-
Technisches Gebiet
-
Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mischer mit einem, einen Strömungskanal zumindest abschnittsweise begrenzenden, geraden Hohlzylinder, in dem wenigstens ein Umströmungskörper eingebracht ist sowie auf ein Verfahren zur Durchmischung einer Stoffströmung.
-
Stand der Technik
-
Ein statischer Mischer betrifft eine Anordnung zum Mischen von Stoffströmen, in der allein die Strömungsbewegung die Vermischung bewirkt ohne Einwirkung von bewegten und/oder motorisch angetriebenen Elementen, wie bspw. Rührwerke o.ä..
-
Zumeist weisen statische Mischer strömungsbeeinflussenden Elementen innerhalb eines vorzugsweise in Form eines geraden Rohrs ausgebildeten Strömungskanals auf. Die strömungsbeeinflussenden Elementen teilen abwechselnd den Stoffstrom auf und führen ihn dann wieder zusammen, wodurch eine kontinuierliche Vermischung erreicht wird. Grundsätzlich eignen sich statische Mischer zur Durchmischung beliebiger Stoffströme aus unterschiedlichen Aggregatszuständen, wie bspw. flüssig/flüssig, gasförmig/gasförmig, flüssig/gasförmig, Flüssig/ fest (in Form von Pulver oder granulärer Form) und unter Umständen auch für Schüttgüter. Ein weiterer Anwendungszweck von statischen Mischern betrifft die Homogenisierung nur eines Stoffstromes bezüglich dessen Zusammensetzung und Temperatur.
-
Statische Mischer bestehen typischerweise aus aneinandergereihten einzelnen Elementen, die meist schrauben-, lamellen- oder auch gitterförmig ausgebildet sind. Der zu durchmischende Stoffstrom oder die zu vermischenden Stoffströme werden in einem gewünschten Mischungsverhältnis stromauf zu den strömungsbeeinflussenden Elementen in den Strömungskanal eingespeist. Die strömungsbeeinflussenden Elemente teilen den Stoffstrom, verdrehen die Ströme und führen sie wieder zusammen. Teilt das erste Element bspw. eine in den Strömungskanal eingespeiste Stoffströmung auf, so ergeben sich stromab des ersten Elementes mindestens vier Grenzschichten innerhalb der Stoffströmung. Nach dem nächsten strömungsbeeinflussenden Element sind es acht Grenzschichten und so fort. Mit jeder Stufe wird so eine bessere Vermischung erreicht.
-
Als Beispiel für einen bekannten statischen Mischer sei auf die Druckschrift
DE 20 2006 012 130 U1 verwiesen in der ein statischer Vierkant-Wendelmischer beschrieben ist.
-
Darstellung der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen statischen Mischer mit einem, einen Strömungskanal zumindest abschnittsweise begrenzenden, geraden Hohlzylinder in dem wenigstens ein Umströmungskörper eingebracht ist, derart weiterzubilden, so dass die Durchmischungseffizienz, d.h. ein Verhältnis aus Durchmischungsqualität und einem zu überwindenden Durchmischungswiderstand, der die zu durchmischende Stoffströmung bei Durchtritt durch den statischen Mischer zu überwinden hat, optimiert werden soll. Neben dem angestrebten Ziel einer möglichst effektiven Durchmischung mit einem möglichst geringen Energieeinsatz, der zur Überwindung des mischungsbedingten Strömungswiderstand erforderlich ist, gilt es überdies die auf die zu durchmischende Stoffströmung einwirkenden mechanischen Belastungen, in Form von Scherkräften u.ä., gering zu halten, um eine möglichst schonende Durchmischung zu gewährleisten. Mit Hilfe des neuartigen statischen Mischers soll es möglich sein, insbesondere sensible Medien, in denen bspw. biologisch wirksame Stoffe und Elemente enthalten sind, effektiv aber auf sanfte Weise zu durchmischen.
-
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Ein lösungsgemäßes Verfahren zur Durchmischung einer Stoffströmung ist Gegenstand des Anspruches 11. Den Erfindungsgedanken in vorteilhafter Weise weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung unter Bezugnahme auf illustrierte Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
-
Ein lösungsgemäßer statischer Mischer mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 zeichnet sich dadurch aus, dass der Umströmungskörper ein Oloid ist, das über eine Oloid-Längsachse verfügt, die mit einer dem geraden hohlzylinderförmigen Strömungskanal zuordenbaren Zylinderachse zusammenfällt.
-
In an sich bekannter Weise ist das Oloid durch zwei Kreise mit identischen Kreisdurchmessern definiert, die im lösungsgemäßen statischen Mischer mit dem Innendurchmesser des geraden Hohlzylinders identisch sind.
