DE1236832B - Geraet zum Abscheiden von Gasblasen aus einem Fluessigkeitsstrom - Google Patents

Description

DEUTSCHES WTWWp PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 421-13/01

Nummer: 1 236 832

Aktenzeichen: L 46958IX b/421

Anmeldetag: 4. Februar 1964

Auslegetag: 16. März 1967

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Abscheiden von Gasblasen aus einem Gasblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrom.

Es kommt häufig vor, daß man von einem Flüssigkeitsstrom in diesem enthaltende Gasblasen abzuscheiden wünscht, so daß ein von Gasblasen ganz oder im wesentlichen freier Flüssigkeitsstrom erhalten wird. Im allgemeinen bietet dieses Problem keine großen Schwierigkeiten, da man meistens den Flüssigkeitsstrom in der Nähe einer freien, zur umgebenden Atmosphäre offenen Flüssigkeitsfläche derart strömen lassen kann, daß die Gasblasen im Flüssigkeitsstrom wegen ihrer Steigkraft zu der freien Flüssigkeitsfläche aufsteigen und dadurch sich von dem Flüssigkeitsstrom abscheiden.

In bestimmten Fällen ergeben sich jedoch beträchtliche Schwierigkeiten und Nachteile, so z. B. bei Einrichtungen zum Messen einer physikalischen Größe, z. B. der Lichtabsorption, des Brechungsexponenten, des elektrischen Leitwertes usw. einer strömenden Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsstrom wird dabei durch eine Meßzelle geleitet, die mit Einrichtungen zum kontinuierlichen Messen der gewünschten Größen bei der durch die Meßzelle strömenden Flüssigkeit versehen ist, und es ist dabei unbedingt erforderlich, daß der an der Meßstelle vorbeiströmende Flüssigkeitsstrom von Gasblasen völlig frei ist, da diese solche Störungen in der Messung bewirken können, daß das Meßergebnis sehr schwer oder völlig unmöglich auszuwerten ist. Man muß deshalb vor der Meßzelle die im Flüssigkeitsstrom gegebenenfalls befindlichen Gasblasen vom Flüssigkeitsstrom abscheiden. Solche Gasblasen können entweder in dem Flüssigkeitsstrom unabsichtlich eingeführt werden, wenn der Flüssigkeitsstrom in der Rohrleitung zur Meßzelle geleitet wird, oder sie können in den Flüssigkeitsstrom absichtlich eingeführt sein, um verschiedene nacheinander folgende Flüssigkeitsproben voneinander zu trennen, um zu verhindern, daß die verschiedenen Proben sich miteinander mischen, wenn sie durch die Rohrleitungen und die Meßzelle strömen.

Zu diesem Zweck hat man bisher vor der Meßzelle eine Entlüftungseinrichtung für die Gasblasen angeordnet, die grundsätzlich in der oben beschriebenen Weise arbeitet. An der Entlüftungsstelle weist indessen die Flüssigkeit im allgemeinen einen wesentlichen Überdruck auf, der zum Teil vom statischen Druck der Flüssigkeit an diesem Punkt und zum Teil von dem von dem Strömungswiderstand verursachten hydrodynamischen Druck herrührt. Dieser Strömungswiderstand und damit der hydrodynamische Überdruck kann verhältnismäßig groß sein, da häu-Gerät zum Abscheiden von Gasblasen aus einem Flüssigkeitsstrom

Anmelder:

LKB-Produkter AB, Stockholm
Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:

Tage Harald Person, Vallingby (Schweden)

*5 Beanspruchte Priorität:

Schweden vom 18. Februar 1963 (1774)

fig mehrere Meßzellen nacheinander in Serie geschaltet sind und unter Umständen auch Leitungen mit beträchtlicher Länge zwischen diesen Zellen eingeschaltet sind, so daß chemische Vorgänge sich in der Flüssigkeit zwischen den verschiedenen Messungen abspielen können. Um eine freie, zur umgebenden Atmosphäre offene Flüssigkeitsfiäche zu erhalten, an der die Gasblasen aus dem Flüssigkeitsstrom entweichen können, ist folglich ein Steigrohr erforderlich mit einer Höhe entsprechend dem in der Flüssigkeit an der Entlüftungsstelle herrschenden Überdruck, der häufig von der Größe 1-m-Wassersäule sein kann. Ferner muß auch beachtet werden, daß dieser Druck zwischen verhältnismäßig weiten Grenzen variieren kann, weshalb die Höhe des Steigrohres so groß bemessen werden muß, daß eine ausreichende Sicherheit für diese Druckschwankungen erhalten wird.

