DE10357088A1 - Ringspaltdüse - unter Anderem zur Viskositätsmessung - Google Patents

Ringspaltdüse - unter Anderem zur Viskositätsmessung Download PDF

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DE10357088A1 DE2003157088 DE10357088A DE10357088A1 DE 10357088 A1 DE10357088 A1 DE 10357088A1 DE 2003157088 DE2003157088 DE 2003157088 DE 10357088 A DE10357088 A DE 10357088A DE 10357088 A1 DE10357088 A1 DE 10357088A1
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Abstract

Der über eine Röhre (Kreislichkapillare) laminar transportierbare Volumenstrom ist begrenzt. Eine Durchflussmengen- oder Viskositätsbestimmung nach der Gesetzmäßigkeit von Hagen-Poiseuille kann bei größeren Flussmengen nicht korrekt arbeiten. DOLLAR A Indem der Fluidstrom in einer (erweiterten) Röhre (6) durch einen einteiligen Kerneinbau auf eine durch diesen selbst exakt konzentrisch fixierte zylinderrohrförmige Flussbahn - den Ringspalt - geleitet wird - wobei dieser Kern aus einem Führungsteil (z3) (durch den das Fluid ohne Drosselung fließt) einem Übergang (z4, z5) und einem Ringspaltteil (z6) besteht - wird eine große reguläre Kontaktoberfläche für das Fluid erzeugt. DOLLAR A Ermöglicht werden beliebig hohe laminare Volumenströme, kurze Bauformen, leichte Reinigung, ein einfacher Aufbau für berechenbare Strömungen (-> Viskositäts- und Flussmengenbestimmung, Drosselapparate) durch/mit großer Oberfläche (Wärmetransport, Katalyse).

Description

  • Die Erfindung betrifft Bauart und Einsatz einer im wesentlichen zweiteiligen Düsenanordnung, gemäß den kennzeichnenden Merkmalen in den Ansprüchen, für großvolumige laminare Fluidströmungen, insbesondere für fluide Medien von sehr geringer bis geringer Viskosität (0 bis ca. 100mPa·s) und hohe kontrollierbare Flussmengen erlaubt bzw. bei Medien höherer Viskosität, verwirbelungsreduzierte Materialströme ermöglicht.
  • In der Regel werden laminare Strömungen – also Strömungen die dem Gesetz von Hagen und Poiseuille entsprechen und berechenbar sind – dadurch verwirklicht, dass zur Viskosität des Fluids passende Zylinderrohre bzw. Kreislochkapillaren mit entsprechenden Durchmessern und Längen eingesetzt werden. Die Menge eines Fluids, das in einer Zeiteinheit durch eine glatte Röhre berechenbar transportierbar ist durch eine obere Fließgeschwindigkeit (0 < Reynolds-Zahl < 2300), beschränkt. Um eine entsprechend größere Flüssigkeitsmenge so zu befördern, dass Druck und Volumenstrom glatt proportional korrelierbar sind – wie für Viskositäts- und Durchflussmessungen über Kapillaren – müssten mehrere Röhren oder eine entsprechend breite Schlitzdüse in Anwendung kommen. Dabei bereiten die Randeffekte der Schlitze in einem Berechnungsmodell Schwierigkeiten und mehrere Röhren sind schwieriger genau gleichartig herzustellen, in gleichem Zustand zu halten und zu warten; außerdem treten durch gegenseitige Beeinflussung komplizierte Ein- bzw. Austrittströmungen auf. Sogenannte „Laminar-Flow-Elemente", die quasi als Röhrenbündel und auch aus ineinanderstehenden Zylinderröhren, teilweise mit längsgewellter Struktur, aufgebaut sind, erzeugen laminare Strömungen, sind jedoch hydrodynamisch – für Viskositätsmessungen – kaum besser geeignet, als ein Filterkuchen.
  • Komplex aufgebaute Strukturen zur Laminarflußerzeugung, wie Röhrenbündel, Filtergewebe, filzarige oder poröse Werkstoffe sind insofern für den Zweck ungeeignet, da sich deren strömungsmechanisches Verhalten nicht aus geometrisch unmittelbar bestimmbaren Verhältnissen ergibt. Außerdem ist eine hinreichend genau reproduzierbare Herstellbarkeit kaum möglich.
  • Die Viskosimetrie ist die messtechnische Disziplin zur Charakterisierung der Fließeigenschaften Newtonischer Fluide. Nicht nur die Bestimmung der Zähigkeit für sich, als Materialcharakteristikum einer Qualitätssicherung genommen, ist wichtig, sie ist für physiologische Vorgänge im zellulären und interzellulären Medium der Organismen eine entscheidende Größe; – genauso für Filtrationsprozesse, für geschmackliche Eigenschaften (z.B. Vollmundigkeit von Bier), für tribophysikalische Eigenschaften (Schmier- und Getriebeöle [DIN 51512]) etc. und indirekt für die Kunststoffprüfung (Lösungsviskosimetrie zur Bestimmung von Polymerisationsgraden etc. [DIN 53736, DIN 53727, DIN 35728 u.v.m.]). Zur Messung der Viskosität bei Flüssigkeiten werden i.d.R. Niederdruck-Kapillarviskosimeter eingesetzt, die nach dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz arbeiten, eine Kapillarröhre enthalten und wobei die Bestimmung der Viskosität auf Zeitmessung beim Durchfluss einer definierten Fluidmenge beruht. Auch Kugelfall- und Kugelrollviskosimeter, nach dem Prinzip von Stokes, wobei die Sinkgeschwindigkeit einer Kugel der Viskosität entspricht, finden Anwendung (Höppler-Viskosimeter). Viskosimeter bzw. Rheometer, die mit einem rotierenden Geräteteil und Drehmomentmessung am Rotor oder an einem Stator arbeiten, werden breit eingesetzt. Bei letztgenannten ist jedoch die Reproduzierbarkeit insbesondere bei nierderviskosen Flüssigkeiten bisher noch unzureichend, außerdem kann der Einfluss des Messvorgangs auf das Messergebnis ungünstig sein – z.B. bei scherempfindlichen Stoffen.
  • Die weiteste Verbreitung von Kapillarviskosimetern betrifft die Gruppe der Glas-Kapillarviskosimeter (Bauarten nach Ubbelohde [DIN/ISO 3105, DIN 51562], Ostwald, Cannon-Fenske [DIN 51366]), die je nach Ausgestaltung mit einer Glaskapillare mit dem Durchmesser ca. 0,35 bis 3,5mm den Bereich 0,2 bis über 10.000mm2·s-1 abdecken [Lit. Firmenschrift, „Theorie und Praxis der Kapillarviskosimetrie", Schott-Geräte GmbH]. Die Innendurchmesser der KPG-Kapillaren können auf ±0.01 mm genau hergestellt werden – (auch) daher muss jedes Viskosimeter individuell kalibriert werden. Im klassischen Anwendungsfall sind Messzeiten von mindestens 100 Sekunden bei bis zu 20cm3 Probe üblich. Ausgesprochen problematisch ist die Reinigung bei Inbetriebnahme, Probenartwechsel oder Verstopfungen. Da die Kapillare für eine mechanische Reinigung kaum bzw. nicht zugänglich ist, werden sehr aggressive chemische Reinigungsmittel, wie Chromschwefelsäure oder Salzsäure/Wasserstoffperoxid eingesetzt. Der sogenannte Auslaufbecher [DIN 53211] oder „Fordbecher" verfügt über zugängliche und gut zu reinigende „Kapillaren", die bei manchen Ausführungen austauschbar sind. Für präzise Messungen ist dieses Gerät jedoch nicht zu gebrauchen, da mit der relativ kurzen Röhre lediglich eine sehr grobe Differenzierung möglich ist.
