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Verfahren und Vorrichtung zur Regelung des Durchflusses sehr heißer,
chemisch aggressiver Flüssigkeiten durch Röhren, Düsen oder Ventile Bei der Regelung
des Durchflusses sehr heißer, chemisch aggressiver Flüssigkeiten durch Röhren, Düsen
oder Ventile werden an die Regelventile selbst extreme Anforderungen bezüglich der
chemischen Beständigkeit, Temperaturbeständigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit,
mechanischen Belastbarkeit und Wechselbelastbarkeit gestellt, denen die bekannten
festen Werkstoffe nicht immer gewachsen sind. So konnte beispielsweise bisher noch
keine befriedigende Lösung für den Aufbau eines Ventils zur Regelung des Durchflusses
von Stahl gefunden werden.
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Es ist schon eine Einrichtung zum Sperren des Durchflusses flüssiger
Metalle durch ein Rohr bekannt, bei welcher das Rohr von einer zylindrischen Magnetspule
umgeben ist, die mit Wechselstrom von solcher Stärke gespeist wird, daß das flüssige
Metall aus dem Innern der Spule ganz oder teilweise verdrängt wird. Die Wirkung
einer solchen Absperreinrichtung beruht darauf, daß in dem im Rohr befindlichen
flüssigen Metall Wirbelströme hervorgerufen werden, welche wiederum abstoßende Kräfte
erzeugen, die das flüssige Metall aus dem Innern der Spule verdrängen. Eine solche
Einrichtung hat den Nachteil, daß sie lediglich für elektrisch leitende Flüssigkeiten
verwendbar ist und daß ein Wechselstrom sehr hoher Stärke notwendig ist. Weiterhin
kann diese Einrichtung mit vernünftigem Aufwand lediglich zur Sperrung des Durchflusses
flüssiger Metalle durch verhältnismäßig dünne Rohre verwendet werden.
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Weiter ist eine Vorrichtung zum Regeln des Durchflusses von magnetischer
Flüssigkeit durch Rohre bekanntgeworden, bei der das Durchflußrohr an einer Stelle
sehr flach ausgebildet ist, und zwar in der Art, daß sein Querschnitt rechteckige
Form aufweist. An der engsten Stelle des Rohrquerschnittes liegt an den Außenwänden
des diamagnetischem Material bestehenden Rohres je ein Magnetpol an. Man verwendet
vorzugsweise Elektromagnete, deren Stärke in einfacher Weise geregelt werden kann.
Wird der Magnet erregt, so wird die Viskosität der durch das Rohr fließenden Flüssigkeit
zwischen den Magnetpolen erhöht, und die Durchflußgeschwindigkeit sinkt infolgedessen.
Als Flüssigkeit läßt sich beispielsweise ein thixotropes Öl verwenden, in das Eisenpulver
eingebracht ist. Dieses Eisenpulver bildet im Magnetfeld Ketten, welche die Viskosität
der Flüssigkeit erhöhen. Bei dieser Vorrichtung muß die Flüssigkeit magnetisch sein,
damit sich der Durchfluß regeln läßt. Nur in diesem Fall wird durch die Wirkung
des Magnetfeldes die Viskosität der Flüssigkeit erhöht und demzufolge die Durchflußgeschwindigkeit
herabgesetzt. Es ist also stets eine spezielle Flüssigkeit erforderlich, auch im
Falle des thixotropen Öles, in welches das Eisenpulver eingebracht ist. Ein weiterer
Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß sich die Durchflußgeschwindigkeit
nur dann genau regeln läßt, wenn die Abhängigkeit der Viskosität der durchfließenden
Flüssigkeit von der Magnetfeldstärke genau bekannt ist. Dies wird jedoch nur in
seltenen Fällen der Fall sein. Ein #weiterer entscheidender Nachteil dieser Vorrichtung
besteht darin, daß sie nicht für sehr heiße Flüssigkeiten geeignet ist. Bei hohen
Temperaturen wird nämlich der Curie-Punkt überschritten, so daß also das Magnetfeld
ohne jeden Einfluß auf die heiße Flüssigkeit bleibt.
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Weiter ist ein Ventil zum Regeln des Durchflusses von Flüssigkeiten
bekannt, bei dem die Flüssigkeit von einem Einlaß aus in einen hohlen Zylinder gelangt,
dessen eine Endfläche porös und konisch ausgebildet ist. Diese poröse, konische
Fläche steht einer weiteren konischen Fläche gegenüber, welche in einen Auslaß mündet.
