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VORRICHTUNG ZUR ERZEUGUNG VON AKUSTISCHEN SCHWINGUNGEN IN EINEM FLIEßENDEN
FLÜSSIGEN MEDIUM Die vorliegende Erfindung betrifft Ausrüstungen zur Intensivierung
von physikalisch-chemischen Prozessen der Einwirkung auf die Struktur der Körper,
die sich in einer flüssigen Phase befinden, insbesondere eine Vorrichtung zur Erzeugung
von akustischen Schwingungen in einem fließenden flüssigen Medium, die haupsächlich
zum Dispergieren, Emulgieren, Koagulieren von beispielsweise Emulsionen, Lösungen,
Suspensionen oder homogenen Flüssigkeiten verwendet wird.
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Zu dlesem Zweck verwendet man verschiedene Typen von Vorrlchtungen,
die Schall- oder Ultraschallschwingungen in flüssigen Medien erzeugen, darunter
auch solche Vorrichtungen, in denen als Hauptelemente zur Erzeugung des Wellenprozesses
ein drehbarer Läufer und ein feststehender Ständer dienen, welche mit in diesen
ausgeführten kanälen oder Rohrleitungen versehen sind. Solche Einrichtungen werden
ständig Verbessert, um aus den Geräuschen,
welche durch den in dissen
Vorrichtungen stattfindenden Kavitationsvorgang erzeugt werden, die Grundfrequenz
der Schwingungen abzutrennen und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Verwendung solcher
Vorrichtungen ist jedoch dadurch begrenzt, daß die Frequenz der zu erzeugenden Schwingungen
in solchen Vorrichtungen im Bereich der Niederfrequenzen vorherrscht.
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Es ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen
in einem fließenden flüssigen Medium bekannt, die einen in der Arbeitskammer untergebrachten
Ständer, der in Form eines Hohlzylinders ausgebildet ist und an dessen Seitenfläche
eine Reihe von Öffnungen vorgesehen ist, sowie einen ebenfalls in der Arbeitskammer
untergebrachten und mit elnem Antrieb verbundenen Läufer enthalt, der koaxial zu
dem Ständer angeordnet ist, und an dessen Seitenfläche eine Relhe von Öffnungen
vorgesehen ist, deren Anzahl um eine ganze Zahl die Anzahl der im Läufer vorgesehenen
Öffnungen übersteigt, wobei bei einem periodischen Zusammenfallen disser Öffnungen
mit den Öffnungen des Ständers das in den Hohlraum des Läufers eintretende flüssige
Medium in dle Arbeitskammer gelangt. (S. z.B. die Patentschrift von Großbritanien
Nr. 850130).
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In der genannten Vorrichtung ist die Welle des Läufers mit einem
Drehungsantrieb verbunden. Die Arbeitskammer und der Ständer sind als ein Ganzteil
ausgebildet und mit einem mit einer Eintrittsöffnung und einer Austrittsöffnung
versehenen Deckel derart verschlossen, daß die Arbeitskammer einen geschlossenen
Hohlraum
bildet, der mit dem Hohlraum des Läufers über dle Öffnungen
des Ständers, des Läufers und des zwischen diesen vorgesehenen Spaltes leitungsverbunden
ist. Das flüssige Medium wird in den Hohlraum des Läufers eingeführt und durch die
Öffnungen des Läufers, den zwischen dem Läufer und dem Stator bestehenden Spalt
und dle Offnungen des Ständers in die Arbeitskammer durchgedrückt, dle eine austrittsöffnung
aufweist.
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Die im Läufer und im Ständer vorgesehenen Öffnungen sind in Form
von Schlitzen derart ausgeführt, daß dig Abstände zwischen den Öffnungen als Stäbe
ausgebildet slnd, deren ein es Ende mit dem Körper des Läufers oder des Ständers
vereinigt ist. Der Läufer oder der Ständer werden mit einer oder mit mehreren Wänder
ausgeführt und koaxial zueinander derart angeordnet, daß die offene Stirn des Ständers
der offenen Stirn des Läufers, oder der Boden des Läufers der offenen Stirn des
Ständers zugewandt sind.
