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Druckbehälter Die Erfindung besieht sich auf Druckbehälter aus leichtem
Material, welche geeignet sind, mit eine faden artigen Material umwickelt zu werden.
Insbesondere besieht sich die Erfindung auf einen Wasseraufbereitungsbehälter mit
Fluidleitschaufeln, die fest an den Innenflächen des Behälters angebracht sind,
so daß die Fluidströmung durch die darin enthaltenen Aufbereitungsmittel geleitet
wird.
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Grundsätzlich bestecht der erfindungsgemä@e Druckbehälter aus einer
zylindrischen Mittelwand oder Hülse und aus einem Paar von Endkappen aus leichtem,
elastischen Material. Die zylindrische Hülse besitzt offene Enden und die Endkappen
sind in jedem Ende der Hülse angebracht, so daß ein langgestreckter Behälter gebildet
wird. Jede der Endkappen weist einen konvexen, kuppelförmigen
Oberteil
und einen davon abstehenden, zylindrischen, mit dem Oberteil einstückigen Rand auf,
der im wesentlichen den gleichen Außendurchmesser wie die Mittelhülse besitzt. Die
Endkappen sind mit der Mittelhülse durch Einrichtungen verbunden, welche eine im
wesentlichen fluiddichte Abdichtung zwischen den Endkappen und der Hülse ergeben.
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Zum Anbringen der Endkappen an der Mittelhülse sind ringförmige Stege
mit dem zylindrischen Rand jeder der Endkappen verbunden. Jeder der ringförmigon
Stege weist einen Außendurchmesser auf, der etwas geringer i8t als der Außendurchmesser
des Randes, so das ein Absatz an-der Übergangsstelle zwischen dei Steg und des Rand
gebildet wird! Die radiale Ab@es@ung des Absatzes ist im wesentlichen gleich@der
Dicke der niti telhül@e, so daß die Stege bündig in die Mittelnülse passen, und
die Außenflächen des Randes und der Mittelhßlse bilden einen glatten Übergang fur
die Aufwicklung von fadenförmigei Material. eine der Endkappen kann mit einer Öffnung
zur Aufnahme eines Y schlus@es für den Behälter verschen zein. Ein @adenförmiges
Organ kann dicht um die Endkappen und die Mittelhülse gewickelt werden, so daß die
Endkapp@n in der Mittelhülse gehalten werden und ein einbeitlicher, fester Druckbehälter
gebildet wird.
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Der erfindungsgemäße Druckbehälter ist insbesondere fur die Verwendung
als Fluidaufbereitungsbehälter der für Wasserweichmacher verwendeten Art g@eignet.
Die@e Behalter enthalten normalerweise einen Mittelkanal,
welcher
von einem Strömungsventil an einem Ende des Behälters bis zu einer Stelle etwa am
anderen Ende des Behälters verläuft. Der diesen Kanal umgebende Teil der Mittelhülse
des Behälters enthält im allgemeinen ein Fluidaufbereitungsmittel, wie ein Ionenaustauschharz.
Mit dem erfindungsgemäßen Druckbehälter ist es möglich, die Innenflächen der Endkappen
oder der Mittelhülse so zu verändern, daß Fluidleitschaufeln oder andere Gebilde
innerhalb des Behälters vor dem endgUltigen Zusammenbau gebildet werden. Bei einer
Ausffllirungsform der Erfindung ist beispielsweise eine Mehrzahl von gabelförmigen
Fluidleitschaufeln, deren jede ein Paar von gekrümmten Armen aufweist, in der nahe
am Auslaß des Kanals angeordneten Endkappe angebracht, so daß das in den Aufbereitingsbehälter
strömende Fluid in eine vorgewählte Strömungsverteilung geleitet wird, durch die
die 118trömungskanalbildung", das heißt die Neigung der Flassigkeiten, nach innen
zum Mittelkanal und an der Außenfläche des Kanals nach unten zu strömen, wesentlich
verringert wird.
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Anhand der Figuren wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert.