Der Hohlzylinder enthält Magnetteilchen. Es ist ein Elektromagnet vorgesehen, welcher
beim Einschalten die Magnetteilchen durch die poröse konische Fläche hindurch zur
konischen Fläche hin bewegt. Dabei treten die Magnetteilchen durch die poröse Fläche
aus und legen sich an die gegenüberliegende konische Fläche an. Dadurch wird der
Durchfluß der Flüssigkeit verhindert. Weiterhin ist ein zweiter Elektromagnet vorgesehen,
welcher beim Einschalten die Wirkunz des ersten Manets aufhebt,
so
daß die Magnetteilchen in den Hohlzylinder zurückgelangen und den Flüssigkeitsdurchfluß
freigeben. Dieses Ventil hat den Nachteil, daß die Magnetteilchen lediglich durch
die Kraftwirkung des Magnets bewegt werden, so daß sie also nur dann, wenn sie an
einer bestimmten Fläche anliegen, eine definierte Wirkung auf den Flüssigkeitsstrom
ausüben können. Dies bedeutet, daß dieses Ventil nur zum Ein- und Ausschalten des
Flüssigkeitsstromes dienen kann. Sämtliche Zwischenstufen lassen sich, wenn überhaupt,
nur sehr ungenau einstellen. Es werden nur mehr oder weniger Magnetteilchen in die
Durchflußöffnung eingebracht, wobei diese Teilchen jedoch den gesamten Querschnitt
der Flüssigkeitsleitung ausfüllen. Auf diese Weise wird die Flüssigkeit stets einen
großer Prozentsatz der Magnetteilchen mit sich fortschwemmen, und eine definierte
Regelung des Flüssigkeitsdurchflusses läßt sich nicht erreichen. Ein weiterer Nachteil
auch dieses Ventils besteht darin, daß es nicht zur Regelung des Durchflusses sehr
heißer Flüssigkeiten geeignet ist.
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Ziel der Erfindung ist es nunmehr, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Regelung des Durchflusses heißer, chemisch aggressiver Flüssigkeiten durch Röhren,
Düsen oder Ventile unter Verwendung kleiner Teilchen, die unter dem Einfluß eines
Magnetfeldes den Durchfluß drosseln, aufzuzeigen, welches die Nachteile der bekannten
Verfahren vermeidet.
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Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Teilchen im
Bereich des Magnetfeldes in das zu regelnde Medium eingebracht werden, so daß die
Teilchen zu einem festen Gebilde erstarren, und daß das Magnetfeld und/oder der
Einbringungsdruck so geregelt werden, daß das erstarrte Material einen gewünschten
Bereich der Durchflußöffnung ausfüllt.
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Mit diesem Verfahren, bei dem Teilchen unter Druck in ein eine im
wesentlichen normal zur Durchflußrichtung wirkende Kraft erzeugendes Magnetfeld
unmittelbar in den Flüssigkeitsstrom entgegengesetzt dieser Kraft eingebracht werden,
erstarren diese Teilchen zu einem festen Gebilde und es wird so ein zur Regelung
des Durchflußquerschnittes verwendbarer Wulst erzeugt, ohne daß größere Mengen von
Teilchen von der Flüssigkeit mitgenommen werden. Man kann hierbei durch die Veränderung
der Parameter eine stufenlose Regelung des Durchlaufes auch bei Flüssigkeiten erzielen,
bei denen die Gefahr der Verunreinigung besteht. Außerdem können sich durch die
Unterteilung des zur Regelung des Durchflusses der Flüssigkeit dienenden Organs
in eine Vielzahl von einzelnen Teilchen, die mechanisch nicht miteinander verwachsen
sind, in Bereichen, die größer sind als die Partikeln selbst, keine größeren mechanischen
Spannungen einstellen als die das Gebilde zusammenhaltenden magnetischen Kräfte.
Dadurch können Zerstörungen durch starke Temperaturunterschiede und schnelle Temperaturwechsel
sowie durch hohe mechanische Belastung vermieden werden. Die entstehenden Spannungen
können sich durch gegenseitige Bewegung der Partikeln ausgleichen, bevor sie zu
Werten ansteigen können, die zu Zerstörungen führen. Da die restlichen mechanischen
Spannungen in den Partikeln selbst klein bleiben, können außergewöhnlich scharfe
Temperaturwechselbeanspruchungen ohne Zerstörungen überstanden werden. Des weiteren
kann man unabhängig von der jeweiligen Bearbeitbarkeit dasjenige Material wählen,
welches dem Zweck am besten angepaßt ist. Weitere Merkmale des Verfahrens und der
dazu erforderlichen Vorrichtungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Es zeigt Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer solchen Vorrichtung, bei welcher ferromagnetisches
Material in ein durch Gleichstrom erzeugtes Magnetfeld eingebracht wird, Fig. 2
ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung, bei welcher Teilchen aus elektrisch leitendem
Material in ein irrhomogenes durch Wechselstrom erregtes Magnetfeld eingebracht
werden, und Fig. 3 einen Schnitt durch ein Teilchen aus elektrisch leitendem Material,
welches von einer Hohlkugel aus keramischem Material umschlossen ist.