  • In der Patentschrift DE 19963686 C2 werden Vorrichtung und Verfahren zur Viskositätsmessung beschrieben, wobei eine Flüssigkeit durch ihren hydrostatischen Druck durch eine Kapillaröffnung im Boden eines Gefäßes ein- bzw. ausströmt und wobei über die Gewichtsänderungen am Gefäß durch den Transportvorgang aus dem Massestrom die Viskosität berechnet wird. (Daneben dient das Volumen des Gefäßes auch zur Dichtemessung.) [Lit.: Firmenschrift MSB Breitwieser, imeter, Oberflächenspannung Viskosität und Dichte, Ausgabe PIOVID2003 I-P]
  • Um mit dieser Vorrichtung präzise Messungen ausführen zu können, die zyklisch wiederholbar sein sollen, ergeben sich in der Praxis Anforderungen, denen mit bekannten Mitteln nicht oder nur unzureichend begegnet werden kann. Es soll mit einem solchen Körper ( DE 19963686 C2 ) ein möglichst breiter Viskositätsbereich abgedeckt werden; die Messdauer soll möglichst kurz sein; die beim Messen erzeugte Strömung soll die Probe umwälzen, damit auf einen Rührer verzichtet werden kann und sich in der Probe keine Temperaturgradienten bilden sowie ggf. einer Entmischung entgegengewirkt wird. Feine Kapillarröhrchen neigen zur Verstopfung. Daher müssen, um dies zu vermeiden, Probenflüssigkeiten gefiltert werden. Außerdem ist die Herstellung und auch Reinigung dünner Langlöcher aufwändig. – Wodurch weitere Einzelheiten zu wünschenswerten Verbesserungen genannt sind.
  • Die Förderung von fluiden Stoffen ist zweifellos eine bedeutende und vielfältige Thematik – ob es in diesem Zusammenhang um Viskositätsmessung geht, um Transportmengenerfassung, um die Zuführung von Motoren-, Triebwerks- oder Heizanlagen-Brennstoffe, um die Förderung von flüssigen Rohstoffen, Chemikalien, Lebensmittel, Gießbeton, Formmassen, Metallschmelzen, um Kunststoffschmelzen in Verarbeitungsmaschinen, um Antriebsfluide für Turbinengeneratoren u.v.a. – häufig ist die Berechenbarkeit/Kontrollierbarkeit der Flussmenge wichtig. Eine Druckproportionale Fördermenge in Rohrleitungen setzt subturbulente Strömungsverhältnisse voraus. Durch Mittel, die zumindest in einem Teilbereich einer Förderstrecke laminaren Fluss erzwingen, können Fördermengenschwankungen, Pulsation des Fördergutes, plötzlicher Druckanstieg im laminarturbulent-Übergang bzw. Leistungsabfall vermindert werden. Eine der technischen Möglichkeiten besteht in der Vergrößerung der umströmten Oberfläche, die durch Wandgleiten die laminare transportierbare Durchflussleistung zu erhöhen erlaubt.
  • In Literatur und Technik werden Ringspaltdüsen und Nadeldüsen beschrieben und eingesetzt, die somit eine umströmte Oberfläche vergrößern. Diese unterscheiden sich jedoch von der erfindungsgemäßen Ringspaltdüse in wesentlichen Punkten des Aufbaus und sie gehören z.B. zu bestimmten Wärmetauscherbauarten, Düsengeometrietypen bei der Schlauchextrusion, Freistrahleinrichtungen zur Francis-Turbine etc. doch im Allgemeinen nicht zum Arbeitsgebiet Durchfluss- und Viskositätsmessung.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Zur Verbesserung einer Viskosimeterdüse aufgrund vorgenannter Anforderungen, durch andere, einen Laminarfluss ermöglichende Bauformen, wurden einige verschiedene Arten von Schlitzdüsen hergestellt und getestet. Der erfinderische Einfall zur Lösung der technischen Probleme ergab sich plötzlich aus einem fehlerhaften Drehteil, welches als Rohform für einen Schlitzeinsatz – zur Bildung einer Art von Spalt oder Fugendüse – in einer breiten Zylinderbohrung vorgesehen war, indem der Kernrohling ab einer bestimmten Länge zufällig mit einem zu kleinem Radius hergestellt wurde – es wurde zuviel abgedreht – und sich von dieser Stelle an ein regulärer, fixierter und durchgängiger Ringspalt ergab. Zugleich war auch eingefallen, dass der Zulauf zu diesem Ringspalt durch Kanäle in dem Bereich erfolgen muss, der passgenau in der Zylinderbohrung verläuft, also in der korrekt gedrehten Strecke, ohne die Passform und Führungs- bzw. Fixierungsfunktion zu beeinträchtigen.
  • Zeichnungen Zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen in ersten Ausführungsbeispielen 8 Zeichnungen, Teilweise in Schnittdarstellung und 2 Zeichnungen als Diagramme zu den Beispielen sowie eine Tabelle.
  • 1 skizziert ein einfaches Model der Ringspaltdüse. In 2 sind einige Varianten für den Zulaufbereich im Schnitt gezeichnet. 3 bis 7 gibt Bauartbeispiele für erfindungsgemäße Ringspaltdüsen an. Anhand von 8 wird ein Viskositätsmessverfahren und ein Einsatzbeispiel der Ringspaltdüse erklärt und 9 und 10 zeigen einen empirischen Vergleich von erfindungsgemäßer Ringspalt- bzw. Kreisringdüse anhand von Diagrammen zu Auslaufzeit und Viskosität. In 11 wird eine tabellarische Übersicht zu ersten Messergebnissen gegeben.
  • Die in den Figuren als Bezugszeichen verwendete Zahlen indizieren körperliche Teile; Zahlen mit vorangestelltem „z" bezeichnen funktionale Bereiche – Zonen – in den Zeichnungen zu den ersten Anschauungsmodellen der erfindungsgemäßen Ringspaltdüse, die im Folgenden teilweise schlicht als „Ringspaltdüse" betitelt wird.
  • 1 zeigt eine Ringspaltdüse in vereinfachter Form, wie sie für Viskositätsmessungen in den Beispielen eingesetzt wurde. In einer vertikal stehenden Zylinderröhre 6 befindet sich ein einteiliger zylindrischer, exakt konzentrisch zur Röhre angeordneter Kern 5, der oben durch eine Aufweitung 8 (z2) am Eingang der Röhre durch Schwerkraft bzw. Haftreibung durch passegenaue Röhrenausfüllung im oberen Kernteil 2 gehalten wird. Eine axiale Bohrung 1, als Zulaufbereich z3, trifft auf eine (oder mehrere) radiale Bohrungen) 9, die den Kern 2 durchquert und verbindend wirkt. An dieser Stelle ist der Durchmesser des Kerns verkleinert, so dass ein ringförmiger Hohlraum 3 entsteht – der Erweiterungsbereich z4 mit der Einströmzone z5. Daran nach unten anschließend ist der Kerndurchmesser wieder soweit vergrößert, so dass zwischen ihm und der Röhre 6 eine Fuge 4 zurückbleibt. Dieser Fugenbereich z6 bildet den Kreis- oder Ringspalt 4.
