch verbessert werden, dass sich der Verschlusskörper (6) auf der zur Mischzone (4) weisenden Seite der Düsenöffnung (5) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Injektordüse zum Eindüsen eines ersten Fluids in eine, von einem zweiten Fluid durchströmte Mischzone mit wenigstens einer Düsenöffnung, deren durchströmbarer Querschnitt über einen lageveränderlichen Verschlusskörper änderbar ist.
Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zur Herstellung und Anwendung der Injektordüse.
Derartige Düsen werden u.a. in der Stoffaufbereitung einer Papierfabrik eingesetzt um die Stoffdichte der Faserstoffsuspensionen zu reduzieren, zu erhöhen oder um der Faserstoffsuspension ein chemisches Additiv zuzuführen.
Bekanntlich wird bei solchen Anlagen eine bestimmte Konsistenz der behandelten Faserstoffsuspension eingestellt. In den Fällen, in denen eine Absenkung der Konsistenz durchgeführt werden soll, wird einer dickeren Faserstoffsuspension eine Verdünnungsflüssigkeit, z.B. Rückwasser, zugemischt.
Zur Bildung einer niedrigkonsistenten Faserstoffsuspension ist es aber ebenso möglich, dass Verdünnungswasser oder einer Faserstoffsuspension mit sehr niedriger Konsistenz eine hochkonsistente Faserstoffsuspension zugemischt wird.
Aus der US 2002/0166645 A1 ist eine Mischvorrichtung für Papierfasersuspensionen bekannt, insbesondere zur Verwendung in der Zuleitung zum Stoffauflauf. Sie ist versehen mit einem inneren Rohr für die eine Komponente und einem äußeren Rohr für eine andere Komponente. Dabei endet das innere Rohr innerhalb des äußeren, so dass stromabwärts die Vermischung erfolgen kann. Diese wird unterstützt durch aufwändige wellenförmige Einbauten.
Die DE 699 15 737 T2 beschreibt ein Verfahren für den Konstanten Teil, das zum Mischen von mehreren Suspensionen mit unterschiedlichen Eigenschaften dient und bei dem ein Mischrohr verwendet wird. In diesem Mischrohr wird als Hauptströmung ein großer Anteil des Siebwassers einer Papiermaschine geführt. Um eine für den Stoffauflauf dieser Papiermaschine geeigneten Faserstoff zu bilden, werden in das Mischrohr weitere Suspensionsströme eingemischt. Diese sind z.B. der aus der Stoffaufbereitung kommende Frischstoff, also eine homogene störstofffreie Faserstoffsuspension. In dieser Publikation wird empfohlen, die der Hauptströmung zugegebenen zusätzlichen Suspensionen in einem Geschwindigkeitsverhältnis zuzugeben, das einem Wert zwischen 3 und 15 entspricht. Bei diesem Stand der Technik werden also die Treibstrahlen mit Suspensionen von relativ hoher Konsistenz gebildet.
Beim Zuführen eines Fluids in eine strömende Faserstoffsuspension stellt sich grundsätzlich das Problem einer möglichst guten Durchmischung. Dies gilt insbesondere für das Einmischen einer, ein chemisches Additiv enthaltenden Flüssigkeit in eine durch ein Rohr strömende Faserstoffsuspension.
Dabei muss nämlich eine prozentual kleine Faserstoff- und/oder Additivmenge gleichmäßig und gleichzeitig in die gesamte Faserstoffsuspension eingebracht werden. Außerdem werden bei der Karton- und Verpackungspapierherstellung oft aus einer Produktionslinie unterschiedliche Flächengewichte produziert, die unterschiedliche Stoffdichten am Stoffauflauf bedingen.
Eine in der DE10317865 beschriebene Dosierlanze kann dies noch nicht vollständig befriedigen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher eine möglichst störungsfreie Eindüsung sowie eine möglichst intensive Vermischung der Fluide mit relativ einfachen Mitteln zu gewährleisten.