Es zeigt Figur i eine seitliche Schrägansicht des erfindungsgemäßen Druckbehälters,
Figur 2 eine auseinandergezogene Schrägansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Druckbehälters, in welcher die Endkappen und ein mittlerer zylindrischer
Teil
dargestellt sind, Figur 3 einen Längsschnitt eines fadenumwickelten Druckbehälters
der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform, Figur 4 einen vergrößerten Schnitt
durch Endkappe und Mittelwandverbindung des Druckbehälters gemäß Figur 3, in welchem
die Fadenumwicklung auf der Außenfläche desselben gezeigt ist, Figur 5 eine vergrößerte
Draufsicht auf das Auffängersieb gemäß der Erfindung, Figur 6 eine vergrößerte Draufsicht
auf die in Figur 2 gezeigte untere Endkappe, Figur 7 einen Längsschnitt einer Wasseraufbereitungsanordnung,
bei welcher das Druckgefäß gemäß der Erfindung verwendet ist, und Figur 8 einen
Längsschnitt durch eine weitere Ausfthrungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters.
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Figur 1 zeigt den allgemeinen Aufbau des zusammengesetzten Druckbehälters
10 gemäß der Erfindung vor dem Fadeufwickeln. Der Behälter weist allgemein eine
obere und eine untere Endkappe 12 bzw. 14 auf, welche auf einer mittleren, langgestreckten,
zylindrischen Seitenwand oder HUlse 16 fluiddicht angebracht sind.
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Jede der Endkappen weist die gleiche äußere Form auf.
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Sie haben jeweils einen allgemein konvexen, kuppelförmigen Endteil
20, welcher mit einem davon abstehenden, zylindrischen Randteil 22 einstückig verbunden
ist (siehe Figur 4). Jeder der abstehenden Randteile 22 endet in ehem ringförmigen
Steg 24 mit verringertem Außendurchmesser. Der Außendurchmesser des Stegs 24 ist
etwas geringer als der Innendurchsesser der HUlse 16. Den Übergang zwischen dem
oberen Teil des Randes und dem Steg bildet ein Absatz 26, dessen radiale Länge im
wesentlichen gleich der Dicke der mittleren Hülse 16 ist, so daß bei Anbringung
der Endkappen auf der Hülse ein im wesentlichen glatter Übergang auf der Außenfläche
des zusammengebauten Behälters von der Endkappe zur Hülse besteht, wie in den Figuren
3 und 4 gezeigt. Dadurch ergibt sich eine glatte Oberfläche zum Anbringen einer
Fadenwicklung 29 auf dem Behälter.
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Ringnuten 30 oder andere Einrichtungen sind an jedem der Stege zur
Aufnahme von elastischen Dichtringen, wie den in Figur 2 gezeigten O-Ringen 32,
vorgesehen.
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Die O-Ringe 32 besitzen einen etwas größeren Außendurchmesser als
die Stege 24, so daß sie bei Anordnung in der Nut in den Stegen aus der Oberfläche
der Stege einige Zehntel Millimeter (einige Hundertstel inch) nach außen stehen.
Die Längsausdehnung der Stege 30 von den Absätzen 26 bis zu ihren entgegengesetzten
Enden soll mindestens das Dreifache der Breite der elastischen Dichtungsberuhrung
zwischen dem O-Ring und der Hülse 16 und vorzugsweise mindestens das Siebenfache
der
Breite der Dichtungsberührung betragen, damit sich eine verhältnismäßig starre ringförmige
Auflage fläche zum Anbringen der Endkappen in der Hülse 16 ergibt.
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Der Steg kann länger als das Siebenfache der Breite des Dichtungsorgans
sein, wenn gewünscht, wenn er nur eine gute Stütze zum Befestigen der Endkappen
an der Mittelhülse darstellt. Es hat sich herausgestellt, daß die Druckbehälter
sehr hohen Drücken in der Größenordnung zon 52,7 kg/cm2 (750 psi) nach der Fadenbewicklung
@ walten können, wenn die Oberfläche des Steges mindestens dreimal so.groß gehalten
wird wie die F1äche der DichtungsberUhrung.
