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Verfahren und Vorrichtung zur Behandlung von gasförmigen, flüssigen
oder feinverteilten festen Stoffen mittels Schallenergie Gegenstand der Erfindung
ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung von gasförmigen, flüssigen
oder feinverteilten festen Stoffen mit Hilfe von Schallenergie.
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Durch Schall- bzw. Ultraschallschwingungen können in verschiedenen
Stoffen bestimmte chemischphysikalische Wirkungen, wie z. B. Emulgieren, Koagulieren
od. dgl., erzielt werden.
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Zu diesem Zweck werden verschiedene Vorrichtungen, wie Generatoren
mit elektroakustischen Wandlern oder mechanische Generatoren, verwendet.
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Diese Vorrichtungen sind jedoch kompliziert und wenig leistungsfähig.
Außerdem muß bei ihnen der Stoff unter Druck gesetzt werden.
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Es sind auch Vorrichtungen zum Behandeln von Stoffen mittels Schallenergie
bekannt, bei denen Schwingungen auf den zu verarbeitenden Stoff einwirken, die in
einem Medium flüssiger Konsistenz durch einen als Zentrifugalpumpe wirkenden Rotor
einer Ultraschallsirene erzeugt werden.
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Insbesondere ist eine Flüssigkeitssirene mit hohlem Rotor und ringförmigem
Stator bekannt, bei der die Flüssigkeit direkt in den Rotor und von dem Rotor durch
den Stator ausströmt, wobei alle Offnungen des Rotors und Stators periodisch geschlossen
werden, so daß Schwingungen auftreten, die sich sowohl vom Rotor zum Materialbehälter
als auch durch den Stator hindurch zum Flüssigkeitsbehälter fortpflanzen, und die
Materialium- oder -bearbeitung durch den Schall im Materialbehälter erfolgt. Hierbei
muß die Flüssigkeit in den hohlen Rotor, aus dem sie durch die Zentrifugalkraft
herausgeschleudert wird, hineingepreßt werden, so daß die Einrichtung infolge der
erforderlichen Kompressoranlage sehr kompliziert wird und hohe Verluste bedingt.
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Man kennt ferner eine Ultraschallsirene mit einem Rotor, der die
Flüssigkeit durch Zentrifugalkraft durch eine Reihe von Außenöffnungen, die an seiner
Stirnoberfläche angeordnet sind, und durch Öffnungen preßt, die sich in einer oder
mehreren Scheiben befinden und so verteilt sind, daß sich die Öffnungen in der oder
den Scheiben in gewissen Umdrehungsphasen gegenüber den Rotoröffnungen befinden,
durch die dann die Flüssigkeit unter Druck hindurchströmt, während in der darauffolgenden
Umdrehungsphase keine Scheibenöffnung einer Rotoröffnung gegenüberliegt und dadurch
der Durchfluß der Flüssigkeit unterbrochen wird, und durch den ständigen Wechsel
beider Phasen bei jeder Rotorumdrehung mechanische Schwingungen erzeugt werden,
die sich sowohl im Rotor als auch in dem Flüssigkeitsbehälter fortpflanzen.
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Bei den bekannten Vorrichtungen erfolgt eine Umlenkung der Flüssigkeitsströmung
aus der radialen in
die axiale Richtung, so daß sich erhebliche Verluste an Schwingungsenergien
ergeben. Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß das Medium
durch einen Rotor mit einer gegenüber dem Stator verschiedenen Zahl von Durchlaßkanälen
geleitet wird, so daß ein Teil der Statoröffnungen im periodischen Wechsel ganz
oder teilweise geschlossen und der Durchfluß des Mediums durch einen Teil dieser
Öffnungen unterbrochen, durch den anderen Teil dieser Öffnungen aber freigegeben
wird, wobei sich im Rotor weniger Durchlaßkanäle als im Stator befinden.
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Dreht sich der Rotor, so wird eine Schwingungsbewegung statt durch
statischen Druck durch die Trägheit des Flüssigkeitsstromes erzeugt, der seine Richtung
nur wenig ändert, wenn er die Vorrichtung durchfließt, so daß eine sehr große Beschleunigung
der Flüssigkeit und im Anschluß daran eine wesentlich größere Schwingungsintensität
erreicht wird und infolgedessen Resonanzerscheinungen nicht ausgenutzt zu werden
brauchen und daher eine sehr bedeutende Kavitation erzeugt werden kann.
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Da erfindungsgemäß im Stator radial verlaufende Kanäle verwendet
werden, ist der Querschnitt der Kanäle nicht groß und somit die Intensität der Schwingungen
und der Kavitation auch in beträchtlicher Entfernung vom Rotor erheblich. Die Flüssigkeit
strömt stets in radialer Richtung durch Rotor und
Stator, so daß
Energieverluste, wie sie bei den bekannten Vorrichtungen infolge von Richtungsänderungen
des Flüssigkeitsstromes von radialer in axialer Richtung auftreten, vermieden werden.
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Bei der Vorrichtung nach der Erfindung strömt die Flüssigkeit aus
den Statoröffnungen der Sirenen wie aus einer Düse in Form von Strahlen, so daß
das schädliche Durchsickern der Flüssigkeit durch die undichten Stellen von Rotor
und Schaufeln vermieden wird und ein größerer Schlitz zwischen Rotor und Stator
vorhanden sein kann, womit wiederum die Reibverluste des Rotors bei der Umdrehung
der Flüssigkeit vermieden werden. Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie A-A der
Fig. 1 und Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausfiihrungsform der Vorrichtung
nach der Erfindung.