  • Ein Fluid kann die Zulaufzone z3 und den Erweiterungsbereich z4/z5 ohne besonderen Druckverlust passieren, da erst nachfolgend, durch entsprechende Dimensionierungen, die Drosselwirkung im Ringspalt 4 durch die große benetzbare, als Stator wirkende Fläche, die Kernaußen- und Röhreninnenfläche bilden, entsteht. Die Wirkung der gezeigten Ringspaltkapillare ist für beide mögliche Flussrichtungen etwa gleich. Der hier scharfkantig gezeichnete Bereich (z5 und z7) verursacht bei auf bzw. abwärts verlaufender Strömung vergleichbare hydrodynamische Einlaufströmungen, die zu einer gewissen Abweichung vom Ideal des Hagen-Poiseuille'schen Gesetzmäßigkeit führen mag. (Solche Störungen sind bei endlichen Kapillarlängen unvermeidlich, sie nehmen jedoch mit der Reynolds-Zahl im Ausmaß ab.) In 2 wird eine kleine Auswahl verschieden gestalteter Zulaufbereiche z3 im Schnitt gezeigt. Als Vorschlag ist eine (zentrale) axiale Bohrung 10 gut geeignet da sie einfach herzustellen und zu reinigen ist und mit so weitem Durchmesser gefertigt werden kann, dass praktisch keine Strömungshemmung auftritt. Dabei kann es jedoch vorkommen, dass der Querkanal 9 in eine nicht kreissymmetrische Ringkammer 3 führt. Denn über den Erweiterungsbereich 3 sollte vom durchgehenden Kern genügend Werkstoff übrig bleiben, um den Zulauf- und Spaltenbereich möglichst in Einem, aus einem Werkstück aufgebauten Kernstück (5 und 6) zusammenzuhalten. Auch ein Aufbau, wobei Ringspalt- 5 und Zulauf-Teil 2 z.B. aus zwei Teilen ineinandergefügt werden, benötigt eine Verbindung über den Erweiterungsbereich z4 und die Einlaufzone z5. Der Kanal 9 bzw. mehrere Kanäle 9 können schräg angesetzt werden. Dabei können sie (schräg) ganz durchgehen oder in der Axialbohrung enden, so dass bei mehreren, aufwärts, zum Zulaufbereich z3 verlaufenden Kanälen 9 eine kegelartige Spitze am Ende der Axialbohrung entsteht, die somit kein Totvolumen bildet. Der Ansatz solcher Verbindungskanäle im Erweiterungsbereich z4 kann so ausgeführt sein, dass zwischen diesen halbkegelartige Nasen in Richtung Ringkammer 3 führen – die so eine kronenförmiges Dach erhält – und auch hier kein Totvolumen entsteht bzw. ein Bereich unsymmetrischer Anströmung bzw. ein Bereich in dem sich andere Phasen (Gasbläschen, Rückstände, Sedimente) halten können. Eine andere Ausgestaltung des Zulaufbereichs kann durch Außeneinschnitte, Schlitze oder Bohrungen erfolgen (11, 12, 13, 15, 16, 17), die jedoch bei gleicher Baulänge eine reduzierte Führungsfunktion für den Ringspalt mitbringen, wenngleich die Ringkammer mit diesen Varianten einfacher gestaltet werden kann. Der Kern kann axial durchschnitten sein (14). Oder es kann eine günstige Alternative sein, die Röhre selbst zu verändern und diese mit einem oder mehreren Kanälen auszustatten (18), die bis zu einem Erweiterungsbereich (z4, z5, 3, 3a) führen – der selbst ebenfalls ausschließlich in der Röhre oder in der Röhre und am Kern (3a in 4) vorliegen kann.
  • Mit 3 wird eine Variante für die Ringspaltdüse vorgeschlagen, die beidseitig des Ringspaltes in einer Röhre fixiert ist. Diese Form hat den Vorteil, dass der Halterungsbereich z3 verkürzt gebaut werden kann. Ein solches Element kann z.B. in Rohrleitungen angeflanscht sein (zur Druck/Flussmessung, als Laminarflusselement, Pulsationsdämpfer). Als eine mögliche, konkrete Anwendung ist denkbar, eine solche Ringspaltdüse im Bypass oder besser noch inline, in den Motoröl-Strom z.B. nach dem Ausgang aus dem Ölfilter zu schalten, um – definierte Volumenströme und ggf. Temperaturerfassung vorausgesetzt – die Viskosität des Schmiermittels durch entsprechende Druckmessung online zur Qualitätsüberprüfung zu verfolgen. Auf die Symmetrie des Aufbaus kann in diesem Fall selbstverständlich verzichtet werden, da der Betrieb nur in einer Strömungsrichtung erfolgt.
  • In 4 sind Kern und Röhre mit Schraubengewinde 19 im Halterungsbereich ausgestattet und in der Röhre ist ein Teil des Erweiterungsbereich (3a) des Ringspaltes ausgeführt. Der Erweiterungsbereich 3a könnte z.B. hier ebenso durch den Gewindeansatz gebildet werden. Zur Montage kann stirnseitig auf dem Kern 5 z.B. ein Schraubendehrschlitz oder ein Nest für einen Inbusschlüssel o.A. angebracht sein. Eine andere Art die Kapillardüse zu fixieren zeigt 5. Hier ist die Halterungszone z3 und der zugehörige Teil der Röhre konisch geformt. Diese Bauweise bietet sich für Glas, glasartige und keramische Werkstoffe an. So verfügt man z.B. in Glasbläsereien über entsprechende Werkzeuge um dicht schließende Schliffstopfen und Hülsen in Normmaßen herzustellen. Quarz oder technische Gläser sind aufgrund der Durchsichtigkeit, guter Benetzbarkeit und chemischer Resistenz für die Anwendung der Erfindung besonders prädestiniert. Im Übrigen können hier und bei den anderen Bauformen für die Ringspaltdüse, alle Metall- und Nichtmetall-Werkstoffe eingesetzt werden. Bei verschiedenen Materialien oder Beschichtungen für Kern oder Röhre hinsichtlich Wärmedehnung, Quellbarkeit im Medium, Elastizität, kann eine intelligente Strömungsregulierung durch den entsprechenden Reiz (Temperatur, Fluidzusammensetzung, Förderdruck) bewerkstelligt werden. So kann beispielsweise durch einen relativ großen Ausdehnungskoeffizienten des dem Ringspalt zugewandten Materials am Kern (gegenüber einem kleinen am Gehäuse) durch Temperaturerhöhung eine Spaltverkleinerung bewirkt werden, die (z.B.) auf den Temperatur-Viskositätskoeffizienten des Fluids abgestimmt ist und so einen von Temperaturwechseln unabhängigen Volumenstrom ermöglicht (→ Brennstoffzuführungen). In 6 ist der Ringspalt als sich verjüngender Konus ausgebildet. Ein Fluid erfährt dadurch längs des Spaltes eine Beschleunigung bzw. als kompressibles Fluid (teilweise) eine Druckerhöhung. Die bei parallel-konzentrischer Ringspaltführung am Ende 7 austretende parallele Schleierströmung, nimmt in diesem Fall einen konfokalen Verlauf. Je nach Strömungsgeschwindigkeit/Förderdruck und stromlinienförmiger Gestaltung der Ringspaltdüse am Austrittsbereich kann, sofern der Ausgang 7 ein Leitungssystem verlässt, ein zusammenhängender Freistrahl entstehen – zum Transport von kinetischer Energie und/oder Stoffmengen (→ Fontänen, Springbrunnen, Löschwasser- und