Die Entlüftungseinrichtung wird folglich verhältnismäßig groß und raumfordernd. Weiter wird das Steigrohr eine beträchtliche Flüssigkeitsmenge enthalten, und ein stetiger, aber völlig unkontrollierbarer Austausch wird sich zwischen der Flüssigkeit im Steigrohr und der Flüssigkeit in dem am unteren Ende des Steigrohres vorbeiströmenden Flüssigkeitsstrom jeweils abspielen. Es entsteht deshalb eine Mischung von verschiedenen Flüssigkeitsanteilen des Flüssigkeitsstromes, was beträchtliche Meßfehler verursachen oder die Messung völlig unmöglich machen kann. Handelt es sich um Gasblasen, die absichtlich in den Flüssigkeitsstrom eingeführt worden sind, um die verschiedenen Proben im Flüssigkeitsstrom zu unterscheiden, hat das bekannte Verfahren den zusätzlichen Nachteil, daß nach der Entlüftung

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keine Trennung zwischen den verschiedenen Flüssigkeitsproben mehr vorliegt, weshalb eine immer kräftigere gegenseitige Vermischung zwischen den Proben entsteht, wenn die Flüssigkeit nach der Entlüftung durch noch weitere Meßzellen und gegebenenfalls auch durch zwischen den Meßzellen liegende Verzögerungsleitungen geleitet wird. Die Gasblasen bestehen im allgemeinen aus Luft, können aber auch aus anderen Gasen bestehen, wenn die Eigenart der durchströmenden Flüssigkeit dies erfordert.

Das erfindungsgemäße Gerät zum Abscheiden von Gasblasen aus einem in einer Rohrleitung geführten, Gasblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrom und zur nach einer Behandlung des Flüssigkeitsstroms erfolgenden Wiederzuführung von Gasblasen in den Flüssigkeitsstrom am Eingang der Ableitung des Flüssigkeitsstroms ist gekennzeichnet durch eine zwischen Zuleitung und Ableitung des Flüssigkeitsstroms geschaltete geschlossene Rohrleitungsverzweigung mit einem mit seinem höchsten Punkt in einer Horizontalebene oberhalb des Einleitungsniveaus in die und oberhalb des Ableitungsniveaus aus der Rohrleitungsverzweigung angeordneten Leitungszweig und einem mit seinem tiefsten Punkt unterhalb der genannten Niveaus angeordneten Leitungszweig. Es ist zweckmäßig, daß der höchste Punkt des oberen Leitungszweiges um eine Niveaudifferenz über dem Einleitungsniveau liegt, die mindestens der größten auftretenden, sich aus dem statischen und hydrodynamischen Druck zusammensetzenden Druckdifferenz

AP + gh₂

zwischen Zuleitung und Ableitung entspricht. Zweckmäßigerweise liegen der obere und der untere Leitungszweig in derselben, im wesentlichen lotrechten Ebene und weisen U-förmige Gestalt auf. Einleitung und Ableitung liegen dabei im wesentlichen auf gleichem Niveau.