-
Ein Oloid definiert sich als eine konvexe Hülle zweier gleich großer, sich senkrecht schneidender Kreise, deren Mittelpunkte einen Abstand zueinander haben, der gleich ihrem Radius entspricht. Die Oberfläche eines Oloids ist mit Ausnahme zweier Kanten, die jeweils eine 240°-Bogenlängserstreckung besitzen und Teil der das Oloid bildenden Kreislinien sind, ansonsten vollständig glatt. Konstruktionsbedingt weist das Oloid eine Oloid-Längsachse auf, längs der das Oloid eine Länge besitzt, die dem dreifachen Kreisradius entspricht. Durch die lösungsgemäße Anordnung des Oloids innerhalb des gerad- hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanals derart, so dass die Oloid-Längsachse mit der Zylinderachse des gerad hohlzylinderförmigen Strömungskanals zusammenfällt, ist eine erste der beiden 240°-Bogenkanten einer durch den Strömungskanal hindurch tretenden Stoffströmung zugewandt orientiert und teilt den Strömungskanal unmittelbar stromab der ersten 240°-Bogenkante in zwei separate Strömungskanalabschnitte auf.
-
Das Oloid ist über vier Berührpunkte bzw. Kontaktstellen fest und stationär, d.h. unbeweglich, mit der Innenwand des gerad hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanals gefügt. Ein erstes Paar der vier Berührpunkte bzw. Kontaktstellen befindet sich jeweils diametral gegenüber liegend längs einer der beiden 240°-Bogenkanten, das zweite Paar Berührpunkte bzw. Kontaktstellen befindet sich jeweils diametral gegenüber liegend längs der zweiten 240°-Bogenkante. Die Verbindungsdurchmesser, die jeweils beide Berührpunkte pro der erwähnten Paare, verbinden sind orthogonal zueinander orientiert.
-
Die Form und Größe des Oloids ist durch die Größe des Kreisdurchmessers, beider sich jeweils orthogonal schneidender Kreisflächen eindeutig bestimmt und durch den Innendurchmesser des gerad hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanals vorgegeben.
-
Durch die eindeutig bestimmte Oberflächengeometrie des Oloids sowie dessen eindeutig bestimmte Lage innerhalb des gerad hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanals erfährt eine durch den Strömungskanal hindurch tretende und das Oloid passierende Stoffströmung eine bestimmte Strömungsbeeinflussung, der nachfolgenden Art:
- Im Wesentlichen lässt sich die Über- bzw. Umströmung des Oloids innerhalb des hohlzylinderförmigen Strömungskanals in vier Teilabschnitte unterteilen, die sich in axialer Abfolge wie folgt beschreiben lassen:
- Innerhalb eines ersten Strömungsabschnittes, der sich von der ersten 240°-Bogenkante des Oliods, die der Stoffströmung zugewandt orientiert ist, bis zum ersten Verbindungsdurchmesser erstreckt, wird die Stoffströmung in zwei separate Teilströme aufgeteilt.
-
Innerhalb eines zweiten Strömungsabschnittes, der sich vom ersten Verbindungsdurchmesser bis zum zweiten Verbindungsdurchmesser erstreckt, gelangen randnahe Strömungsanteile innerhalb des Strömungskanals unmittelbar stromab der Berührpunkte, die längs des ersten Verbindungsdurchmessers angeordnet sind, in gegenseitige Durchmischung, wohingegen die im zweiten Strömungsabschnitt mittigen Strömungsanteile des in zwei Teilströme aufgeteilten Stoffstromes bis zu den Berührpunkten längs des zweiten Verbindungsdurchmessers keine oder keine nennenswerte Durchmischung erfahren.
-
Innerhalb eines dritten Strömungsabschnittes, der sich stromab des zweiten Verbindungsdurchmessers bis zur stromabseitigen zweiten 240°-Bogenkante des Oloids erstreckt, erfolgt eine zweite Separierung der jeweils zwei Teilströme an den Berührpunkten des Oloids längs des zweiten Verbindungsdurchmessers.
-
Innerhalb eines vierten Strömungsabschnittes, der sich stromab der zweiten 240°-Bogenkante anschließt, durchmischen sich sämtliche durch das Oloid separierten Teilströme, je nach Art und Fließ- oder Umströmungsgeschwindigkeit der Stoffströmung in laminarer oder turbulenter Weise.