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Dle Erzeugung der akustischen Schwingungen in der vorliegenden Vorrichtung
wird bel der Drehung des Läufers mit dem in seinem Hohlraum oder seinen Hohlräumen
enthaltenen fließenden flüssigen Medium in dem Moment verwirklicht, wo dle Mehrzahl
der Öffnungen in der Kombination Läufer-Ständer periodisch zusammenfällt oder nicht
zusammenfällt dabei wlrd der Strom des flüssigen Mediums in Öffnungen unterbrochen,
während im Läufer und im Ständer das Medium ununterbrochen fließt. Bei einem solchen
Fließen des flüssigen Mediums werden in der Vorrichtung akustische Schwingungen
erzeugt, und es entsteht eine hydrodynamische Kavitation mlt einem
breiten
Bereich der akustischen Frequenzen, wobei dle genannten Schwingungen in dLe Arbeitskammer
und in den Hohlraum des Lä@fers wie dle Wellen des akustischen Druckes übergehen.
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Elne solche konstruktive Ausführung der Vorrichtung zur Erzeugung
von akustischen Schwingungen im flleßenden flüssigen Medium weist Jedoch einen geringen
Effekt bel der Durchführung von physikalisch-chemischen Prozessen der Homogenisierung,
Dispergierung und Emulgierung auf. Dieser Umstand wurde dadurch hervorgerufen, daß
die Schwingungen ein Kontinulerliches Spektrum der Frequenzen aufweisen, das für
dle hydrodynamische Kavitation im flüssigen Medium charakteristisch ist, Für die
Durchführung eines energiereiche konkreten physikalisch-chemischen Prozesses sind
akustische Schwingungen mit einer abgetrennten Grundfrequenz erforderlich, dle einer
optimalen Variante der Durchführung des Prodessen entspricht. Die Schwingungen sind
nicht nur in den Öffzungen des Läufers und des Standers'sondern auch in elnem größeren
Maße im Hohlraum oder in den Hohlräumen des Läufers und in dem Arbeitskammer erforderlich,
wo die Hauptmasse des "zu beschallenden" Mediums zusammengefaßt ist. Der Kavitationsprozeß
ikm flüssigen Medium ruft außerdem selber an der Grenze zwischen den Phasen Flüssigkeit
- fester Körper eine @@osion der Metallteile der Vorrichtung hervor, indem er dadurch
die @abensdauer der Vorrichtung vermindert.
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Der Erfindung wurde dle Aufgabe zugrunde gelegt, eine Vorrichtung
zur Erzeugung von akustischen Schwingungen in einem
fließenden flüssigen
Medium zu schaffen, deren konstruktive Ausführung die Herstellung von Schall- oder
Ultraschallschwingungen mlt vorgegebener Frequenz und mit einer im Vergleich zu
den Bestandteilharmonischen der Frequenzen maximalen Amplitude gewährleistet.
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Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß bei der Vorrichtung zur Erzeugung
von akustischen Schwingungen in einem fließenden flüssigen Medium, die einen in
der Arbeitskammer untergebrachten Ständer, der in Form elnes Hohlzylinders ausgeblldet
ist und an dessen Seitenfläche eine Reihe von Öffnungen vorgesehen ist, sowie einen
ebenfalls in der Arbeitskammer untergebrachten und mit einem Antrieb verbundenen
Läufer enthält, de@ koaxial zum Ständer angeordnet ist und an dessen Seitenfläche
eine Relhe von Öffnungen vorgesehen ist, deren Anzahl um elne ganze Zahl dle Anzahl
der im Ständer vorgesehenen Öffnungen übersteigt, wobei bei einem periodischen Zusammenfallen
dieser Öffnungen mit den Öffnungen des Ständers das in den Hohlraum des Läufers
eintretende flüssige Medium in die Arbeitskammer gelangt, erfindungsgemäß der Läßfer
in Form eines Zylinders mit geschlossenen Stirnen ausgeführt ist, wobei in einer
dleser Stirnen elne Öffnung für das in den Hohlraum des Läufers durchgehende f@üssige
Medium vorgesehen ist, welcher Hohlraum einen geschlossenen Hohlraum darstellt,
und dle Breite des Querschnitts der Öffnungen, die an der Seitenfläche des Läufers
und des Ständers ausgebildet sind, aus der Beziehung
gewählt wird, worin # - Windkelgeschwindigkeit des Läufers; R -
Außenradius des Läufers; C - Geschwindigkeit der Schallfortpflanzung im fließenden
flüssigen Medium bedeuten.
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Im Ständer und im Läufer wlrd zweckmaßigerweise mindestens eine zusätzliche
Reihe von Öffnungen hergestellt, wobei im Läufer die Öffnungen der Haupt- und der
zusätzlichen Reihe koaxial übereinander angeordnet und im Ständer die Öffnungen
der Haupt-und der zusätzlichen Reihe zueinander versetzt sind, wodurch eine Erhöhung
der Frequenz der akustischen Schwingungen unter der Aufrechterhaltung der vorgegebenen
Amplitude dieser Schwingungen gewährleistet wird.