Da bei Anwendung der Erfindung das in der Leitung zwischen dem Raum oberhalb der Flüssigkeitsfläche und dem Auslaß eingeschlossene Gasvolumen automatisch im wesentlichen den Druck des Flüssigkeitsstromes annimmt, und da dieses Gasvolumen sehr klein gehalten werden kann, ist offenbar eine sehr kleine Flüssigkeitssäule zwischen der freien Flüssigkeitsfläche, an welcher der Gasaustritt erfolgt, und dem Flüssigkeitsstrom erforderlich, weshalb die Einrichtung sehr raumsparend gebaut werden kann, und die Vermischung von unterschiedlichen Flüssigkeitsanteilen des Flüssigkeitsstromes sehr gering bleibt. Wie im folgenden näher beschrieben wird, kann diese Flüssigkeitssäule bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung völlig wegfallen. Da das zwischen der freien Flüssigkeitsfläche, durch die der Gasaustritt erfolgt, und dem Auslaß eingeschlossene Gasvolumen sehr klein gehalten werden kann, werden auch die Bewegungen der freien Flüssigkeitsfläche wegen Druckschwankungen im Flüssigkeitsstrom verhältnismäßig klein, was vorteilhaft ist. Das Gerät nach der Erfindung hat auch den Vorteil, daß die Gasblasen in den Flüssigkeitsstrom wieder eingeführt werden, nachdem dieser an der Meßstelle vorbeigeströmt ist, d. h. im wesentlichen an denselben Stellen im Flüssigkeitsstrom, die sie früher eingenommen haben, weshalb auch nach der Meßzelle die gewünschte, durch die Gasblasen bewirkte Trennung zwischen verschiedenen Proben im Flüssigkeitsstrom noch einmal erhalten wird.

Wenn hier im folgenden in Verbindung mit der Beschreibung des erfindungsgemäßen Gerätes Ausdrücke wie »höher«, »niedriger«, »obere« und »untere« verwendet werden, wird vorausgesetzt, daß das Gerät sich in seiner Betriebslage befindet.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 schematisch die grundsätzliche Ausbildung eines erfindungsgemäßen Gerätes,

Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch eine praktische Ausführungsform einer Meßzelle nach der Erfindung zum Messen der Lichtabsorption einer Flüssigkeit,

F i g. 3 und 4 diese Meßzelle von der Seite bzw. von oben gesehen.

Wie F i g. 1 zeigt, besteht die Einrichtung nach der Erfindung grundsätzlich aus zwei von einer Einlaßleitung 1 zu einer Auslaßleitung 2 geführten Zweigleitungen 3 und 4, die über dem wesentlichen Teil ihrer Länge in ungleicher Höhe in senkrechter Richtung, gerechnet zwischen dem Einlaß und dem Auslaß, verlaufen. Die beiden Zweigleitungen 3 und 4 liegen vorzugsweise, obgleich dies nicht unbedingt erforderlich ist, in derselben im wesentlichen senkrechten Ebene und können vorzugsweise im wesentlichen U-förmig sein, wie Fig. 1 zeigt. Die Ausdrücke »Einlaß« und »Auslaß« bedeuten hier und im folgenden, wenn nichts anderes gesagt wird, den Vereinigungspunkt zwischen den beiden Zweigleitungen 3 und 4 und der Einlaßleitung 1 bzw. der Auslaßleitung 2.

Der Luftblasen enthaltende Flüssigkeitsstrom wird der Einrichtung durch die Einlaßleitung 1 zugeführt und füllt dabei zunächst die untere Zweigleitung 4 und strömt danach durch die Auslaßleitung 2 aus. Dabei wird ein Luftvolumen 5 in der oberen Zweigleitung 3 eingeschlossen. Zwischen diesem Luftvolumen und der Flüssigkeit entstehen also zwei freie Flüssigkeitsflächen, und zwar eine erste Flüssigkeitsfläche 6 beim Einlaß und eine zweite Flüssigkeitsfläche 7 beim Auslaß. Im statischen Zustand, d. h. wenn keine Strömung durch die Einrichtung stattfindet, werden die beiden Flüssigkeitsflächen 6 und 7 in gleicher Höhe und in Höhe mit dem Auslaß liegen. Beim stabilen Betrieb und mit einer bestimmten Strömung durch die Einrichtung wird dagegen die Flüssigkeitsfläche 6 am Einlaß wegen des hydrodynamischen Druckfalles zwischen Einlaß und Auslaß etwas höher als die Flüssigkeitsfläche 7 am Auslaß liegen.