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Weiter ist aus Figur 4 ersichtlich, daß das untere Ende des abstehenden
Steges 24 innen von einem Punkt 34 ab, welcher in axialer Richtung der Nut 30 zur
Anbringung des O-Dichtungsrings 32 am Steg entspricht, verjüngt verläuft. Diese
Verjüngung erteilt dem unteren Ende des Steges für die Anbringung der Endkappen
in der zylindrischen HUlse 16 eine gewisse Biegsamkeit. Die Stege der oberen und
unteren Endkappe sind in der in Figur 4 gezeigten Weise verjtlngt.
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Wie am besten aus Figur 3 ersichtlich, ist die obere Endkappe 12 mit
einer öffnung 38 versehen, welche ein Innengewinde zur Aufnahme eines in Figur 7
schematisch dargestellten Fluidsteuerventils 40 oder zur Aufnahme einer nicht gezeigten
Druckkappe aufweisen kann.
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Wie in den Figuren 2 und 6 gezeigt, sind an die untere Endkappe 14
nach oben stehende, gabelföriiiige Leitschaufeln
42 an deren Innenfläche
einstUckig angeformt. Die Schaufeln 42 bestehen jeweils aus zwei sich schneidenden,
gekrililmmten Armen, wobei ein Ende derselben sowie deren Unterkante mit der Endkappe
fest verbunden ist. Sie sind symmetrisch um die Achse der Endkappe 14 angeordnet,
8o daß sich die Arme radial nach außen erstrecken, wie in Figur 6 gezeigt, wobei
vier gekrümmte Kanäle 44 gebildet werden, welche von der Mitte der Endkappe radial
nach außen verlaufen und im wesentlichen tangential zum zylindrischen Innenumfang
der Endkappe enden. Die Querschnittsfläche der Kanäle 44 nimmt mit wachsendem Abstand
von der Mitte der Endkappe ab (siehe Figur 6) und die Kanäle mUnden in vier oben
offene Kammern 46 zwischen den Kanälen. Infolge der KrUmmung der Schaufeln und der
konvexen Endwandung sind die Kammern 46 an ihren Außenkanten breiter, jedoch nahe
der Mitte der Endkappen tiefer. Die oberen Kanten der Schaufeln 42 liegen in einer
Ebene, wie am besten aus Figur 3 ersichtlich.
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Die unteren Kanten können mit der Endkappe einstückig sein und jede
Schaufel ist mit einem einen geringen Durchmesser besitzenden Durchbruch 48 nahe
der Unterkante an der Überschneidung der beiden Arme versehen, damit die entsprechende
Kammer 46 mit der Mitte der Endkappe verbunden wird, wie in den Figuren 2, 3 und
6 gezeigt.
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Die untere Endkappe i4 ist innen ebenfalls mit einem flachen, ringförmigen
Absatz 50 versehen, der sich im wesentlichen in der gleichen Ebene befindet wie
die Oberkanten der Schaufeln, wie am besten aus Figur 2 ersichtlich, was zum Anbringen
eines Auffängersiebes 52
dient. Der Absatz 50 kann in die untere
Endkappe eingearbeitet oder vorgeformt werden. Die untere Endkappe kann auch außen
mit einer axial verlaufenden, festen, ringförmigen Aufwickelhalterung 55 versehen
werden, wie am besten aus-Figur 3 ersichtlich.
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Das Auffängersieb 52 besteht, wie aus den Figuren 2, 3 und 5 ersichtlich,
aus einer eine Mittelöffnung aufweisenden Scheibe mit einem nach unten stehenden
Ringflansch oder einer Sicke 54 um die Mittelöffnung. Das Auffängersieb 52 ist außerdem
mit konzentrischen, sich in Umfangsrichtung erstreckenden Öffnungen oder Schlitzen
56 in radialen Abständen auf der Scheibe zur Bildung von Fluidströmungsbahnen durch
das Auffängersieb 52 versehen, deren Fassungsvermögen sich proportional zum Abstand
von der Mitte der Scheibe ändert.