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Die öffnungen der zusätzlichen Reihe werden auch zweckmäßigerweise
gegenüber den Öffnungen der Hauptreihe um eine Größe L verschoben, die aus der Beziehung
ermittelt wird, worin a - Breite des ûuerschnitts der Öffnungen der Hauptreihe von
Öffnungen; b - Abstand zwischen den Öffnungen der Hauptreihe von Öf nungen an der
Kreislinie; n - Anzahl der Reihen von Öffnungen bedeuten.
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Im Ständer werden zweckmäßigerweise die Öffnungen der Haupt-und der
zusätzlichen Reihe in Gruppen hergestellt, weiche ungleichmäßig an dessen Kreislinie
angeordnet sind, wobei die erste Gruppe der Öffnungen der zusätzlichen Relhe gegenüber
der ersten Gruppe der Hauptreihe, und die zweite Gruppe der Öffnungen der Hauptreihe
- gegenüber der ersten Gruppe der Öffnungen der zusätzlichen Reihe um einen Winkel
# zu versetzen sind, dessen Größe aus dem Verhältnis.
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ermittelt wird, worin Zp - Anzahl der öffnungen der hauptreihe im
Läufer; zc @ Anzahl der Öffnungen der Hauptreihe im Ständer; K = a.n Anzahl der
Druckimpulse bei der Bewegung des Laufers um einen Winkel
n - Anzahl der Reihen von Öffnungen im Ständer oder Läufer; @@ ß= - Anzahl der Gruppen
von Öffnungen in der Hauptreihe der Öffnungen des Ständers bei q # bedeuten.
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2 Im Hohlraum des Läufers wird zweckmäßigerweise mindestens ein ringförmiger
Insatz vorgesehen, der im Zwischenraum zwischen der Haupt- und der zusätzlichen
Reihe der Öffnungen untergebracht ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gewährleistet bei der Erzeugung
von akustischen Schwingungen im fließenden flüssigen MedLum die Herstellung von
stabilen akustischen Schwingungen mit.
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einer maximalen Amplitude und mit vorgegebener Frequenz, die im
Bereich
der Schall- und Ultraschallschwingungen liegt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand konkreterAusführ ungsbeispiele
und beigefügter Zeichnungen näher erla"utert. Es zeigen Fig. 1 die erfindungßgemäße
Vorrichtung zur Erzeugung von akustisdhen Schwingungen im fließenden flüssigen Medium
(Längsschnitt); Fig. 2 Schnitt nach der Linie II-II der Fig. 1; Fig. 3 den in Fig.
1 wiedergegebenen Abschnitt des Läufers in abgewickelter Form; Fig. 4 den Ständerabschnitt
gemäß der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in abgewickelter
Form; Fig. 5 den Ständerabschnitt gemäß der dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung in abgewickelter Form; Fig. 6 den Ständerabschnitt bei einer einreihigen
Anordnung der Öffnungen gemäß der in Fig. 5 wiedergegebenen Ausführungsform in abgewickelter
Form; Fig. 7 die Vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (im Längsschnitt);
Fig. 8 die fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Längsschnitt);
Fig. 9 einen Schnitt nach der Linie IX-IX der Fig. 8; Fig. 10 die sechste Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Längsschnitt); Fig. 11 Figur der radialen Verteilung
#on Zontrifugalkräften, die im Hohlraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung
von akustischen Schwingungen im flleßenden flüssigen Medium entstehen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen Schwingungen
im fließenden Medium enthält ein Gehäuse 1 (Fig. 1), das mit einer Zwischenstütze
2 verbunden ist, weiche uf einer Hauptstütze 3 mit einem an dleser angebrachten
Antrieb 4 befestigt ist.
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Im Gchäuse 1 ist auf Lagerabstützungen 5 ein Läufer 6 frel drehbar
angebracht, der in Form eines Hohlzylinders mit einer auf diesen aufgesetzten Scheibe
7 ausgeführt ist, wobei diese Scheibe 7 die Lagerabstützungen 5 vor dem flüsswigen
Medium schützt. Die Verschiebung der Welle 8 des Läufers 6 entlang den.Achse dor
Lagerabstützungen 5 ist durch eine Mutter 9 verhindert. Der Un-#erteil des Gehäuses
1 ist mit einem Deckel 10 verschlossen; durch die in diesem Deckel 10 vorgesehene
Bohrung ist dle Welle 8 des Läufers 6 geführt, die mit den Welle 11 des Antriebes
4 mittels einer Kupplung gekuppelt ist.