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In Fig. 1 ist 1 eine mit Metall gefüllte Pfanne. Eine Schamotteverkleidung
11 bildet eine zylindrische Öffnung. Die Pfanne 1 weist einen Stahlboden 12 auf,
welcher eine kreisrunde Aussparung besitzt. Diese Aussparung wird durch eine Ausflußdüse
13 abgedeckt, die eine Bohrung 14 besitzt. Ein rotationssymmetrischer Topfmagnet
15 wird durch eine mit Gleichstrom gespeiste Spule 16 erregt. Der Topfmagnet 15
wird durch einen Flansch 17, der am Pfannenboden 12 befestigt ist, gegen die Ausflußdüse
13 gedrückt, wobei Asbestringe 18 und 19 für die Abdichtung und Wärmeisolierung
sorgen. Der Topfmagnet 15 weist ringförmige Polschuhe 21 und 22 auf, zwischen denen
ein aus unmagnetischem, beispielsweise keramischem Material bestehender Ring 20
angeordnet ist. Gegebenenfalls kann aber auch der Topfmagnet 15 mit seinen Polschuhen
21, 22 so gebildet sein, daß der Abstand der Polschuhe 21, 22 zueinander
verstellbar ist. Auf diese Weise ist eine Veränderung der Form der Kraftlinien des
Magnetfeldes möglich. Die Polschuhe 21, 22 weisen röhren- oder spaltenförmige Kanäle
23 und 24 auf, durch die ferromagnetisches Pulver, beispielsweise Eisenfeilspäne,
oder körniges Material in das Magnetfeld gebracht werden kann. Das Material wird
über Anschlüsse 25, 26 zugeführt, welche mit entsprechenden Behältern in Verbindung
stehen.
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Tritt nun das ferromagnetische Material unter ausreichendem Druck
aus den Öffnungen der Polschuhe 21, 22 aus, so bildet sich bei ausreichender Erregung
der Spule 16 in dem zwischen den Polschuhen 21 und 22 verlaufenden Magnetfeld ein
Ringwulst 27. Die Ausdehnung und Form des Ringwulstes 27 ist von der Menge des ferromagnetischen
Materials, dem Druck, mit dem dieses in das Magnetfeld gepreßt wird, und der Stärke
und Form des Magnetfeldes sowie der magnetischen Eigenschaft der Teilchen und ihrer
Größe abhängig. Bei geeigneter Wahl der vorgenannten Parameter bildet der Wulst
27 einen festen Körper mit einer gewissen Porosität. Auf diese Weise kann der Ausfluß
eines Metalls 2, welches einen Metallstrahl 28 bildet, stufenlos geregelt werden.
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Um das ferromagnetische Material auf ausreichend niederer Temperatur
halten zu können, ist es notwendig, für eine gute Wärmeisolation zwischen dem Metall
und dem Wulst 27 sowie für eine ausreichende Kühlung dieses Wulstes zu sorgen. Dies
kann unter Ausnutzung der Porosität des Wulstmaterials und seiner Unempfindlichkeit
gegen starke Temperaturunterschiede und Temperaturschwankungen einfach dadurch erfolgen,
daß man beim Wulst 27 von innen heraus eine Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser, zuführt.
Hierzu
kann man die Leitungen 23 und 24 oder eine besonders angebrachte Leitung 29 verwenden.
Bei ausreichendem Druck durchsetzt die Flüssigkeit den gesamten Wulst 27 und bildet
an seiner Oberfläche eine Flüssigkeitshaut. Wie bekannt, tritt nun bei der Berührung
mit dem heißen Metall das sogenannte Leidenfrostsche Phänomen auf, d. h., es bildet
sich eine stabile Dampfschicht zwischen dem Metall und der Flüssigkeit, die für
eine gute Wärmeisolation sorgt. Durch die Ausflußbewegung des Metalls wird der Dampf
mitgerissen, wodurch immer neuer Dampf entstehen kann und durch die bei der Verdampfung
verbrauchte Wärme für Kühlung sorgt. Auf diese Weise wird das gesamte Material des
Wulstes 27 auf niedriger Temperatur gehalten und behält seine ferromagnetischen
Eigenschaften.
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Neben der Kühlwirkung durch Verdampfen entsteht auch eine Kühlwirkung
am Wulst durch das Durchfließen der Kühlflüssigkeit und deren Abfluß nach unten.
Damit läßt sich besonders dann, wenn der Wulst 27 den Ausfluß der Pfanne verschließt,
eine ausreichende Menge ferromagnetischen Materials auf niedriger Temperatur halten,
so daß die Haltbarkeit des den Verschluß bildenden Wulstes gewährleistet ist.