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Der zu bearbeitende Stoff wird durch die Eingangsöffnung B in das
Innere der Vorrichtung angesaugt und fließt dann durch in dem inneren Teil des Ständers
D angeordnete Öffnungen C zu den in dem sich drehenden Rotor F radial verlaufenden
Offnungen E, durch die der Stoff durch die Zentrifugalkraft nach außen geschleudert
und in die Offnungen G des äußeren Teiles des Ständers H gepreßt wird und in den
kreisrunden Behälter J ausfließt, aus welchem er aus der Vorrichtung herausfließt.
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Die Öffnungen E des Rotors F kommen während der Umdrehung mit stets
anderen Öffnungen des Ständers D in Verbindung und verursachen auf diese Weise in
denselben eine schnell veränderliche Vibrationsbewegung.
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Die Schwingungen, die in dem in den Öffnungen C und E des Ständers
befindlichen Stoff entstehen, rufen verschiedene Schallwirkungen hervor, deren Charakter
von der Art des Stoffes sowie von der Intensität und der Frequenz der Schwingungen
abhängt.
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Bei diesem Verfahren wird in den Öffnungen E des Rotors F eine kontinuierliche
Bewegung des Stoffes erzielt, die infolge der Trägheit in kurzer Zeit auch auf den
in den Öffnungen des Ständers befindlichen Stoff übertragen wird, so daß durch das
Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung ein großer Stoffausstoß und somit
eine große Leistungsfähigkeit erzielt wird. Der Durchfluß des Stoffes erfolgt dabei
unmittelbar durch die Öffnungen des Rotors F hindurch zu den Ständeröffnungen, in
denen die Schwingungen entstehen, ohne Vermittlung von Zwischenelementen, in welchen
stets erhebliche Verluste an Schwingungsenergie auftreten und durch welche die Konstruktion
erheblich komplizierter wird.
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Die Schwingungen entstehen unmittelbar in der Flüssigkeit, wobei
keiner der mechanischen Bestandteile der Sirene in wesentlichem Ausmaß an den Schwingungen
teilnimmt, so daß bei der Konstruktion, insbesondere bei der Materialauswahl, keine
besondere Riicksicht darauf genommen werden muß.
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In dem in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
nach der Erfindung weist der Rotor F eine bedeutend kleinere Anzahl Öffnungen E
auf als der Ständer, wodurch in den Offnungen C und G des Ständers Impulswellen
entstehen, die vorzugsweise in den Öffnungen des Ständers zur Wirkung kommen. Der
Rotor der Sirene ist in bekannter Weise mit der Welle K verbunden, die im Körper
L
gelagert ist und mit dem Antrieb in Verbindung steht.
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Als Beispiel für die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung
kann das Emulgieren von Tee in Wasser genannt werden. Dabei wird Teer zusammen mit
Wasser und Emulgatoren bei erhöhter Temperatur durch die Öffnungen B der rotierenden
Sirene zugeführt. Beim Durchfluß durch die Sirene wird das Gemisch von Teer und
Wasser in den Ständeröffnungen emulgiert und fließt durch den Behälter J in Form
der fertigen Emulsion heraus.
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Die Fig. 3 zeigt den Längsschnitt einer anderen Ausführungsform der
Vorrichtung gemäß der Erfin dung. Die Vorrichtung besteht aus einem Ständer.4 und
einem Rotor B, der mit dem Antrieb verbunden ist. Im Ständer befinden sich vier
Reihen Öffnungen C, D, E und F in Form einer akustischen Röhre, die am Umfang verteilt
sind und von der Stirnfläche der Vorrichtwlg zum Rotor C hin verlaufen, der radial
gerichtete Öffnungen besitzt. Alle Öffnungen sind so angehracht, daß die von der
Zentrifugalkraft des Rotors gepreßte Flüssigkeit abwechselnd durch die zusammenwirkenden
Öffnungen D und E fließt, wobei während dieser Zeit der Durchfluß durch die zusammenwirkenden
Öffnungen C und F teilweise oder ganz geschlossen ist. Der Rotor verbindet bei seinem
Betrieb die zusammenwirkenden Öffnungen C und F, wobei gleichzeitig der Durchfluß
zwischen den zusammenwirkenden Öffnungen D und E geschlossen wird.
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Die Längen der einzelnen Öffnungen des Ständers sind so gewählt,
daß die Schwingungen des Ständers eine übereinstimmende Phase in der Stirnfläche
der Vorrichtung besitzen. Als Anwendungsbeispiel der Vorrichtung gemäß Fig. 3 kann
das Koagulieren von Suspensionen erwähnt werden. Zu diesem Zwecke wird die Vorrichtung
von oben in den Behälter G, durch welchen die Suspension fließt, getaucht, wobei
die Feststoffteilchen der Suspension agglomeriert und koaguliert und danach in bekannten
Vorrichtungen, z. B. in Absetzgefäßen, abgeschieden werden.
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PATENTANSPOCHE: 1. Verfahren zur Behandlung von gasförmigen, flüssigen
oder feinverteilten festen Stoffen mittels Schallenergie, wobei auf den zu bearbeitenden
Stoff Schwingungen einwirken, die in einem Medium flüssiger Konsistenz durch einen
als Zentrifugalpumpe wirkenden Rotor einer Ultraschallsirene erzeugt werden, dadurch
gekennzeichnet, daß das Medium durch einen Rotor mit einer gegenüber dem Stator
verschiedenen Zahl von Durchlaßkanälen gleitet, so daß ein Teil der Stator öffnungen
periodisch ganz oder teilweise geschlossen wird und der Durchfluß des Mediums, durch
einen Teil der Öffnungen unterbrochen, durch den anderen Teil der Öffnungen erfolgt.