Offenbar hat man die folgenden Beziehungen:
P₃ = P₁-Qh₁ = P₂, P₁ - P₂ = Qh₂ + AP,

wo P₁ den Druck in der Flüssigkeit am Einlaß bezeichnet, P₂ den Druck in der Flüssigkeit am Auslaß, P_s den Druck in dem eingeschlossenen Luftvolumen 5 in der oberen Zweigleitung 3, ρ die Dichte der Flüssigkeit, h_± die Höhe der Flüssigkeitsfläche 6 über dem Einlaß und h₂ die Höhendifferenz zwischen Auslaß und Einlaß, wie in Fig. 1 angegeben. Aus diesen Beziehungen erhält man:

Qh₁ = AP + Qh₂.

Hieraus geht hervor, daß die Flüssigkeitssäule zwischen der freien Flüssigkeitsfläche 6 und dem Einlaß höher wird, je größer der von der Strömung

verursachte hydrodynamische Druckfall zwischen Einlaß und Auslaß ist und je höher der Auslaß über dem Einlaß liegt. Ferner geht aus der obigen Beziehung hervor, daß der höchste Punkt der oberen Zweigleitung 3 eine Höhe h₃ (F i g. 1) über dem Einlaß aufweisen muß, die mindestens der größten auftretenden, aus dem hydrodynamischen und dem statischen Druck zusammengesetzten Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß entspricht, da andernfalls die Flüssigkeit auch die obere Zweigleitung 3 völlig füllen würde. Da der hydrodynamische Druckfall in der unteren Zweigleitung für die in einer Einrichtung der vorliegenden Art vorkommenden Strömungsgeschwindigkeiten verhältnismäßig klein ist, ist offenbar, daß die Flüssigkeitssäule zwischen dei Flüssigkeitsfläche 6 und dem Einlaß 1 sehr klein wird, wenn Auslaß und Einlaß im wesentlichen in gleicher Höhe angeordnet werden.

Wenn nun eine Luftblase 8 mit dem Flüssigkeitsstrom in den Einlaß eingeführt wird, wird diese Luftblase wegen ihrer Steigkraft in der Flüssigkeit gegen die freie Flüssigkeitsfläche 6 in der oberen Zweigleitung aufsteigen und sich mit dem darin eingeschlossenen Luftvolumen 5 vereinigen. Hierdurch wird der Druck in diesem Luftvolumen zufällig erhöht, und wenn die Druckerhöhung ausreichend groß ist, um die Kapillarkraft an der Flüssigkeitsfläche 7 an der Auslaßleitung 2 zu überwinden, wird eine entsprechende Luftblase in die Auslaßleitung 2 ausgepreßt werden. Durch die untere Zweigleitung 4 wird also ein von Luftblasen völlig befreiter Flüssigkeitsstrom erhalten, während die Luftblasen durch die obere Zweigleitung geführt und durch die Auslaßleitung im Takt mit der Einführung von Luftblasen durch die Einlaßleitung abgegeben werden. Um dies zu erreichen, muß die Kapillarkraft, die beim Abgeben einer Luftblase durch die Auslaßleitung überwunden werden muß, möglichst klein sein, was durch geeignete Formgebung der Verbindung der oberen Zweigleitung 3 mit der Auslaßleitung 2 erreicht werden kann.

Die Mittel zum Messen einer physikalischen Größe in dem Flüssigkeitsstrom sind in der Zeichnung nicht näher dargestellt; sie können in irgendeiner zum Durchführen der gewünschten Messung bekannten Weise ausgebildet sein, z. B. zur Bestimmung der Lichtabsorption der Flüssigkeit, des Brechungsexponenten, der elektrischen Leitfähigkeit usw., und sind an einer geeigneten Stelle entlang der unteren Zweigleitung 4 angeordnet. Die Form der unteren Zweigleitung kann diesen Meßeinrichtungen unbehindert angepaßt werden, da die Form dieser Zweigleitung für die Entgasung von untergeordneter Bedeutung ist. Der dem Einlaß am nächsten liegende Teil der unteren Zweigleitung 4 soll jedoch vorzugsweise im wesentlichen senkrecht sein und einen solchen Durchlaßquerschnitt haben, daß die Strömungsgeschwindigkeit in diesem Teil nicht größer in bezug auf die Viskosität und die Dichte der Flüssigkeit ist, als daß die Luftblasen unter Einwirkung ihrer Steigkraft zu der freien Flüssigkeitsfläche aufsteigen können.