Feuerlöscherdüsen). Das Profil einer laminaren Strömung im Ringspalt entspricht, wie bei kreiszylinderförmigen Röhren, dem einer Parabel. Jedoch ist das parabolische Profil spitzer angelegt, weil ein zur Röhrenwand stattfindender Impulsaustausch der Fluidteilchen nur in einer Ebene stattfinden kann. In einer Röhre entspricht die räumliche Geschwindigkeitsverteilung der Form eines Rotationsparaboloiden – in einem Ringspalt gleicht sie einem Torus mit gestrecktem Parabelprofil. Die strömungsmechanischen Eigenschaften in der Ringspaltdüse sind mathematisch mit der newtonischen Modellvorstellung zur Scherung bzw. Viskosität einfacher übereinzubringen, da im Eigentlichen eine zweidimensionale Schichtenströmung vorliegt, die zudem durch den Ringschluß ohne Randeffekte ist. Aus diesem Grunde ist zu erwarten, dass die Ringspaltdüse mit hinreichend langem parallel geführten Spalt auch für die Hochdruck-Kapillarviskosimetrie – bzw. in diesem Fall besser Rheologie zu benennen – sehr vorteilhaft eingesetzt werden kann. In dieser Disziplin werden sonst oft, neben Kreislochdüsen, auch Schlitzdüsen eingesetzt, die, weil sie wegen Randeffekten schwierig mit der mathematischen Modellierung zu verbinden sind, unschöne und oft individuelle Korrektionsterme benötigen. So ist zu erwarten, dass die verschiedenen nicht-Newtonischen Fließ-Modi (Plastizität, Strukturviskosität, Dilatanz, Rheopexie und Thixotropie) durch Messungen mit der Ringspaltdüse besser einheitlich definierbar und reproduzierbar messbar werden.
  • Um auch bei der idealen Ringspaltdüse eine physikalische Idealform anzusprechen: diese hätte einen unendlich großen Durchmesser, so dass Kern- und Röhrenoberflächen quasi gleich groß sind und keine unterschiedliche Wandreibung, die, in Flussrichtung bei relativ größerem Spalt, durch einen zum Außenrohr ausgelenkten Fließvektor zu einer Rotation führt. Praktisch dürfte dieser Effekt jedoch nützlich sein, da eine konvektive Quervermischung die Folge ist (z.B. bei Wärmetauschern und bei heterogener Katalyse). Ein Strömungsmechanischer Grenzfall, die Spalten- oder Sickerströmung bis zum Übergang zur Diffusion, wird durch entsprechend enge Spalten mit der erfindungsgemäßen Ringspaltdüse der gesonderten Beobachtbarkeit zugänglich. Im speziellen Fall, der in 6 dargestellt ist, bei dem gleichbetragende Kegelwinkel an Röhre und Kern vorliegen, führt eine Längsverschiebung des Kerns entsprechend zu einer Spalt-Vergrößerung, -Verkleinerung bis hin zu dichtem Verschluss (→ Tropfdüse, Öler, Nadelverschlussdüse, Reduzierventil). Durch Austauschbare entsprechend kurze Zylinderröhren 10 verschiedener Bauhöhen können vorgegebene Spaltweiten mit einem einzigen Kernelement verwirklicht werden. Mit anderen einfachen Mitteln, wie Schubgewinde oder Schieberversatz kann ebenfalls eine variable Spaltweite zur Flussmengenregulierung erreicht werden. Mit einem gegen ein Zug- oder Druckfederelement (und ggf. Hebel) vorverspannten Kern (vor dem Einlaufbereich z1 oder nach dem Austritt z7), kann dementsprechend eine effektive und einfache mechanische Regulierung realisiert werden. Kernoberfläche und Röhre in der Ringspaltzone z6 müssen nicht notwendigerweise den gleichen Schnittwinkel aufweisen. So kann ein mehr spitzer oder stumpfer Böschungswinkel an Kern oder Röhre vorliegen und bei einem andersinnigen Konus, wobei in Flussrichtung eine Spaltaufweitung eintritt, kann zu hydrodynamisch nützlichen Wirkungen führen (beim Austritt unter entsprechend hohem Druck weitet sich der Schleierstrom, um nach kurzer Flugstrecke unter dem Einfluss der Oberflächenspannung in einen feinen Tröpfchennebel zu zerfallen). In der Verfahrenstechnik ist der sogenannte Taylor Reaktor bekannt, dessen Aufbau eine schematische Ähnlichkeit zu einem solchen Ringspalt oder auch dem Ringspalt in 6 aufweist. (Der Taylor Reaktor wird beispielsweise für Polymerisationsreaktionen angewendet, wobei sich der konische Kern dreht und eine Couette-Strömung (Taylor-Görtler-Wirbel) erzeugt. Bei kontinuierlicher Fahrweise ergeben sich je nach Rührerdrehzahl [und so bewirkter Wirbelflussbremse] unterschiedliche Verweilzeitcharakteristika, die zur Reaktion ausgenutzt werden können. Anwendung findet dieses Verfahren z.B. bei der kontinuierlichen Lösungspolymerisationen, wo bei steigendem Umsatz auch die Viskosität zunimmt. Hier ist beim entsprechenden Taylor-Reaktoren der Spalt zwischen Mantel und Kern in Flussrichtung dementsprechend vergrößert. Übliche Verweilzeiten in einem Taylor Reaktor betragen im Mittel 30 Minuten). Bei entsprechender Dimensionierung und (ggf. turbulenter) Durchströmung kann ein analoger Reaktionsraum in der vorgeschlagenen Ringspaltdüse verwirklicht werden. Dabei könnten auch mehrere Ringspalt- und Erweiterungsbereiche auf einem Kern oder getrennt aufeinanderfolgend angeordnet werden. Der durch die einfache Variierbarkeit der Spaltweite und -Länge erzielbare, hochreguläre Fluidstrom mit Oberflächenkontakt, kann auch besonders anschaulich bei heterogen katalysierten chemischen Reaktionen ausgenutzt werden. Dabei können die Kern- und/oder Rohrwandoberflächen im Ringspalt mit entsprechenden Trägern und Katalysatorsubstraten beschichtet sein. Zusätzliche Strukturierung der Oberfläche(n) kann die Effektivität einer Reaktions-Ringspaltdüse für diese Zwecke zusätzlich steigern (→ größere Raum-Zeit-Ausbeute). Weitere Anwendungsmöglichkeiten bestehen in der Homogenisierung von Substanzgemischen in der Ringspaltströmung oder am Austritt 7, als Düse für kryogene Fluide, wobei der Wärmetransport mit der Expansion des Fluids über die große Oberfläche außerordentlich günstig sein kann. Und entsprechend ist die Erfindung mit dieser Wirkung auch für (andere) Wärmetauscher und Heiz/Kühlelemente besonders geeignet sein. (In der wandnahen Schicht findet der Wärmetransport – auch bei im übrigen Bereich turbulenten Strömungen – durch Wärmeleitung statt. Je größer die wandnahe Schicht ist – und sie ist im Ringspalt natürlich sehr groß – desto effektiver ist auch der Wärmeübergang). Die große innere Oberfläche der Röhre 6 eignet sich auch für Filtrationsprozesse und die (Umkehr-)Osmose, wenn dort ein entsprechend poröses oder permeables Röhrenmaterial eingesetzt wird.
