DE19948879C1 - Verfahren und Anordnung zur Steuerung der Größe von Gasblasen in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung vorzuschlagen, mit der die Steuerung der Blasengröße ermöglicht wird. Eine spezielle Aufgabenstellung besteht in der Generierung möglichst kleiner Gasblasen. DOLLAR A Das Verfahren sieht vor, daß in unmittelbarer Umgebung der Einlaßeinrichtung des Gases die elektrisch leitenden Flüssigkeiten einer elektromagnetischen Kraft ausgesetzt werden. Dabei wird zur Generierung der elektromagnetischen Kraft ein elektrischer Strom sowie ein zeitlich konstantes Magnetfeld genutzt, die vorzugsweise zueinander einen Winkel von 90 Grad bilden. Die Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, daß jeweils gegenüber und auf Höhe der Mittel zur Einleitung des Gases DOLLAR A - je ein Magnet (3) angeordnet ist und DOLLAR A - vorzugsweise 90 Grad zu den Magneten (3) versetzt, je eine Elektrode (5) zur Realisierung eines Stromflusses vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Steuerung der Größe von Gas­ blasen in elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten. Die Anwendung der Erfindung ist sowohl in Metallschmelzen als auch in Elektrolyten gege­ ben, insbesondere dann, wenn die Gasblasen eine geringe Größe aufweisen sollen.

Das Einbringen von Gas in Flüssigkeitsbehältern ist ein wesentlicher Bestandteil von metall­ urgischen oder verfahrenstechnischen Prozessen, um die Flüssigkeit zu durchmischen, che­ mische Reaktionen zu kontrollieren oder Verunreinigungen zu entfernen. In einer Vielzahl von Anwendungsfällen ist eine Entstehung gerade von kleinen Gasblasen vorteilhaft, die zumeist einen effizienteren Prozeßablauf aufgrund der großen spezifischen Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas garantieren. Außerdem bewirkt die durch die enor­ men Dichteunterschiede von Flüssigmetall und Gas hervorgerufene Auftriebskraft ein großes Schlupfverhältnis und damit einen Verlust an kinetischer Energie sowie eine sehr kurze Ver­ weilzeit der Blasen in der Schmelze. Diese Effekte sind weniger ausgeprägt bei kleineren Bla­ sendurchmessern.

Eine kontrollierte Injektion kleiner Gasblasen ist zum Beispiel auch in Konzepten von Flüs­ sigmetalltargets für künftige Spallationsneutronenquellen erwünscht (K. Skala, G. Bauer: On the Pressure Wave Problem in Liquid Metal Targets for Pulsed Spallation Neutron Sources, 2^nd Status report on ESS-Liquid Metal Target Studies, 1995), um die effektive Kompressibili­ tät des Fluids zu erhöhen und auf diese Weise die Auswirkung der im Ergebnis der Wechsel­ wirkung des Fluids mit einem hochenergetischen Protonenstrahl auftretenden Schockwellen auf den Targetbehälter entscheidend zu verringern.

Es ist bereits bekannt, Injektionskanülen mittels Ultraschall in Schwingungen zu versetzen (M. Kawakami, N. Tono, M. Douwaki, K. Ito, Tetsu-to-Hagane, 1990, Vol. 76, pp. 856-862).

Eine Erhöhung der Blasenablösefrequenz wurde mit dieser Methode in Wasser erzielt. Die Übertragung dieses positiven Resultats auf Flüssigmetalle gelang bisher nicht. Ebenfalls in Wasser konnten erfolgreich starke elektrische Felder genutzt werden, um kleine Gasblasen an Kanülen zu generieren (C. Tsouris, D. Depaoli, J. Feng, O. Basaran, T. Scott, AIChE Symp. Series, 1995, Vol. 91, pp. 52-60). Die Anwendung dieser Methode in Flüssig­ metallen ist wegen der hohen elektrischen Leitfähigkeit der Fluide und der benötigten elektri­ schen Spannungen von mehreren kV technisch nicht zu realisieren.