Erfindungsgemäß wurde die Aufgabe dadurch gelöst, dass sich der Verschlusskörper auf der zur Mischzone weisenden Seite der Düsenöffnung befindet.
Über die Lage des Verschlusskörpers lassen sich die Größe des durchströmbaren Querschnitts der Düsenöffnung und damit auch die Strahlgeschwindigkeit sowie der Druckverlust beim ersten Fluid einstellen.
Da sich der Verschlusskörper dabei auf der zur Mischzone weisenden Seite der Düsenöffnung befindet, vermindert sich die Gefahr einer Verstopfung durch Fasern oder Störstoffe erheblich.
Soll der durchströmbare Querschnitt der Düsenöffnung vergrößert werden, so wird der Verschlusskörper von der Düsenöffnung weg, d.h. in Richtung Mischzone bewegt.
Für eine Verkleinerung des durchströmbaren Querschnitts der Düsenöffnung wird der Verschlusskörper zur Düsenöffnung hin oder sogar in die Düsenöffnung hinein verschoben.
Um diese Querschnittsänderung sowie die Lageveränderung des Verschlusskörpers möglichst einfach zu gestalten, sollte der Verschlusskörper konzentrisch zur Düsenöffnung angeordnet und/oder über eine durch die Düsenöffnung geführte Verschlusskörper-Achse verschiebbar sein.
Im Interesse einer verbesserten Vermischung der Fluide in der Mischzone sollte der durchströmbare Querschnitt zwischen Düsenöffnung und Verschlusskörper in seiner Breite um die Düsenöffnung herum variieren. Damit variiert auch der Wirkbereich der Eindüsung.
Dabei hat es sich als besonders wirksam erwiesen, wenn der durchströmbare Querschnitt zwischen Düsenöffnung und Verschlusskörper zumindest im Wesentlichen von mehreren Kanälen gebildet wird und jedem Kanal des durchströmbaren Querschnitts ein separater, vorzugsweise lösbar mit einer Verschlusskörper-Achse des Verschlusskörpers verbundener Verschlusskörper-Flügel zugeordnet ist.
Über die Verschlusskörper-Flügel lässt sich der durchströmbare Querschnitt des jeweiligen Kanals verändern und schließen.
Da insbesondere die Verschlusskörper-Flügel einem hohen Verschleiß unterliegen, kann über die lösbare Verbindung mit der Verschlusskörper-Achse ihr Austausch und damit eine wesentliche Verlängerung der Einsatzdauer der Injektordüse ermöglicht werden.
Die Kanäle müssen wegen der Fasern und der damit verbundenen Verstopfungsgefahr möglichst groß, aber zur Gewährleistung einer möglichst hohen Eindüsgeschwindigkeit möglichst klein sein.
Auch unter Berücksichtigung einer einfachen Regulierbarkeit des wirksamen Querschnitts der Kanäle sollten die Kanäle daher schlitzförmig ausgebildet sein und vorzugsweise eine Breite zwischen 30 und 60 mm haben.
Zur Beeinflussung der Strömung des ersten Fluids, insbesondere zur Beschleunigung sollte der Verschlusskörper, insbesondere die Verschlusskörper-Flügel auf der zur Düsenöffnung weisenden Seite in Strömungsrichtung des ersten Fluids eine konkave oder konvexe Form haben.
Für eine verbesserte Vermischung mit dem zweiten Fluid ist es vorteilhaft, wenn die zur Düsenöffnung weisenden Seite des Verschlusskörpers, insbesondere der Verschlusskörper-Flügel mit einer aus der Düsenöffnung geführten Verschlusskörper-Achse einen Winkel zwischen 30 und 75° bilden.
Darüber hinaus kann es hierzu ebenso von Vorteil sein, dass die zur Düsenöffnung weisenden Seite des Verschlusskörpers, insbesondere der Verschlusskörper-Flügel Strömungsprofile zur Beeinflussung der Strömung des ersten Fluids aufweisen.
