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:
- N°
- 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.