Zur Erzielung kleiner Gasblasen in Flüssigmetallen wurden bisher poröse Körper für eine In­ jektion des Gases genutzt (M. Iguchi, M. Kaji, Z.-I. Morita, Metallurgical and Materials Transactions, 1998, Vol. 29B, pp. 1209-1218) oder der Gasinjektor seitlich angeströmt, um eine schnellere Ablösung der sich bildenden Gasblasen von der Injektoroberfläche zu unter­ stützen (S. Marshall, M. Chudazek, D. Bagster, Chem. Eng. Sci, 1993, Vol. 48, pp. 2049-­ 2059). Obwohl mittels beider Methoden eine Verringerung der Blasengröße erreichbar ist, ist eine genaue Einstellung der gewünschten Blasengröße nicht möglich. Die Gesamtheit der ent­ stehenden Blasen ist vielmehr durch eine mehr oder weniger breite Größenverteilung gekenn­ zeichnet.

Weiterhin ist eine Anordnung zur Erzeugung von Gasblasen in Flüssigmetallen bekannt (H. Yamamura, Y. Mizukami JP 05185182A und JP 06128660A), bei der eine elektromagnetische Kraft quer zur Ausströmrichtung der Blasen und der wirkenden Auftriebskraft aufgeprägt wird, um den Durchmesser der Blasen zu kontrollieren. Zur Erzeugung der elektromagneti­ schen Kraft wird ein horizontal angeordnetes Magnetfeld und ein in vertikaler Richtung flie­ ßender elektrischer Strom genutzt. Das Magnetfeld wird durch an der Behälterwand angeord­ nete Magnete erzeugt, als Elektroden zur Einbringung des elektrischen Stromes dienen die zur Gaseinperlung verwendete Kanüle selbst sowie eine zusätzliche Elektrode, die oberhalb der Kanüle angebracht ist. Eine effektive Einwirkung auf die Blasenbildung mittels der beschrie­ benen Anordnung ist aber nicht gegeben. Ein Problem tritt bei großen Abmessungen des Flüs­ sigmetallbehälters auf, da mit wachsendem Abstand der magnetfelderzeugenden Komponen­ ten eine signifikante Abschwächung der Feldstärke und damit auch der elektromagnetischen Kraft einhergeht. Die Wirkung der zusätzlich erzeugten elektromagnetischen Kraft ist nicht in optimaler Weise auf die Region der Blasenbildung beschränkt, was neben dem bereits erwähn­ ten Verlust an Effizienz unter Umständen auch zu einer unerwünschten Beeinflussung der Strömung führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung vorzuschlagen, mit der die effektive Steuerung der Blasengröße ermöglicht wird. Eine spezielle Aufgaben­ stellung besteht in der Generierung möglichst kleiner Gasblasen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkma­ le gelöst.

Ein wirkungsvoller Einsatz der vorliegenden Erfindung ist im Falle von Gasinjektionen durch Kanülen, Lochplatten oder porösen Körpern in elektrisch leitfähige Fluide, wie Flüssigmetal­ le, Halbleiterschmelzen oder Elektrolyte, gegeben. Die Grundidee der Erfindung besteht darin, dem am Ort des Gasaustritts in die Flüssigkeit herrschenden Kräftegleichgewicht von Auf­ triebskraft, Trägheitskraft, Oberflächenspannung und Druckkraft eine zusätzliche elektromag­ netische Kraft hinzuzufügen. Es wird erreicht, daß im Falle des Stromflusses durch den elek­ trischen Leiter und der Anwesenheit eines äußeren Magnetfeldes eine Lorentzkraft _L jeweils senkrecht zu Magnetfeld und elektrischer Stromdichte gemäß der folgenden Gleichung hervorgerufen wird:

_L = ×

Die Richtung der erzeugten elektromagnetischen Kraft ist im Hinblick auf das Ziel der Beein­ flussung des Blasenbildungsprozesses essentiell. Die maximale Wirkung tritt für eine parallel zur Ausströmrichtung der Gasblasen ausgerichtete Kraft auf.