Im Interesse einer verbesserten Handhabbarkeit bei einem eventuellen Austausch sollte der Verschlusskörper, insbesondere die Verschlusskörper-Flügel lösbar auf der Verschlusskörper-Achse angebracht, insbesondere auch hohl ausgebildet sein.
Dies wiederum erleichtert ihre Herstellung.
Mit Vorteil wird der Verschlusskörper zumindest teilweise, insbesondere seine Verschlusskörper-Flügel vollständig schichtweise aus einem flüssigen, pastösen oder festen Werkstoff aufgetragen und dabei einem physikalischen oder chemischen Härtungs- oder Schmelzprozess unterzogen. Dies ermöglicht eine gewichts- und materialsparende Ausführung der Konstruktion.
Eine bevorzugte Anwendung der Injektordüse ergibt sich, wenn das erste Fluid von einer Faserstoffsuspension gebildet wird, deren Faserstoffdichte vorzugsweise zwischen 2,5 und 4,5% liegt und/oder das zweite Fluid von Wasser oder einer Faserstoffsuspension geringer Faserstoffdichte gebildet wird.
Hierbei sollte die Injektordüse zumindest im Wesentlichen in Strömungsrichtung des zweiten Fluids ausgerichtet sein und die Mischzone vorzugsweise von einem, vom zweiten Fluid durchströmten Mischrohr gebildet werden.
Im Ergebnis kann so auch die Mischgüte über einen weiten Produktionsbereich gewährleistet werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. In der beigefügten Zeichnung zeigt:

1: einen schematischen Querschnitt durch eine Mischanordnung;
2: eine Ansicht der Injektordüse 3 und
3: einen schematischen Querschnitt durch eine Injektordüse 3.

Eine wichtige Anwendung der Erfindung ist die Bereitstellung und Konditionierung von Stoffströmen im Konstantteil vor einem Stoffauflauf einer Papiermaschine.
Der in 1 dargestellten Mischvorrichtung in Form eines Mischrohres, wird als Hauptströmung (zweites Fluid 2) eine Verdünnungsflüssigkeit, beispielsweise Siebwasser über einen Zulauf zugeführt. An den Zulauf schließt sich in Strömungsrichtung der Verdünnungsflüssigkeit ein Rohrbogen an, welcher eine Krümmung von mindestens 45°, insbesondere ca. 90° aufweist.
Im Bereich dieses Rohrbogens wird über einen anderen Zulauf mit einer Injektordüse 3 eine hochkonsistente Faserstoffsuspension (erstes Fluid 1) in die Verdünnungsflüssigkeit zugeführt, deren Konsistenz in einem Bereich zwischen 2 und 6 %, insbesondere zwischen 2,5 und 4,5% liegt.
Die dem Zusammenführen der beiden Fluide 1,2 nachfolgende Mischzone 4 liegt in dem auf den Rohrbogen folgenden geraden Rohrstück und kann zur Verbesserung der Durchmischung noch einen hier nicht dargestellten statischen Mischer besitzen. Darüber hinaus kann der Hauptstrom (zweites Fluid 2) auch über eine Querschnittsverminderung im Bereich der Injektordüse 3 zur besseren Mischung beschleunigt werden.
Dabei wird die hochkonsistente Faserstoffsuspension (erstes Fluid 1) mit einer Strömungsgeschwindigkeit zugeführt, die zwischen 5 und 15 m/s liegt und höher als die Strömungsgeschwindigkeit der Verdünnungsflüssigkeit (Fluid 2) ist.
Damit die hochkonsistente Faserstoffsuspension (erstes Fluid 1) möglichst in das Zentrum des Stromes der Verdünnungsflüssigkeit (zweites Fluid 2) gelangt, ragt die Injektordüse 3 relativ weit über die Innenwand des Rohrbogens hinaus. Dabei ist die mittig im geraden Rohrstück der Mischzone 4 angeordnete Injektordüse 3 in Strömungsrichtung des zweiten Fluids 2 ausgerichtet.