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Die Sitze sind so angeordnet, daß sie die vier von den Schaufeln 42
gebildeten Kammern 46 Uberdecken. Das Auffängersieb sitzt dicht auf der Oberseite
der Schaufeln 42 und kann an den Schaufeln durch einen geeigneten Klebstoff befestigt
sein, so daß die Kanäle 44 im wesentlichen fluiddicht werden und das Fluid veranlaßt
wird, lediglich aus den Kammern 46 nach oben durch den Behälter zu strömen. Die
äußersten Umfangsschlitze 56 sind breiter und haben ein höheres Fassungsvermögen
als die innersten, da sich ihre Länge, wie in Figur 6 gezeigt, entsprechend dem
Breiterwerden der Kammern 46 mit wachsendem Abstand von der Mitte der Scheibe vergrößert.
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Die Endkappen 12 und 14 und die MittelhUlse 16 des
Druckbehälters
können aus irgendeinem festen, formbaren oder bearbeitbaren Material hergestellt
werden, beispielsweise aus den polymeren Kunststoffen Polyvinylchlorid, linearem
Polyäthylen hoher Dichte oder ähnlichen Kunststoffen oder Metallen, wie Messing
und rostfreien Stählen. Die bevorzugten Stoffe ftlr die Herstellung der Druckbehälter
sind die Acrylnitril-Butadien-Styrol-harze (ABS-Harze) und ihre Mischpolymerisate,
welche eine Zugfestigkeit von etwa 457,0 kg/ cm2 (6500 psi) bei 22,80 C (73° F),
ein spezifisches Gewicht von etwa 0,99 bis 1,05, eine prozentuale Zunahme der Wasserabsorption
bei einer Zeitspanne von 24 Stunden und einer Temperatur von 22,8° C (730 F) von
0,2 bis 0,4 und einen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als 10,.5
x 10 5 cm/cm/° C (in/in/o C) aufweisen. Die elastischen Dichtungen können aus irgendeinem
biegsamen, wasserbeständigen Material, wie Neopren (Elastomer auf der Grundlage
von Polymeren von 2-Chlorbutadien-1,3) oder Teflon (Tetrafluoräthylen) hergestellt
werden. Ein Druckbehälter mit 101,6 cm (40 inches) und einem Durchmesser von etwa
21,0 cm (8 1/4 inches), welcher aus diesen Stoffen hergestellt ist, hat ein Nenngewicht
von etwa 4,99 kg (11 pounds).
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Der Druckbehälter gemäß der Erfindung wird zusammengebaut, indem die
Stege 24 der Endkappen 12 und 14 in die zylindrische HUlse 16 gedrUckt werden, so
daß die elastischen O-Ringe 32 dicht gegen die Innenfläche der zylindrischen HUlse
drUcken (siehe Figur 4) und ein im wesentlichen fluiddichter Behälter erzielt wird.
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Dies wird infolge der geringen radialen Biegsamkeit der verjüngten
Teile der Stege sowie der Elastizität der O-Ringe verhältnismäßig leicht erreicht.
Dadurch werden die Kappen vor dem Umwickeln in ihrer Lage gehalten. Die Enden der
HUlse liegen an den Absätzen 26 an der Übergangsstelle der Endkappenstege 24 und
des Randes 22 an, so daß ein glatter äußerer Übergang zwischen den Endkappen und
der Hülse gebildet wird.
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Jegliche Unregelmäßigkeiten in der Übergangs Zone könnt mit einem
Epoxyharz geglättet werden, wenn erforderllch.