Je nach Wirkrichtung dieser Lorentzkraft mit oder entgegen der Blasenbewegung kann die Ablösung der Blasen vom jeweiligen Gasinjektor verzögert oder auch beschleunigt werden. Diese Möglichkeit erlaubt eine direkte Steuerung der Blasengröße mittels der zu erzeugenden elektromagnetischen Kraft, um die Bildung von Blasen an der Gaseinperlvorrichtung derart zu beeinflussen, daß im Falle eines konstant gehaltenen Gasvolumenstroms die Blasenablösefre­ quenz und damit auch die Größe der sich ausbildenden Gasblasen über die Stärke und Rich­ tung des angelegten Stromes eingestellt wird, oder im Falle eines konstant gehaltenen Gas­ drucks der Gasvolumenstrom über die Stärke des angelegten Stromes geregelt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand je eines Ausführungsbeispiels für das Verfahren und die Anordnung näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 die Prinzipskizze der Erfindung,

Fig. 2 die experimentell ermittelte Charakteristik der Blasenablösefrequenz als Funktion des angelegten elektrischen Stromflusses in einer eutektischen InGaSn-Schmelze bei kon­ stant gehaltenem Gasdurchfluß.

Für das Verfahren:

Die Erfindung wird an einem von einer Metallschmelze durchflossenem Behälter eingesetzt. In diese Schmelze wird ein Rahmen eingetaucht, an dem eine Einlaßeinrichtung für das Gas, sowie jeweils paarweise in der horizontalen Ebene gegenüberliegend Magnete bzw. Elektro­ den in angebracht sind. Magnete und Elektroden generieren ein zeitlich konstantes Magnetfeld und einen elektrischen Strom, die vorzugsweise in einem Winkel von 90 Grad zueinander ste­ hen, was dazu führt, daß die fließende Metallschmelze in unmittelbarer Umgebung der Einlaß­ einrichtung mit einer elektromagnetischen Kraft parallel zur Ausströmrichtung der Gasblasen beaufschlagt wird. Die Anordnung von Magneten und Elektroden am Rahmen nahe zur Ein­ laßvorrichtung für das Gas garantieren eine starke Kraftwirkung und eine Beschränkung der­ selben auf die Region der Blasenbildung.

In der bevorzugten Ausführung wird das Magnetfeld durch zwei Permanentmagnete erzeugt. Der Strom wird durch zwei Elektroden in die Metallschmelze eingebracht, wobei die Elek­ troden 90 Grad versetzt zu den Permanentmagneten angeordnet sind. Die Elektroden werden hier an Gleichstrom angeschlossen.

Für die Anordnung:

Die Metallschmelze, in welcher die Anordnung installiert wird, befindet sich in einem hier nicht dargestellten Behälter entweder in Ruhe oder im strömenden Zustand.

Die Gaszuführung erfolgt durch ein gebogenes Rohr 1 bis zu einer Kanüle 2, an deren freiem Ende die Blasenbildung stattfindet. Seitlich neben der Kanüle 2 sind zwei Permanentmagnete 3 angebracht, die ein zeitlich konstantes und homogenes Magnetfeld 4 in der Umgebung der Kanüle 2 erzeugen. Ebenfalls seitlich der Kanüle 2 befinden sich zwei Elektroden 5 in einer Ebene mit den Permanentmagneten 5 senkrecht zur Ausströmrichtung des Gases, jedoch 90 Grad zu den Permanentmagneten 3 versetzt. Zwischen den Elektroden 5 fließt ein elektrischer Strom 6 durch die elektrisch leitfähige Metallschmelze. Je nach Polung des elektrischen Stroms 6 und Ausrichtung der gesamten Anordnung läßt sich eine elektromagnetische Kraft gleich- oder entgegen gerichtet zur Austrittsrichtung der Gasblasen erzeugen. Die Amplitude dieser zusätzlichen Kraftwirkung kann in einfacher Weise durch eine Regelung der elektrischen Stromstärke eingestellt werden. Kanüle, Magnete als auch Elektroden sind in vorteilhafter Ausführung mit einem Rahmen 7 verbunden, der die Ausrichtung und den Abstand der einzelnen Komponenten zueinander gewährleistet.

In der in Fig. 1 dargestellten Anordnung wurde die Abhängigkeit der Blasenablösefrequenz von der Amplitude der elektromagnetischen Kraft für einen konstant gehaltenen Gasvolumenstrom betrachtet. Untersucht wurde die Bildung von Ar-Blasen in einer InGaSn-Legierung. Die Blasenablösefrequenz in Abhängigkeit von Vorzeichen und Amplitude der eingestellten elektrischen Stromstärke wurde mit Hilfe lokaler Leitfähigkeitssonden bestimmt.