Nach der Vermischung kann die Faserstoffsuspension durch eine Rohrleitung zu einem Stoffauflauf einer Maschine zur Herstellung einer Faserstoffbahn, insbesondere einer Papierbahn geführt werden.
Die Injektordüse 3 zum Eindüsen des ersten Fluids 1 in die, von dem zweiten, Fluid 2 durchströmte Mischzone 4 besitzt eine Düsenöffnung 5, deren durchströmbarer Querschnitt über einen lageveränderlichen Verschlusskörper 6 änderbar ist.
Gemäß den 2 und 3 befindet sich der Verschlusskörper 6 dabei auf der zur Mischzone 4 weisenden Seite der Düsenöffnung 5.
Zur Vergrößerung des durchströmbaren Querschnitts der Düsenöffnung 5 wird der Verschlusskörper 6 in Strömungsrichtung des Fluids 1 von der Düsenöffnung weg bewegt.
Eine Bewegung des Verschlusskörpers 6 entgegen der Strömungsrichtung des Fluids 1 zur Düsenöffnung 5 hin führt zu einer Verkleinerung der wirksamen Düsenöffnung 5 und am Ende zu deren Verschluss.
Hierzu ist der Verschlusskörper 6 konzentrisch zur Düsenöffnung 5 angeordnet und über eine durch die Düsenöffnung 5 aus dem Rohrbogen herausgeführte Verschlusskörper-Achse 7 verschiebbar.
Der nach der Düsenöffnung 5 folgende Verschlusskörper 6 erweist sich zur Vermeidung von Verstopfungen infolge des hohen Faseranteils als vorteilhaft.
Um die Vermischung der beiden Fluide 1,2 in der Mischzone 4 zu fördern, wird der durchströmbare Querschnitt zwischen Düsenöffnung 5 und Verschlusskörper 6, wie in 2 zu erkennen, von mehreren, von der Verschlusskörper-Achse 7 radial verlaufenden, schlitzförmigen Kanälen 8 gebildet.
Die Anzahl der Kanäle 8 liegt dabei zwischen 2 und 10, bevorzugt zwischen 4 und 8 und die Schlitzbreite zwischen 30 und 60 mm.
Zur Veränderung des durchströmbaren Querschnitts dieser Kanäle 8 ist jedem Kanal 8 ein separater, lösbar mit der Verschlusskörper-Achse 7 des Verschlusskörpers 6 verbundener Verschlusskörper-Flügel 9 zugeordnet.
Die bei Öffnung der Injektordüse 3 zumindest teilweise in die Mischzone 4 hineinragenden Teile des Verschlusskörpers 6, d.h. der Verschlusskörper-Flügel 9 sowie der Verschlusskörper-Achse 7 führen zusätzlich zur Verwirbelung und unterstützen so die Vermischung der Fluide 1,2.
Um dem Fluid 1 bei seiner Eindüsung zur Intensivierung der Vermischung eine Richtungskomponente quer zur Strömungsrichtung des zweiten Fluids 2 zu geben, bildet die zur Düsenöffnung 5 weisende Seite des Verschlusskörpers 6, d.h. der Verschlusskörper-Flügel 9, wie in 3 zu sehen, mit der aus der Düsenöffnung 5 geführten Verschlusskörper-Achse 7 einen Winkel zwischen 30 und 75°.
Zur Beschleunigung des einzudüsenden ersten Fluids 1, können die Verschlusskörper-Flügel 9, wie angedeutet, auf der zur Düsenöffnung 5 weisenden Seite in Strömungsrichtung des ersten Fluids 1 eine konkave oder konvexe Form aufweisen. Auch Strömungsprofile zur Beeinflussung der Strömung des ersten Fluids 1, wie Kerben, Barrieren usw. können auf dieser Seite der Verschlusskörper-Flügel 9 angeordnet werden.
Das Gehäuse 10 der Injektordüse 3 wie auch der Verschlusskörper 6 können zumindest teilweise aus Metall oder Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff bestehen. Als Gehäuse 10 eignet sich insbesondere auch ein Klöpperbodenprofil, in welches Schlitze für die Kanäle 8 eingefräst werden.