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Der Behälter wird sodann auf einer nicht gezeigten Fadenwickelmaschine
mittels der qewindeöffnung 38 in der Endkappe 12 und der Aufwickelhalterung 55 der
Endkappe 14 angebracht. Der Behälter wird sodann dicht mit einem mit einem Polyesterharz
überzogenen Faserglasfaden umwickelt, so daß sich ein leichter, einheitlicher und
zusammenhängender Druckbehälter ergibt, welcher hohen BerstdrUcken standhält. Wie
im Schnitt in Figur 3 gezeigt, sind nur die Gewindeöffnung 38 und die feste Aufwickelhalterung
55 nicht von der Fadenwicklung bedeckt. Das bevorzugte Umwicklungsmaterial ist reines
Silanglas, überzogen mit einem Polyesterharz auf Isothalbasis. Es hat sich herausgestellt,
daß ein Behälter aus ABS-Harz mit einer HUlsendicke von 2,3 mm bis 2,5 mm (0,09
bis 0,10 inch) so umwickelt werden kann, daß er einen Innendruck von etwa 52,7 kg/
cm2 absolut (750 psia) aushalten kann. Die endgffltige Festigkeit des Behälters
hängt von seinen Abmessungen, den zur Herstellung des Behälters jeweils verwendeten
Materialien,
der Art des Fadens, mit dem der Behälter umwickelt ist, sowie von der Stärke der
Umwicklung ab.
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Diese Großen kennen so gewählt werden, daß sie der gewUnschten Anwendung
des Behälters am besten angepaßt sind.
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Bei der anhand der Figuren 2 und 7 erläuterten Ausfuhrungsform des
erfindungsgemäßen Druckbehälters kann ein Strömungsventil 40 in der oberen öffnung
der Endkappe 12 zur Regulierung der Fluidströmung in den Druck behälter 10 angebracht
werden. Das dargestellte Ventil entspricht in seiner Funktion den fur Wasseraurbereiter
oder -weichmacher für häusliche und technische Zwecke verwendeten Ventilen. Das
Ventil weist einen Einlaß 57 fUr unebhandeltes Wasser aus der Versorgungsleiter.
und einen Ventileinlaß 58 für Salzlauge aus siem nicht gezeigten Laugentank auf.
Das Ventil weist außerdem einen Abzugsleitungs-Auslaß 60 und einen Versorgungsleitungs-Auslaß
62 auf. Ein mittlerer Kanal 64 erstreckt sich vom Ventil 40 bis etwas oberhalb der
Innenfläche der unteren Endkappe in der Mitte der Verbindungsstelle der von den
Schaufeln 42 gebildeten Kanäle 44. Das ganze Ventil und der Kanal können aus Glasfaser
hergestellt sein.
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Wie in Figur 7 gezeigt, ist der Kanal 64 durch die Mittelöffnung des
Auffängersiebes 52 geführt. Da das Auffängersieb aus einem elastischen Kunststoff
hergestellt ist, liegt der Flansch 54, welcher sich um die Mittelöffnung derselben
erstreckt, elastisch an der Außenfläche des zylindrischen Kanals 64 an, so daß der
Kanal
im wesentlichen fluiddicht in der Mittelöffnung des Auffängersiebes
52 gehalten wird.
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Während der Regenerierungsperiode des WasserauSbereiters tritt bei
Verwendung des schematisch in Figur 7 dargestellten Druckbehälters unbehandeltes
Wasser durch den Wassereinlaß 57 ein und strömt durch eine Einlaßkammer und durch
die Düse, wodurch Salzlauge durch den Einlaß 58 aus einem nicht gezeigten Laugenbehälter
nach unten durch den Mittelkanal 64 in den mittleren Teil der Schaufeln 42 fließt.
Diese Mischung aus unbehandeltem Wasser und Salzlauge wird aus dem Mittelteil der
unteren Endkappe mittels der Schaufeln 42 durch die Kanäle 44 nach außen geleitet.
Infolge der Verengung der Kanäle, wie aus den Figuren 2 und 6 ersicht--lich, wird
das Fluid während seiner Strömung radial nach außen durch die Kanäle beschleunigt.