  • Mit 7 wird der Erfindungsgedanke noch ein wenig weiter variiert: Hier kann ein Fluid durch einen seitlichen Zulauf 1a in den Ringspalterweiterungsbereich z4 strömen und gelangt über den Übergangsbereich z5 in den Ringfugenkanal 4. An dessen Ausgang 7 weitere Zuführungen 21 einmünden. Die Austrittszone z7 ist gestaltet nach dem Schnittmuster ähnlich einer Lavaldüse. Über Strömungen durch die Zuführungen 21, die in dieser Anordnung einen Sog über den Ringspalt bewirken, kann das durch den Zulauf 1a gelangende Fluid gefördert werden. Auf diese Weise wird eine Mischdüse verwirklicht mit der Gase, Flüssigkeiten und Gase bzw. Brennstoffe/Brennmittel verdüst (versprüht bzw. verbrannt) werden können (Vergaserdüse). Im Falle einer Befeuerungs- oder Triebwerksanlage, kann der ggf. treibstoffführende Ringspalt wegen seiner relativ großen Oberfläche auch technisch wirkungsvoll gekühlt oder vorgewärmt werden und ein bestimmtes Kraftstoff/Luft-Mischungsverhältnis kann je nach Viskosität über die Spaltgeometrie (Länge, Weite, Durchmesser, einen Kegelwinkel ...) reguliert werden. Ein Zustrom über das Kernelement wäre, wie bei den anderen Bauarten, hier ggf. besonders günstig (diese Ausführungen zu beschreiben wurde jedoch zugunsten der Erläuterung der Variabilität, die im Vordergrund steht, unterlassen). Die partiellen Lösungsvorschläge zu den angedeuteten technischen Details, sind im Allgemeinen als gegenseitig austauschbar zu verstehen. So kann der Kern 2/5 in 1, je nach Baugröße, selbstverständlich im Gehäuse 6 bzw. der Röhre 6 verschraubt, gesteckt oder verdübelt sein, er kann auch eingepresst, geklebt, geschweißt oder gelötet sein etc..
  • Die Verwendung der Erfindung zur Viskositätsmessung, die im Beispiel noch ausführlicher behandelt wird, wird anhand der 8 verdeutlicht (Berechnungsverfahren dazu sind im Prinzip in DE 19963686 C2 angegeben): Die Skizze zeigt zwei Stadien (I und II), die zu einer Viskositätsmessung gehören. An der Verbindung zu einer Kraftmesseinrichtung 20 ist eine Halterung 21 in mechanischem Kontakt angeschlossen, die einen becherartigen Messkörper 23 trägt. (Unten am Messkörper ist ein Ring 25 für die Messung der Oberflächenspannung angeordnet). Der Behälter 22, in dem die Testflüssigkeit 24 sich befindet, wird durch eine Aktorik vertikal positioniert. Zum Stadium I wurde der Behälter 22 aus der nivellierten Lage – der Position genau wie in Stadium II – um eine definierte Stecke angehoben, so dass durch die Ringspaltdüse – hier nur mit Düsenkern 5 Röhre 6 und Zulauf 1 dargestellt – die Flüssigkeit durch ihren eigenen hydrostatischen Druck befördert wird. Anhand der zeitlich aufgezeichneten Kraftänderung, d.h. der Gewichtsänderung des Messkörpers, der durch den abnehmenden Auftrieb und zunehmende Füllung schwerer wird, wird ein erstes Teilergebnis zur Viskosität erhalten. In der Phase II wird der Behälter um die selbe Strecke abgesenkt, wodurch die Kraft in der Zeit entsprechend abnimmt. Aus beiden Stadien wird zusammengenommen ein Viskositätsmesswert – die zusammenfallende Berechnung erlaubt es aus Symmetriegründen die Terme zur kinetischen Energie und Störungen durch unterschiedliche Kontaktwinkel der Flüssigkeit auf Behälter und Messkörperwand außer Acht zu lassen. Weil mit dieser Anordnung unter Umständen gemessen werden soll, die weit weniger ideal sind, als es die sind, unter welchen Glas-Kapillarviskosimeter betrieben werden (lange Temperierphasen und Durchlaufzeiten, Messdauern, feingefilterte Proben), muss die Messung möglichst schnell durchführbar sein, damit z.B. eine Temperaturdrift die Kohärenz eines Viskositätsmesswertes nicht beschädigt.
  • Insbesondere bei niederviskosen Flüssigkeiten kann vergleichsweise über eine Kapillarröhre keine ausreichende Menge in hinreichend kurzer Zeit transportiert werden. Die Reynolds-Zahl soll wegen Strömungswirkungen im Ein- und Auslauf allgemeinen kleiner als 100 sein. Außerdem ist die Bauhöhe des Messkörpers praktisch nicht beliebig zu vergrößern, um z.B. etliche Zentimeter lange Röhren einzusetzen und es soll mit einem Messkörper und austauschbaren Düsen ein erweiterter Viskositätsbereich abgedeckt werden können. Kapillarröhren können kaum so einfach und präzise im Durchmesser hergestellt werden, wie ein Ringspalt aus einer (gehonten oder mit einer Reibahle ausgebohrten) Zylinderbohrung mit einem Kernelement (2,5), das auf einer präzisen Drehbank – an einer Achse gedreht – hergestellt ist. Außerdem sind vergleichbar feine Langlöcher oder Röhren z.B. unter 0.1 mm eher nicht herstellbar, und auch schon bei größeren Öffnungen kaum so einfach über die ganze Länge auszumessen. Die Ringspaltdüse kann bei gleicher Leistung wesentlich kürzer gebaut sein und infolge geringerer Einlaufbeschleunigung und Bauprinzip ist sie gegenüber Verstopfungen resistenter. Durch entsprechend große Kerndurchmesser kann bei der Ringspaltdüse eine Flussmenge gemäß der Fluidität eines Mediums eingestellt werden. Die Viskosität der Fluide, für den Einsatz der Ringspaltdüse zur Messung, kann demnach quasi beliebig niedrig sein. Wobei 0.2mm2·s keine Grenze darstellen und sie auch für Gasflussmessungen/Regulierungen geeignet erscheinen lässt.
  • Mit einer Herstellgenauigkeit und einer durch die Führung 2 stabil konzentrisch fixierten Ringspaltweite ist eine geringere Toleranz als ±0.01 mm zweifellos erreichbar. Dadurch könnten Ringkapillardüsen anhand der geometrischen Herstellmaße (der lokalen Fallbeschleunigung und allenfalls unter Berücksichtigung der Spaltweitenänderung durch Werkstoffwärmedehnung und Kompressibilität mit Temperatur und Druck beim Einsatz) ohne individuelle Kalibrierung eingesetzt werden.