Zur Erleichterung der Montage und damit auch eines Austausches der Verschlusskörper-Flügel 9 im Falle ihres Verschleißes sind diese lösbar auf der Verschlusskörper-Achse 7 angebracht und hohl ausgebildet.
Dies wiederum ermöglicht eine vereinfachte Herstellung, indem die Verschlusskörper-Flügel 9 vollständig schichtweise aus einem flüssigen, pastösen oder festen Werkstoff aufgetragen und dabei einem physikalischen oder chemischen Härtungs- oder Schmelzprozess unterzogen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2002/0166645 A1 [0005]
DE 69915737 T2 [0006]
DE 10317865 [0008]

Claims

Injektordüse (3) zum Eindüsen eines ersten Fluids (1) in eine, von einem zweiten Fluid (2) durchströmte Mischzone (4) mit wenigstens einer Düsenöffnung (5), deren durchströmbarer Querschnitt über einen lageveränderlichen Verschlusskörper (6) änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Verschlusskörper (6) auf der zur Mischzone (4) weisenden Seite der Düsenöffnung (5) befindet.
Injektordüse (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (6) konzentrisch zur Düsenöffnung (5) angeordnet ist.
Injektordüse (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (6) über eine durch die Düsenöffnung (5) geführte Verschlusskörper-Achse (7) verschiebbar ist.
Injektordüse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmbare Querschnitt zwischen Düsenöffnung (5) und Verschlusskörper (6) in seiner Breite um die Düsenöffnung (5) herum variiert.
Injektordüse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der durchströmbare Querschnitt zwischen Düsenöffnung (5) und Verschlusskörper (6) zumindest im Wesentlichen von mehreren Kanälen (8) gebildet wird.
Injektordüse (3) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kanal (8) des durchströmbaren Querschnitts ein separater, vorzugsweise lösbar mit einer Verschlusskörper-Achse (7) des Verschlusskörpers (6) verbundener Verschlusskörper-Flügel (9) zugeordnet ist.
Injektordüse (3) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanäle (8) schlitzförmig ausgebildet sind und vorzugsweise eine Breite zwischen 30 und 60 mm haben.
Injektordüse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (6), insbesondere die Verschlusskörper-Flügel (9) auf der zur Düsenöffnung (5) weisenden Seite eine konkave oder konvexe Form haben.
Injektordüse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Düsenöffnung (5) weisende Seite des Verschlusskörpers (6), insbesondere der Verschlusskörper-Flügel (9) mit einer aus der Düsenöffnung (5) geführten Verschlusskörper-Achse (7) einen Winkel zwischen 30 und 75° bilden.
Injektordüse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Düsenöffnung (5) weisende Seite des Verschlusskörpers (6), insbesondere der Verschlusskörper-Flügel (9) Strömungsprofile zur Beeinflussung der Strömung des ersten Fluids (1) aufweisen.
Injektordüse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (6), insbesondere die Verschlusskörper-Flügel (9) hohl ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Injektordüse (3) mit einem Verschlusskörper (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (6) zumindest teilweise, insbesondere seine Verschlusskörper-Flügel (9) vollständig schichtweise aus einem flüssigen, pastösen oder festen Werkstoff aufgetragen und dabei einem physikalischen oder chemischen Härtungs- oder Schmelzprozess unterzogen werden.
Anwendung der Injektordüse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Fluid (1) von einer Faserstoffsuspension gebildet wird, deren Faserstoffdichte vorzugsweise zwischen 2,5 und 4,5% liegt.
Anwendung der Injektordüse (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Fluid (2) von Wasser oder einer Faserstoffsuspension geringer Faserstoffdichte gebildet wird.
Anwendung der Injektordüse nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Injektordüse (3) zumindest im Wesentlichen in Strömungsrichtung des zweiten Fluids (2) ausgerichtet ist und die Mischzone (4) vorzugsweise von einem, vom zweiten Fluid (2) durchströmten Mischrohr gebildet wird.