-
Die vier Berührpunkte bzw. Kontaktstellen, an denen das Oloid fest mit der Innenwand des geradhohlzylinderförmigen Strömungskanals verbunden ist, sind idealerweise punktförmig, in realiter möglichst kleinstflächig, verbunden, so dass sich unmittelbar stromab der vier Berührpunkte bzw. Kontaktstellen keine Strömungstoträume ausbilden können, die zu anhaftenden Verunreinigungen führen und das Umströmungsverhalten und das damit verbundene Durchmischungsvermögen des Oloids nachhaltig beinträchtigen können. Vorzugsweise gilt es, die Berührpunkte bzw. Kontaktstellen strömungsdynamisch auszugestalten, so dass eine weitgehend laminare Umströmung der vier Berührpunkte bzw. Kontaktstellen möglich wird.
-
Ferner bildet die strömungsdynamisch günstige Raumform des Oloids i.V.m. dessen vier Berührpunkten bzw. Kontaktstellen an der Hohlzylinderinnenwand, die gleichsam strömungsdynamisch günstige Umströmungskulissen darstellen und keine Strömungstoträume bilden, die Voraussetzung für den Einsatz des statischen Mischers in hygienisch anspruchsvollen Bereichen, wie bspw. in der Pharmazie, Kosmetik oder im Lebensmittelbereich o.ä.. So lässt sich der Mischer, bspw. mittels einer Durchspülung mit einer Reinigungsflüssigkeit, rückstandsfrei leicht säubern.
-
Alternativ bietet es sich an sämtliche Oberflächen des Oliods und der Innenwand des Strömungskanals aus einem chemisch inerten Material zu fertigen, um jeweiligen Hygienestandards entsprechen zu können. Zudem lassen sich die vorstehenden Oberflächen bedarfsweise mit einer funktionellen Beschichtung versehen, bspw. mit einer bioverträglichen, antimikrobiellen, Nanostruktur-bildenden und/oder mikrostrukturierten Schicht
-
Vorzugsweise ist der Umströmungskörper mit dem Hohlzylinder über eine bloße Klemmpassung verbunden, d.h. die vier Berührpunkte bzw. die vier Kontaktstellen sind durch die bloße Außenkontur des Oloids sowie auch der hohlzylinderförmigen Innenmantelfläche des Strömungskanals definiert und nahezu punktförmig ausgebildet.
-
Alternativ bietet es sich an, den Strömungskanal und das innerhalb des Strömungskanals angeordnete Oloid einstückig auszubilden, beispielsweise unter Nutzung eines generativen Herstellungsverfahrens.
-
Gleichsam ist es ebenso möglich, das Oloid mit Hilfe geeigneter Verbindungsmittel, beispielsweise in Art einer Schweiß- oder Lötverbindung oder unter Nutzung eines adhäsiv wirkenden Haftermittlers oder im Wege einer Schraubverbindung vorzugsweise dauerhaft fest mit dem hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanals zu verbinden.
-
Der lösungsgemäße statische Mischer eignet sich grundsätzlich zur Durchmischung von Stoffströmen beliebiger Art und Zusammensetzung. Neben fluiden Stoffströmen beliebiger Konsistenz und Viskosität können auch Pulver- oder partikuläre bzw. granuläre Medien sowie auch hybride Stoffstromzusammensetzungen aus flüssigen, gasförmigen oder pulver- oder granulären Bestandteilen mit Hilfe des lösungsgemäßen statischen Mischers effektiv und schonend durchmischt werden.
-
Die Durchmischung erfolgt nicht nur zu Zwecken einer stofflichen Vergleichmäßigung bzw. Homogenisierung eines Stoffes oder Stoffgemisches innerhalb der Stoffströmung, vielmehr dient der statische Mischer auch zur Vergleichmäßigung bzw. der Temperatur- und/oder von Konzentrationsunterschieden innerhalb der Stoffströmung. Allgemein hilft der statische Mischer Gradienten jeglicher Art innerhalb der Stoffströmung zu beseitigen.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform ist stromauf des Oloids wenigstens ein Mittel vorgesehen, durch das zusätzlich zu der durch den Strömungskanal hindurchtretenden Hauptströmung wenigstens ein Zusatzstoff bzw. ein weiteres Medium in den Strömungskanal einspeisbar ist. In einfachster Form ist hierzu eine Öffnung in der den Strömungskanal begrenzenden hohlzylinderförmigen Wand eingebracht, durch die das zusätzliche Medium druckbeaufschlagt in die Hauptströmung eingespeist werden kann.
-
Anstelle einer oder in Kombination mit einer Einspeiseöffnung sieht eine weitere Ausführungsform stromauf des Oloids eine in den hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanal hineinragende Zuführlanze vor, über die wenigstens ein zusätzliches Medium in das Innenvolumen des hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanals und der darin strömenden Hauptströmung eingebracht werden kann.