Die Mischung wird daher tangential in jede Kammer 46 mit verhältnismäßig hoher Strömungsgeschwindigkeit
in einer Spiralenbewegung ausgestoßen. Die äußere Wand der Endkappe und die Rückseiten
der Schaufeln 42 auf der gegen-Uberliegenden Seite jeder Kammer 46 unterbrechen
die Fluidströmung und bewirken eine starke Turbulenz in den Kammer 46. Die Wasser-Salzlaugen-Mischung
wird unter der Wirkung dieser starken Turbulenz durch die öffnungen 56 in der Auffängerscheibe
52 gedrUckt und in das Harz eingespritzt. Diese Mischung behält eine hohe Strömungsgeschwindigkeit
und einen gewissen Teil ihrer turbulenten Spiralenbewegung bei, wenn sie nach oben
durch das Harz strömt. Da das Aufnahmevermögen der öffnungen 56 am äußeren Rand
der Scheibe 52 größer
ist als am inneren Rand der Scheibe, wird
ein größerer Teil der Mischung durch diese äußeren öffnungen in das Harz gespritzt,
wodurch das Fluid veranlaßt wird, sich nach außen zur HUlse 16 des Behälters zu
bewegen.
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Diese kombinierte Wirkung der Schaufeln und des Auffängersiebes beseitigt
im wesentlichen die Strömungskanalbildung zum inneren Kanal 64 hin. Die Turbulenz
der Fluidmischung ergibt auch ein hohes Ausmaß von Trennflächenberührung zwischen
der Wasser-Salzlaugen-Mischung und dem Ionentauscherharz, so daß das Harz vollständig
ausgenutzt wird.
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Wie in Figur 7 gezeigt, wird das Fluid beim Erreichen der oberen Endkappe
durch die Endkappe und durch die Strömungskanalwirkung, welche im oberen Teil der
Kammer auftritt, wenn die Mischung das Drehmoment verloren hat, mit dem sie in das
Harz eingespritzt worden ist, nach innen zu dem Kanal geleitet. Die Mischung wird
sodann rings um das obere Ende des zylindrischen Kanals gesammelt und verläßt den
Behälter durch den Abzugsauslaß 60. Die verjüngten inneren Oberflächen der Endkappenstege
24 tragen zum Umlenken der Strömung nach außen zur Hülse 16 bei.
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Figur 8 zeigt eine weitere AusfUhrungsform des erfindungsgemäßen Druckbehälters.
Bei dieser Ausführungsform sind die Kappen 70 und 71 jeweils mit einem zylindrischen
Rand 72 versehen, welcher im wesentlichen die gleiche Dicke besitzt wie die konvexen
Abschnitte der Endkappen. Die Endkappen sind mit einer zylindrischen HUlse 74 mittels
Verbindungsringen 76 verbunden. Die Verbindungiringe weisen jeweils einen mittigen,
ringförmigen
Absatz 78 auf, dessen Außendurchmesser im wesentlichen
gleich demjenigen der zylindrischen Ränder an den Endkappen ist. Die Absätze 78
der Verbindungsringe sind mit einem Paar von ringförmigen Stegen 80 verbunden, welche
sich von den Absätzen in entgegengesetzten Richtungen erstrecken, wie in Figur 8
gezeigt.
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Jeder Steg ist mit einer Ringnut 82 oder einer anderen Einrichtung
zur Aufnahme eines elastischen Dichtungs-Organs, wie der in Figur 8 gezeigten O-Ringe
84, versehen. Der Durchmesser der O-Ringe ist etwas größer als die Tiefe der Nuten
und daher stehen diese Ueber die Stege hervor und müssen zusammengedrUckt werden,
damit die Stege der Verbindungsringe in die zylindrischen Ränder der Endkappen und
in die Mittelhülse des Druckbehälterkörpers passen.
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Die Innenfläche des Verbindungsrings kann sich von der äußeren Kante
der Stege bis zu einem Punkt hinter Jeder der Nuten verjUngen, so daß man eine radiale
Biegsamkeit der Stege während des Einsetzens in die Endkappen und in die zylindrische
Hülse des BehElters.erhält. Die übrigen Merkmale dieser Ausführungsform sind die
gleichen wie bei der anhand der Figuren 1 bis 7 geschilderten AusfUhrungsform.