  • Ein weiterer bedeutender Vorteil ist die Reinigung, die sich bei einer herausnehmbaren Ringspaltdüse als einfache Oberflächensäuberung am Kern und in der – in der Regel großzügig erweiterten – Bohrung problemlos gestaltet.
  • Einsatzmöglichkeiten einer Ringspaltlaminardüse sind wegen des potentiell reibungsarmen und großen Durchsatzes als Schwingungsdämpfer bzw. Pulsationsminderer oder als allgemeines Drosselelement vielfältig. Eine Verstopfung der Ringspaltdüse kann im Übergangsbereich z5 graduell erfolgen, nicht jedoch in gleicher Weise Schlagartig, wie bei einer Kreislochdüse. Sie ist außerdem einfach aufgebaut und als Normteil, wie eine Normblende, eine Norm(vernturi)düse etc. definierbar.
  • Die Bildung einer Ringspaltdüse gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche kann einfach durch eine Öffnung, ein Langloch, eine Bohrung, eine Röhre oder ein (angeschlossenes) Gehäuse (in/an einer Rohrleitung), in dem entsprechende Hohlräume oder Hohlraumabschnitte vorliegend sind, geschaffen werden, in dem ein entsprechend fixiertes Kernelement eingefügt wird. Wie anhand vereinzelter Nennungen angedeutet, ist der Anwendungsbereich sehr weit zu fassen. Einzelne, besondere Verwendungen fanden kurz Erwähnung – jedoch ohne Detailausschmückungen, die bekannt sind oder sich dem Fachmann unmittelbar erschließen und so keine weitere Entwicklungen mit Erfindungshöhe erfordern. Der formale und praktische Umgang mit kompressiblen und inkompressiblen Medien, den Grundgleichungen und Beziehungen (Bernoulli-Gleichung, Kontinuitätsgleichung, Navier-Stokes-Gleichung) und die Bedeutungen hydrodynamischer (Transport-)Kennzahlen (Nussellt, Prandtl, Reynolds, Sherwood, Froude, u.a.) und der technischen Werkzeuge sind beim durchschnittlichen Fachmann als geläufig vorauszusetzen und sind daher in manchem Zusammenhang eher qualitativ angesprochenen und nicht eigens herausgestellt.
  • Anwendungsbeispiel
  • Der Anwendungsnutzen der Erfindung soll an einem frühen Funktionsmodell mit messtechnischen Beispielmessungen verdeutlicht werden, wobei Viskositätsmessungen an gleichen Probenflüssigkeiten wechselweise mit einer Kreisloch- und einer erfindungsgemäßen Ringspaltröhre durchgeführt wurden (vgl. 8). Als aussagekräftig für das korrekte Funktionieren eines reproduzierbaren großvolumigen Laminarflusses durch die erfindungsgemäße Ringspaltdüse, kann die korrekte Wiedergabe des temperaturabhängigen Verlaufs der Viskosität der Testflüssigkeit Cyclohexan angesehen werden (10). Als zusätzliche Unterstützung dient die Auslaufzeit (9), wobei der Messkörper kurz untergetaucht und herausgezogen wird und anhand des Kraftverlaufs die Zeit bis zur Entleerung bestimmt wird. Dieser Vergleich der Auslaufzeiten ist anschaulich und kommt ohne eventuelle Verfremdungen durch physikalische Modelle und Berechnungen die Wirkung unmittelbarer anzeigt. (Deshalb wird zugleich vorgeschlagen, die Düsen in den Auslauf- oder Ford-Bechern ebenfalls durch Ringspaltdüsen zu ersetzen, um die Präzision bzw. Richtigkeit auch dieses einfachen Messmittels effektiv zu verbessern.)
  • Zum Aufbau: Im Gegensatz zur Darstellung 1 ist der Zulauf 1 bei der im Beispiel eingesetzten Bauform als durchgängiger Schlitz (wie Typ 14 in 2) ausgeführt. Die im Zulaufbereich so gebildeten Halbzylinder sind leicht auseinandergebogen um mit zusätzlicher Federspannung in der Röhre 6 gehalten zu werden. Der Erweiterungsbereich z4 und Einlauf z5 wurde als breite Rille mit halbkreisförmigem Profil gestaltet und glatt poliert um Gasbläschen wenig Halt an den Oberflächen zu geben. Der untere Öffnungsbereich z7 ist beiderseits des Spaltes leicht abgerundet und schließt mit der Röhre etwa bündig ab, ohne die (Symmetrie-)Stufe 7 – was eventuell zur einer verringerten Präzision bei den Beispielmessdaten beigetragen haben mag. Am unteren Ende ist auf das Kernelement ein flachkegelförmige Spitze angesetzt, um auch hier Bläschen keinen Aufenthaltsort zu geben.
  • Der Messkörper hat eine Höhe von 53mm und eine Breite von 35.5mm. Der Innenraum hat ein Gesamtfassungsvermögen von 22cm3, der Durchmesser im regulär zylindrischen Bereich, in dem die Viskositätsmessung durchgeführt wird, beträgt 21mm. Die Ringspaltdüse wird aus einem ⌀6.0mm Bohrloch der Länge 22.5mm gebildet. Der Kern ist aus einem Teil gedreht und hat im Halterungsbereich z3 einen Durchmesser von 6.0mm und ist hier 9mm lang. Die Aufweitung z2 ist 0.5mm hoch und 6.15mm breit. Der Erweiterungsbereich z4 ist an der engsten Stelle 5.0mm breit und 1.6mm hoch. Dorf ist zugleich die Einmündung des Schlitzes 1, der 1.2mm breit ist (Typ 14 in 2), und auf einem konvex erhabenem Boden in dieser Höhe der Erweiterung z4/z5 ausläuft. Beidseitig ist durch eine flache Kugelkopfschleifstelle eine Aufweitung angesetzt. Zulaufeinmündung z4 und Übergangsbereich zum Ringspalt z5 fallen hier also in einem Vertikalbereich weitgehend zusammen. Der Fixierteil 2 ist mit dem Düsenteil 5 somit über zwei 1.5mm starke und 4.5mm breite, halbkreisförmige Brücken über die Einmündung 3 hinweg verbunden. Die Kernfläche im Ringspalt ist 11.5mm hoch, der Kerndurchmesser beträgt 5.46mm. Damit beträgt die Spaltweite 0.27mm und die gesamte freie Stirnfläche des Spalts 4.68mm2. Der Messkörper (Röhre und Kern) ist aus Aluminium hergestellt und wurde in Einzelteilen chemisch vernickelt, seine Masse beträgt 87.469g, sein Volumen 30.920cm3.
  • Als Vergleich stand ein aus Glas hergestellter Messkörper der Masse 42.596g und des Volumens 19.163cm3 zur Verfügung. Dieser Körper ist ebenso zylindrisch geformt, mit einer Breite von 38mm außen und Innen 32.2mm, die Höhe beträgt 36mm, die senkrechte Bohrung im Boden hat einen Durchmesser von ist 1.1 mm und eine Länge von 13mm.