Da die Luftblasen nicht an genau den gleichen Stellen in den Flüssigkeitsstrom wieder eingeführt werden, wo sie früher gelegen hatten, sondern entlang dem Flüssigkeitsstrom um eine Strecke entsprechend der Länge der unteren Zweigleitung verschoben werden, soll diese Zweigleitung ein möglichst

kleines Volumen haben, damit eine möglichst kleine Vermischung zwischen unterschiedlichen Teilen des Flüssigkeitsstromes erfolgt. Wenn unterschiedliche Proben eines Flüssigkeitsstromes durch Luftblasen voneinander getrennt gehalten werden sollen, verwendet man jedoch im allgemeinen nicht nur eine Luftblase, sondern üblicherweise jeweils mehrere Luftblasen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Proben, so daß die Vermischung zwischen zwei benachharten Proben des Flüssigkeitsstromes bei einer Einrichtung nach der Erfindung sehr klein bleibt. Man kann also unbehindert mehrere Meßzellen dieser Art nacheinander schalten, ohne daß die Vermischung zwischen den Proben des Flüssigkeitsstromes unzulässig groß ist

Wie bereits oben angegeben, ist es vorteilhaft, wenn die obere Zweigleitung 3 ein kleines Volumen hat. Der Durchflußquerschnitt dieser Zweigleitung kann jedoch nicht allzuviel vermindert werden, weil ao dadurch die Kapillarkraf t in der Zweigleitung so groß wird, daß die Gasblasen zum Teil zusammen mit der Flüssigkeit durch die untere Zweigleitung 4 abströmen.

Die Einlaß- und Auslaßleitung haben vorzugsweise einen solchen Durchflußquerschnitt, daß die Luftblasen den Durchflußquerschnitt, abgesehen von dem die Blasen umgebenden Flüssigkeitsfilm völlig füllen, so daß eine Strömung von Flüssigkeit an den Blasen vorbei und dadurch ein Vermischen zwischen verschiedenen Proben nicht eintreten kann.

Wie aus der oben angegebenen Beziehung hervorgeht, kann eine Einrichtung nach der Erfindung derart ausgebildet sein, daß die freie Flüssigkeitsfläche 6 unter den Einlaß zu liegen kommt, wenn nur It₂ negativ ist, d. h. der Auslaß unter dem Einlaß liegt. Wenn man gleichzeitig dem dem Einlaß am nächsten liegenden Teil der unteren Zweigleitung 4 einen solchen Durchflußquerschnitt gibt, daß die durch den Einlaß eingeführte Flüssigkeit den Durchflußquerschnitt in diesem Teil der unteren Zweigleitung nicht völlig füllt, sondern entlang der inneren Wandung der Leitung gegen die freie Flüssigkeitsfläche herunterfließt, wird eine sehr sichere Entgasung gewährleistet. Diese Ausbildung hat jedoch einen Nachteil, da man im allgemeinen die Meßstelle so nahe dem Einlaß wie möglich entlang der unteren Zweigleitung 4 anzuordnen wünscht, da in diesem Teil der Zweigleitung eine alte Probe am schnellsten entfernt wird, so daß eine sichere und fehlerfreie Messung der

so nachfolgenden Probe durchgeführt werden kann. Weiter muß man bei dieser Ausführungsform der Erfindung durch eine besondere Ausformung der Einlaßleitung sicherstellen, daß kein Teil des in der oberen Zweigleitung eingeschlossenen Luftvolumens durch die Einlaßleitung auslecken kann. Dies bietet jedoch im allgemeinen keine größeren Schwierigkeiten.