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Besonders günstige Verhältnisse in bezug auf die Wärmeabfuhr und Isolierung
können dann erreicht werden, wenn man das ferromagnetische Material aus einem Gemisch
von zwei oder mehr verschiedenen Körnungsgraden herstellt. Das Material großer Körnung
sorgt dabei für einen festen Aufbau des Wulstkörpers, während sich das feinkörnigere
Material zwischen den größeren Körpern einbaut und insbesondere für eine dichte
Oberfläche des Wulstes sorgt. Dabei können in den größeren Körnern Hohlräume ausgespart
bleiben, die der Kühlflüssigkeit guten Durchfluß gewähren.
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Will man die Form des Wulstes verändern, so ist es notwendig, die
Bindekräfte zwischen den einzelnen ferromagnetischen Teilchen kurzzeitig zu lockern.
Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß man dem gleichgerichteten Magnetfeld
ein durch Wechselstrom erregtes Magnetfeld überlagert. Dadurch wird das Wulstmaterial
in Vibration versetzt und kann nun den Veränderungen der Vorschubkräfte, die von
den Mündungen der Leitungen 23 und 24 auswirken, sowie der Feldkräfte folgen. Eine
ähnliche Wirkung läßt sich auch durch rein mechanische Vibration erzielen.
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In Fig.2 ist mit 35 ein Rohr aus nichtferromagnetischem Material,
beispielsweise Aluminiumoxyd-Keramik, bezeichnet, durch welches eine leitende Flüssigkeit
36, z. B. Stahl, strömt. Das Rohr 35 weist eine einseitig angebrachte kreisförmige
öffnung 37 auf, an die eine Rohrleitung 39 über ein trichterförmiges Zwischenstück
38 angeschlossen ist. Ein Wechselstrommagnet 44 mit seinen Polstellen 40, 41 und
42 wird durch eine Spule 43 erregt. Die Pole sind noch etwa um den Radius des Rohres
35 über die Zwischenebene nach oben hinaus zylindrisch fortgesetzt und enden dann
senkrecht zu ihrer Längsausdehnung flach abgeschnitten.
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Bei der dargestellten Anordnung bildet sich ein Magnetfeld zwischen
dem Pol 42 einerseits und den beiden Polen 40 und 41 anderseits. Auf diese Art und
Weise ergibt sich ein charakteristisches Magnetfeld, das den Innenraum des Rohres
35 so durchsetzt, daß die Feldstärke im wesentlichen in Richtung auf den Pol 42
hin zunimmt. Bringt man nun Teilchen 45 einer elektrisch leitenden Substanz unter
entsprechendem Druck durch die Leitung 39 in den Raum des Trichters 38, so werden
in ihnen Ströme induziert, aus denen in der Achse des Trichters 38 eine gegen die
Vorschubrichtung gerichtete Kraft resultiert. Seitlich von der Achse neigt sich
die Kraftrichtung entsprechend dem Verlauf des Magnetfeldes in Richtung auf die
Pole 40 bzw. 41. Infolgedessen baut sich nun wieder ein festes Gebilde auf,
dessen Zusammenhalt durch die an den Teilchen 45 wirkenden Kräfte gewährleistet
wird.
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Als Teilchen 45 lassen sich Metalle verwenden, deren Schmelzpunkt
höher liegt als die Temperatur, auf der sich die verarbeitete Flüssigkeit befindet.
Zum Vermeiden chemischer Angriffe können diese mit einem entsprechenden resistenten
Überzug versehen sein.
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Eine besonders günstige Ausführungsform solcher Teilchen zeigt Fig.
3. Hier ist ein gut leitendes Metall 50, beispielsweise Kupfer, in einer Hohlkugel
51 eingeschlossen, die aus einem chemisch widerstandsfähigen Material, beispielsweise
keramisches Metall, besteht. Die Hohlkugel 51 wird nicht ganz ausgefüllt,
so daß die unterschiedliche thermische Ausdehnung der beiden Materialien nicht zu
Zerstörungen führen kann. Hier kann das in der Hohlkugel eingeschlossene Kupfer
ohne weiteres über den Schmelzpunkt hinaus erhitzt werden, ohne daß die elektromagnetischen
Eigenschaften verlorengehen.
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Es läßt sich leicht zeigen, daß auch auf eine aus elektrisch nichtleitendem
Material bestehende Kugel indirekt eine Kraft ausgeübt wird, wenn sie von einem
flüssigen elektrischen Leiter umgeben ist. Es ist daher auch möglich, an Stelle
der Teilchen aus leitfähigem Material Teilchen aus nichtleitendem Material zu verwenden,
wenn diese von einem flüssigen elektrischen Leiter umgeben sind.