Besonders deutlich wird der Effekt, wenn die Austrittsrichtung der Gasblasen parallel zur wirkenden Auftriebskraft gewählt wird. Zeigt dann die elektromagnetische Kraft auch in Richtung der Auftriebskraft, wird eine nach oben gerichtete Strömung der Flüssigkeit hervorgerufen, die eine Ablösung der sich am freien Ende der Kanüle bildenden Blasen unterstützt und damit eine Erhöhung der Blasenablösefrequenz bewirkt. Entsteht aufgrund einer dem Auftrieb entgegengerichteten elektromagnetischen Kraft eine nach unten zeigende Strömung der Flüssigkeit, verzögert sich die Blasenbildung mit der Konsequenz des Absinkens der Blasenablösefrequenz. Die Ergebnisse der Messungen sind in Fig. 2 gezeigt. Ein positiver Wert der Stromstärke entspricht hier einer elektromagnetischen Kraft in Richtung der Auftriebskraft. Fig. 2 demonstriert für diesen Fall deutlich eine Beschleunigung der Blasenablösung, während bei umgekehrtem Vorzeichen eine Verzögerung der Blasenablösung zu beobachten ist.

Diese Experimente wurden sowohl mit einem stationären Gleichstrom als auch mit Strompulsen gleichen Vorzeichens und Amplitude durchgeführt. Im letzteren Fall ergeben sich mit der Pulsfreduenz f_P und Pulsdauer zusätzliche Regelparameter. Wird die Pulsfrequenz im Vergleich zur typischen Ablösefrequenz f₀ der Anordnung ohne elektromagnetische Beeinflussung sehr groß gewählt (f_P << f₀), ergibt sich praktisch derselbe Effekt wie im Gleichstromfall.

Liegt die Pulsfrequenz im Bereich von f₀, ist eine Beeinflussung des Prozesses in dem Sinne möglich, daß eine Blasenablösung mit der Frequenz f_P erzwungen wird. Die Anwendung von Folgen von Strompulsen oder eines Wechselstrom bei sehr kleiner Frequenz (f_P, f_W << f₀) führt zur Aufprägung einer gewünschten zeitlichen Struktur auf Blasengröße (konst. Gasvolumen­ strom) bzw. Gasvolumenstrom (konst. Druck).

Claims (7)

1. Verfahren zur Steuerung der Größe von Gasblasen in elektrisch leitfähigen Flüssigkei­ ten, wobei das Gas in die elektrisch leitfähigen Flüssigkeiten gezielt eingebracht wird und in Umgebung der Einlaßeinrichtung des Gases die elektrisch leitende Flüssigkeit einer elektromagnetischen Kraft ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Flüssigkeit in unmittelbarer Umgebung der Gaseinlaßvor­ richtung mit einer elektromagnetischen Kraft parallel zur Ausströmrichtung der Gasbla­ sen aus der Einlaßvorrichtung beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Generierung der elektro­ magnetischen Kraft ein elektrischer Strom sowie ein zeitlich konstantes Magnetfeld ge­ nutzt werden, die vorzugsweise einen Winkel von 90 Grad bilden und sich beide in einer Ebene senkrecht zur Ausströmrichtung des Gases befinden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Strom in Form eines stationären Gleichstromes, von Strompulsen oder eines langsam veränderlichen Wechselstromes eingesetzt wird.

4. Anordnung zur Steuerung der Größe von Gasblasen in elektrisch leitfähigen Flüssigkei­ ten, bestehend aus einem Behälter zur Aufnahme der elektrisch leitenden Flüssigkeiten und Mitteln zur Einleitung des Gases, dadurch gekennzeichnet, daß in der Ebene senkrecht zur Ausströmrichtung des Gases und auf Höhe der Einlaßvorrichtung des Gases jeweils paarweise einander gegenüberliegend und mit der Einlaßvorrichtung verbunden

• - je ein Magnet (3) angeordnet ist und
• - 90 Grad zu den Magneten (3) versetzt, je eine Elektrode (5) zur Realisierung eines Stromflusses (6) vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Gaseinlaßvorrichtung eine Kanüle (2) verwendet wird.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete (3) als Permanentmagnete oder als magnetfelderzeugende Spulen ausgeführt sind.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Regelung der Stromstärke, der Stromart und der Richtung des Stromflusses vorgesehen sind.