-
Je nach Art, Beschaffenheit und/oder Menge einer zu durchmischenden Stoffströmung sieht eine bevorzugte Mischeranordnung wenigstens zwei, vorzugsweise mehr seriell hintereinander längs des Strömungskanals angeordnete Oloide vor, durch die eine seriell nacheinander erfolgende Mehrfachdurchmischung der Stoffströmung realisierbar ist. Vorzugsweise unterscheidet sich die Lageanordnung zweier längs des hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanals angeordneter Oloide, d.h. ihre jeweils ersten Verbindungsdurchmesser schließen einen Winkel α ein, für den gilt: 0° < α < 180°.
-
Je nach Art der mit Hilfe des lösungsgemäßen statischen Mischers zu durchmischende Stoffströmung ist die Fließ- bzw. Durchtrittsgeschwindigkeit, mit der die Stoffströmung den gerad hohlzylinderförmigen Strömungskanal passiert und dabei das Oloid umströmt, derart wählbar, dass die Stoffströmung das Oloid laminar umströmt, um so eine möglichst sanfte bzw. schonende Durchmischung der Stoffströmung zu bewirken. Gleichfalls bietet der lösungsgemäße statische Mischer die Möglichkeit, eine Stoffströmung durch entsprechend hohe Fließgeschwindigkeit durch den Strömungskanal stromab des Oloids unter Ausbildung einer turbulenten Strömung zu durchmischen.
-
Figurenliste
-
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
- 1 Oloid innerhalb eines gerad hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanals und
- 2 Querschnitt durch einen Oloid innerhalb des Strömungskanals,
-
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
-
1 zeigt einen hohlzylinderförmig ausgebildeten Strömungskanal 1, in dem ein Umströmungskörper 2 in Form eines Oloids eingebracht ist. Das Oloid 2 ist an vier Berührpunkten bzw. Kontaktstellen 3', 3", 4', 4" mit der Innenwand 5 des geraden hohlzylinderförmigen Strömungskanals 1 fest verbunden, siehe auch 2, aus der ein Querschnitt des innerhalb des Strömungskanals 1 befestigten Oloids 2 zu entnehmen ist.
-
Das Oloid 2 weist eine erste 240°-Bogenkante 6 auf, die der Strömungsrichtung einer durch den Strömungskanal hindurchtretenden Stoffströmung 7 zugewandt orientiert angeordnet ist. Die erste 240°-Bogenkante 6 des Oloids 2 sowie auch die zweite 240°-Bogenkante 8 des Oloids, die im dargestellten Beispiel als Abströmkante dient, sind jeweils Teile einer Kreislinie, deren Kreisdurchmesser dem Innendurchmesser 9 des gerad hohlzylinderförmigen Strömungskanals 1 entspricht. Dabei befinden sich die ersten Berührpunkte bzw. Kontaktstellen 3', 3" längs eines ersten Verbindungsdurchmessers 8' und die Berührpunkte bzw. Kontaktstellen 4', 4" längs eines zweiten Verbindungsdurchmessers 8". Geometriebedingt sind die ersten und zweiten Verbindungsdurchmesser 8', 8" durch einen Abstand 10 axial voneinander beabstandet, der der Hälfte der Verbindungsdurchmesser 8', 8" bzw. 9 entspricht.
-
In der in 1 illustrierten Ausführungsform sei angenommen, dass eine Stoffströmung 7 den Strömungskanal 1 in der angegebenen Pfeilrichtung durchströmt. Optional sieht die Wand des geraden hohlkanalförmigen Strömungskanals 1 eine Öffnung 11 vor, durch die eine Zuführlanze 12 in den Innenraum des Strömungskanals 1 mündet, über die ein zusätzliches Medium 13, das in einem Reservoir 14 bevorratet ist, druckgetrieben, beispielsweise mit Hilfe einer Förderpumpe 15, in den Innenraum des Strömungskanals 1 einspeisbar ist. Stromab der Zuführlanze 12 erfolgt eine vollständige und schonende Durchmischung der Stroffströmung 7 mit dem zusätzlich eingespeisten Medium 13.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- gerader hohlzylinderförmiger Strömungskanal
- 2
- Umströmungskörper, Oloid
- 3', 3''
- Berührpunkt bzw. Kontaktstelle
- 4', 4''
- Berührpunkt bzw. Kontaktstelle
- 5
- Innenwand
- 6
- erste 240°-Bogenkante
- 7
- Stoffströmung
- 8
- zweite 240°-Bogenkante
- 8'
- erster Verbindungsdurchmesser
- 8"
- zweiter Verbindungsdurchmesser
- 9
- Innendurchmesser
- 10
- Abstand
- 11
- Öffnung
- 12
- Zuführlanze
- 13
- Medium
- 14
- Reservoir
- 15
- Förderpumpe
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202006012130 U1 [0005]