  • Die Messungen wurden in einem hohen durch ein Badthermostat flüssigkeitstemperierten (doppelwandigen) Glasgefäß durchgeführt. Dieses hat den Durchmesser von 43mm und eine Innenhöhe von 140mm und erlaubte so die Messoperationen in einem einheitlich temperierten, flüssigkeitsdampfgesättigten Raum (oben wurde der Behälter mit einer Abdeckung, die lediglich ein keines ⌀3mm Bohrloch enthält abgeschlossen – vgl. 8). Die Füllmenge betrug 55 bis 60mL der Probensubstanz; die Temperaturmessung fand in der Probe – im Innern des Messbehälters – mit einem Pt100 Thermometer (1/100K Auflösung) statt.
  • Zur Messung der Viskosität wurde der Glas-Messkörper mit Röhre jeweils um 3.67mm vertikal bewegt, wodurch 3.01cm3 der Flüssigkeit durch die Kapillarröhre befördert werden, die Dauer des Transports beträgt für Cyclohexan in der Größenordnung 60 Sekunden. Für den metallenen Messkörper mit Ringspalt betrug die Bewegungsstrecke 8.06mm, wobei in ca. 55 Sekunden bis zur ungefähren Nivellierung 2.80cm3 durch den Ringspalt bewegt wurden. Die vertikale Beweggeschwindigkeit betrug 2.5mm/s. Dadurch ist insbesondere bei der Auslaufzeitmessung (10) bereits ein Teil der Probe ausgetreten. Das für die Auslaufzeitmessung zur Verfügung stehende innere Hohlvolumen betrug für den Glaskörper ca. 18cm3 und für den Metallkörper 22cm3. Die Strecke von der Füll- zur Messposition betrug 30.3mm (Röhre) bzw 37mm (Ringspalt). Im Diagramm 10 wurden die Auslaufzeiten vergleichbar gemacht, indem bei den Auslaufzeitwerten des Glaskörpers (Kreisloch) konstant 37 Sekunden abgezogen wurden – die Zeit betrug um 43 Sekunden; bei dem Metallkörper (Ringspalt) betrug die Auslaufzeit in der Größenordnung 6 bis 7 Sekunden. Anhand der in den Diagrammen mitangegebenen Regressionsgleichungen und Korrelationskoeffizient, zeigt sich die Überlegenheit des Ringspalts auch in der Wiederholbarkeit deutlich. Das Viskositäts-Temperaturverhalten von Cyclohexan wird ziemlich korrekt wiedergegeben. Bei den Messungen mit zeitliche negativem Temperaturgradienten wurde der Thermostat aufgeheizt und dann nur die Temperaturregelung deaktiviert, so dass weiterhin die sich abkühlende Badflüssigkeit durch den Temperiermantel des Messgefäßes strömte – dies, um keine vertikalen Temperaturgradienten in der Ummantelung des Gefäßes entstehen zu lassen.
  • In 11 wird eine Übersicht zu einer Anzahl von Messergebnissen gegeben, wobei verschiedene niederviskose Flüssigkeiten mit den beschriebenen Messkörpern gemessen wurden.
  • Die Spaltentitel bedeuten:
  • Bezugsnummer, Verweis auf ein Datenfile.
    Art
    Art des Messkörpers gemäß obiger Beschreibung.
    Probe
    Probenflüssigkeit wurden teile quelle eingesetzt (Heptan 99+%, HPLC grade, Aldrich, Lot U05389; Toluol: 99.8+%, HPLC; grade, Aldrich, LOT U09563, Cyclohexan 99,9+%, HPLC grade, LOT U08241; Isopropanol 99.5+%, HPLC grade, Aldrich, Lot S03199-012; N°4639: Wasser, Fluka, Lot 13091/1 11201; N°4642, 4643 Eigendestillat, N°4647 Wasser, HPLC grade, Aldrich, Lot U09615).
    n
    zahl der Messwerte in der zyklisch wiederholten Messung
    Temperatur
    Angabetemperatur. Bei Messungen über Temperaturgradienten ist der durchmessene Bereich in Klammern mit angegeben.
    Messwert
    Der zur der Temperatur angegebene Messwert. Bei isothermen Messungen, wie bei Messungen bei Temperaturänderung ist der Wert aus Regressionsrechnung ermittelt (über Zeit oder Temperatur)
    Referenz
    Interpolierte Referenzwerte basierend auf Literaturdaten (Handbook of Chemistry and Physics, 75th Edition, Lide, D.R. (Ed), CRC Press, Boca Raton, Florida (1994)). Die Kalibrierung der Messkörper wurde mit den Flüssigkeitsdaten durchgeführt – daher ist eine Grundüberdeckung zwangsläufig.
    Δη/ΔT
    Änderung der Viskosität bei Änderung der Temperatur um 1K – Steigung der Ausgleichsgerade im angegebenen Temperaturpunkt bei Messungen mit Temperaturgradient.
    ΔηRef/ΔT
    Steigung des Interpolationspolynoms im angegebenen Temperaturpunkt
    Sη(T|t)
    Streuungsmaß – relative Standardabweichung – der Messwerte zur Ausgleichsgerade bei den Viskositätswerten. Bei isothermen Messungen stammen die Werte aus der zeitabhängigen Funktion.
    r2τA
    Korrelationskoeffizient einer linearen Regressionsgleichung zur Auslaufzeit bei Messungen mit Temperaturgradient.
    SτA
    relative Standardabweichung bei isothermen Auslaufzeitwerten.
    MWτA
    Mittelwerte der isothermen Auslaufzeitwerte, In Klammern, bei Messungen mit Temperaturgradient, die aus der linearen temperaturabhängigen Regressionsgleichung zur Auslaufzeit berechneten Werte zur Temperatur.
  • Die in Diagramm 9 und 10 dargestellten Ergebnisse gehören zu den Referenznummern 4600 und 4602 (fett markiert).
  • Es ist anhand der Daten erkennbar, dass die Kreislochröhre eine längere Messzeit benötigt und trotzdem ungenauere Ergebnisse liefert. Die Widergabe der Temperaturabhängigkeit ist hier unzureichend. Von besonderer Aussagekraft ist die Streuung Sη(T|t): im Mittel der dargestellten Ergebnisse beträgt die relative Standardabweichung für die Kreislochkapillare 1.5% – für die Ringspaltkapillare 0.3%. Der Durchmesser der Kapillarröhre ist bei der gegebenen Röhrenlänge für den Viskositätsbereich bereits zu groß. Hieraus ergibt sich zusätzlich im Vergleich, dass der laminare Arbeitsbereich für die Ringspaltkapillare wesentlich breiter ist.
  • Die Viskositätsmessbereich – also der berechenbare Volumendurchsatz durch ein Laminarfluss- bzw. Stau- bzw. Drosselelement – ist für eine Ringspaltkapillare deutlich größer.