F i g. 2, 3 und 4 zeigen eine praktische Ausführungsform einer Meßzelle nach der Erfindung zur Messung der Lichtabsorption der durch die Meßzelle strömenden Flüssigkeit. Die Meßzelle ist grundsätzlich in der in Fig. 1 dargestellten und oben beschriebenen Weise ausgebildet, und die verschiedenen Teile der Meßzelle sind deshalb mit denselben Bezugszeichen wie entsprechende Teile in F i g. 1 versehen. Bei der Meßzelle nach Fig. 2 bis 4 hegt der Auslaß etwas höher als der Einlaß, und die obere Zweigleitung 3 ist an die Auslaßleitung 2 und an die

Claims (4)

untere Zweigleitung 4 derart angeschlossen, daß die Kapillarkraft, die zum Auspressen einer Luftblase aus der oberen Zweigleitung 3 in die Auslaßleitung 2 überwunden werden muß, klein ist. Ferner hat die obere Zweigleitung 3 einen etwas Meineren Durchflußquerschnitt als die untere Zweigleitung 4. Die untere Zweigleitung 4 hat z. B. einen inneren Durchmesser von 4 mm, die obere Zweigleitung 3 einen solchen von 2,5 mm; der Auslaß, d. h. der Punkt, an dem die obere Zweigleitung 3, die untere Zweig- id leitung 4 und die Auslaßleitung 2 zusammentreffen, liegt etwa 3 mm über dem Einlaß, d. h. dem Punkt, in dem die obere Zweigleitung 3 und die untere Zweigleitung 4 mit der Einlaßleitung 1 zusammentreffen, wobei die Säule der oberen Zweigleitung 3 xs im höchsten Punkt dieser Leitung etwa 7 mm über dem Einlaß liegt. Diese Meßzelle hat außerordentlich gute Ergebnisse geliefert, unter anderem für eine Flüssigkeit mit einer Viskosität und einer Dichte im wesentlichen entsprechend Wasser bei Raumtempe- »o ratur und einer Durchflußgeschwindigkeit von 5 ml pro Minute. Meßzellen nach der Erfindung für eine viel größere Durchflußgeschwindigkeit, bis auf 50 bis 60 ml pro Minute, sind ebenfalls hergestellt worden. 35 Patentansprüche:

1. Gerät zum Abscheiden von Gasblasen aus einem in einer Rohrleitung geführten, Gasblasen enthaltenden Flüssigkeitsstrom und zur nach einer Behandlung des Flüssigkeitsstromes erfolgenden Wiederzuführung von Gasblasen in den Flüssigkeitsstrom am Eingang der Ableitung des Flüssigkeitsstromes, gekennzeichnet

durch eine zwischen Zuleitung (1) und Ableitung (2) des Flüssigkeitsstromes geschaltete geschlossene Rohrleitungsverzweigung (3, 4) mit einem mit seinem höchsten Punkt (5) in ekaer Horizontalebene oberhalb des Einleitungsniveaus in die und oberhalb des Ableitungsniveaus aus der Rohrleitungsverzweigung (3, 4) angeordneten Leitungszweig (3) und einem mit seinem tiefsten Punkt unterhalb der genannten Niveaus angeordneten Leitungszweig (4).

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Leitungszweig (3) in seiner ganzen Länge höher als das Einleitungsniveau und daß der untere Leitungszweig (4) in seiner ganzen Länge niedriger als das Ableitungsniveau liegt.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der höchste Punkt (5) des oberen Leitungszweiges (3) um eine Niveaudifferenz (A₃) über dem Einleitungsniveau liegt, die mindestens der größten auftretenden, sich aus dem statischen und hydrodynamischen Druck zusammensetzenden Druckdifferenz (A P + ρ h₂) zwischen Zuleitung (1) und Ableitung (2) entspricht.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Leitungszweig (3) und der untere Leitungszweig (4) in derselben, im wesentlichen lotrechten Ebene liegen und im wesentlichen U-förmig sind.

5. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung und die Ableitung im wesentlichen auf gleichem Niveau liegen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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