Claims (10)

  1. Ringspaltdüse dadurch gekennzeichnet, dass ein ringförmiger Spalt – als Fließkanal mit Kreiskontur (4) – gebildet wird zwischen einer Außenoberfläche eines konzentrisch angeordneten Kernelements (5) und der inwendigen Oberfläche einer umgebenden Röhre (6), wobei der Zu- oder Abfluss zu dem Ringspalt (4) über einen Bereich des Kernelements (z3) erfolgt, der diesen in der Röhre führt und fixiert und so die Spaltweite des Ringspaltes konstant hält, in dem mindestens eine Öffnung (1) im Innern des Halterungsbereichs (2, z3) vorhanden ist, die zu einem Erweiterungsbereich (z5) des Ringspalts führt, indem mindestens ein verbindende Öffnung (9) zwischen Zuflusskanal (1) im Halterungsbereich (z3) und Erweiterungsbereich (z5) vorliegt und/oder mindestens ein Zuflusskanal dadurch gebildet ist, dass im Halterungsbereich Außeneinschnitte vorhanden sind, die mit der umgebenden Röhre Kanäle bilden, die zu dem Erweiterungsbereich führen, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungswiderstand durch Wahl entsprechende dimensionierter Durchströmquerschnitte, gemäß bekannter Gesetzmäßigkeiten, im Bereich des Ringsspalts (z6) größer ist, als im Zulauf durch den Halterungsbereich (z3), die Verbindungszone (z4) und den Erweiterungsbereich (z5), wobei Verbindungszone (z4) und Erweiterungsbereich (z5) im selben Abschnitt des Kerns angelegt sein können, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2,5) mit seinen Teilstrukturen aus Halterungsbereich (z3), Verbindungszone (z4), Erweiterungsbereich (z5) und Ringsspaltzone (z6) aus einem Werkstück besteht.
  2. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Zustromkanal (1, 1a) zum Ringspaltbereich (z6) bzw. der Abflusskanal (1, 1a) vom Ringspaltbereich (z6) auch seitlich durch das Röhrengehäuse (6) zum Erweiterungsbereich (z5) erfolgen kann.
  3. Ringspaltdüse nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, dass der Ringspalt (4) auch zwischen zueinander parallelen zylinder- oder kegelförmigen Konturen oder zwischen zueinander konisch verlaufenden Konturen von Kern- und Rohrinnensschnittflächen der Röhre gebildet wird, wobei die Tiefe des Spaltes mindestens den dreifachen, besser noch, mindestens den zehnfachen Betrag der Spaltweite aufweist.
  4. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass das Kernelement durch Aufweitung (8), Wülste, angebrachte Stifte, Stege, Spangen, Dichtungen etc. oder am Anfang des Gehäuses (6) gehalten wird, oder das Kernelement und Röhre durch konische Passformen gehalten werden, wodurch das Kernelement, z.B. zur Reinigung oder zum Austausch entnommen werden kann, oder das Kernelement durch Einpressen, Einkleben, Einschweißen in die Röhre fixiert wird, oder das Kernelement in der Halterungszone (z3) über die Röhrenwand durch Stifte oder Schrauben gehalten wird, oder Kern und Röhre in der Halterungszone (z3) durch gegenseitige Verschraubung verbunden werden, wodurch das Kernelement dementsprechend durch Entfernung der Haltestifte bzw. durch Herausschrauben abnehmbar ist.
  5. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass eine oder beide Oberflächen im Ringspalt ohne, ganz oder teilweise mit räumlichen Strukturen, wie Aufrauungen, Schnittkerben, tiefe Einschnitte, Ringwölbungen, Gewindegängen, Mikrostrukturen versehen sein können und/oder ganz oder teilweise oberflächenbehandelt, modifiziert oder beschichtet sind, um die mit dem Fluid in Kontakt tretende Oberfläche zu vergrößern und/oder physikalisch zu verändern.
  6. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass Oberflächen- bzw. Oberflächenbeschichtungen des Spalts (4) über katalytische Eigenschaften verfügenden Stoffen erfolgt, dass beispielsweise heterogen katalylsierte Crackreaktionen, Hydrierungen, Dehydrierungen, Oxidationen, Reduktionen, Umesterungen, Esterspaltungen, ionische und radikalische Reaktionen etc. in dem Spalt (4) durch die große Oberfläche verbessert erfolgen können.
  7. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Regulierung einer Flussmenge bei konstantem Druck durch Axialverschiebung von Kern (5) oder Röhre gegen eine Querschnittsänderung oder die Öffnung der Röhre erfolgt, dass außerdem die Regulierung einer Flussmenge dadurch zustande kommt, dass eine Axialverschiebung die Öffnung nach dem Prinzip eines Nadelventils verkleinert bzw. verschließt.
  8. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein weiterer Zulauf (9) in oder am Ende der Fuge (4) einmündet, wobei ein strömungsbedingter Sog die Förderung durch den Kanal (1) (mit)bewirken kann und die Fluidströme zum Austritt, je nach Druck, Vermischung und/oder Zerstäubung erfahren.
  9. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass Ausformungen von Kern und Röhre Aufweitungen in der Ausgangszone (z7) des Ringspaltes nach dem Schnittflächen- bzw. Volumenverlauf einer Lavaldüse gestaltet sind, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten bei expandierenden Fluiden zu ermöglichen.
  10. Ringspaltdüse nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass diese für Gase, Rauch, Aerosole, Nebel, Dämpfe, Flüssigkeiten, Schmelzen, echte oder kolloidale Lösungen, Dispersionen, Pasten, Suspensionen, Emulsionen oder Schäume angewendet wird und insbesondere angewendet wird in Verarbeitungsmaschinen, wie z.B. als Düsen bei der Schlauchextrusion und beim Folienblasen, für Fließkanäle zu Formnesten in Spritzgusswerkzeugen, für Nadelverschlussventile beim Spritzguss, bei der Extrudierung von Hohlfasern, als Spinndüsen bei der Faserherstellung, als Reaktionsdüsen für chemische Umsetzungen, zum Zerstäuben, Versprühen und zur Sprühtrocknung, für Fontänen, Springbrunnen, Löschwasser- und Feuerlöscherdüsen, als Teil von Turbinendüsen von Strahltriebwerke, zur Vermischung von Treibstoffen/Treibstoff-Luftgemischen für Turbinen und Explosionsmotore, zur Einspritzung in Brennkammern, zur Erzeugung laminarer Strömungen, zur Durchflussmengenbestimmung über den Differenzdruck, zur Viskositätsmessung in Kapillarviskosimetern und -Rheometern durch Volumen- und Zeitmessung und/oder Druckmessungen und bei Auslaufbechern mit Volumen-(Zeitmessung, zur Homogenisierung, Dispersierung und Emulgierung heterogener Fluide, als Staudrossel bei der Flussmessung, als Abgabevorrichtung für Klebe-, Färbe-, Schmiermittel- und Beschichtungsfluide, Zeichenfarben und Tinten, als Drossel zur Unterdrückung von Fluidschwingungen, als (De-)Kompressionsdüsen für kryogene Fluide in Kältemaschinen z.B. mit Wärmezu- oder Abfuhr über die Mantelaußenfläche des Gehäuses (6), als Übertragungselement in Wärmetauschern, als Katalysatorträger auch in der Abgasbehandlung (Restoxidation von Kohlenwasserstoffen und Abgasruß etc.) und mittels poröser Gehäusewandung (6) als Filtrations- und Osmoseelement.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113702242A (zh) * 2021-09-04 2021-11-26 西南石油大学 一种乳化液堵塞疏通用测试装置
WO2022056136A1 (en) * 2020-09-09 2022-03-17 Spraying Systems Co. Liquid dispensing spray nozzle assembly

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