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Koaxial zum Läufer 6 ist ein Ständer 13 angeordnet, der in Form eines
Hohlzylinders ausgeführt ist. Im Zwischenraum zwischen dem Ständer 13 und dem Läufer
6 ist ein Flansch 14 untergobracht, der mit dem Ständer 13 starr gekuppelt ist,
welcher seinerseits mlt dem Gehäuse 1 und den Decke In 15 und 16 starr befestigt
ist, die elne Arbeitskammer 17 bilden und mit öffnungen 18 zur Ableitung des flüssigen
Mediums versehen sind, wobel als flüssiges Medium bei der vorrliegenden Ausführungsform
der Vorrichtung Wasser verwendet wird. Die Verbindung zwischen den Deckeln 15 und
16 ist mit; einem Dichtungsring 19 versehen, während die
Innenfläche
20 des Deckels 16 als Fläche zur Rückstrahlung der akustischen Wellen dient.
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Mit der Stirnfläche des Läufers 6 steht in einem ständigen Kontakt
eine dichtungsbuchse 21, weiche an den Läufer 6 mittels Federn 22 angedrückt wird
und welche mit Anschlagen 23 versehen ist, die dle Drehung dieser Buchse verhindern;
dabel sind die Federn 22 und die Anschläge 23 in elnem Ring 24 untergebracht, der
feststehend im Gehäuse 1 angeordnet ist. Hermetische Abdichtung der Buchse 21 mit
dem Ring 24 ist durch einen Dichtungsring 25 gesichert, der eine freie vertikale
Verschiebung der Buchse 21 ermöglicht.
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Im Gehäuse 1 ist ein ringförmiger Hohlraum 26 vorgesehen, der mit
der Atmosphäre durch elnen Kanal 27 leitungsverbunden ist. Wie es oben dargelegt
wurde, ist der Ständer 13 in Borm eines Hohlzylinders ausgebildet, an dessen Seitenfläche
eine Reihe von Oeffnungen 28 vorgesehen ist, die in Form von Schlitzen ausgebildet
sind. Der Läufer 6 ist in Form eines Hohlzylinders mit geschlossenen Stirnen ausgeführt,
die einen geschlossenen Hohlraum 29 bilden, wobei in der oberen von diesen Stirnen
eine Öffnung vorgesehen ist, die mlt elnem im Flansch 14 vorgesehenen Kanal 30 übereinstimmt,
durch welchen das Wasser dem Hohlraum 29 zugeführt wird.
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An der Seitenfläche des Läufers 6 ist eine Reihe von Öffnungen 31
vorgesehen, die ebenfalls in Form von Schlitzen ausgebildet sind. Die Anzahl der
Öffnungen 31 des Läufers 6 (Fig. 2) Ubersteigt
um eine ganze Zahl
die Anzahl der Öffnungen 28 des Ständers 13, während die Breite "a".des Querschnitts
der Öffnungen 28 und 31 gemäß der Beziehung: -
gewählt wurde, worin # - Winkelgeschwindigkeit des Läufers 6; R - Außenradius des
Läufers 6; C - Geschwindigkeit der Schallfortpflanzung im flüssigen Medium bedeutend
Dieses Verhältnis ergibt sich aus der Bedingung für die Erzeugung elnes direkten
hydraullschen Schlages im Hohlraum 29 des Läufers 6 und in der Arbeitskammer 17,
wo die Zeit t der Uberdeckung der Öffnung 28 des Ständers 13 durch die Abstände
zwischen den Öffnungen 31 des Läufers 6 geringer oder der Zeit der doppelten Laufstrecke
der Wellenfront des Druckes von der Öffnung 28 b: zur Oberflache 20 und zurück gleich
ist, d.h.
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worin Ro - den Radius der Oberfläche 20 bedeutet.
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Die Amßenfläche des Läufers 6 (Fig. 1) und die Innenfläche des Ständers
13 sind zu deren Drehungsachse geneigt. Das ist dadurch bedingt, daß zwischen den
genannten Flächen ein Spalt vorgesehen werden muß, der die erforderlichen Bedingungen
für den Betrieb der Vorrichtung gew@hrleistet. Die Größe dieses Spaltes wird durch
die Verschiebung des Ständers 13 zusammen mit dem Flansch 14 und den Deckeln 15
und 16 entlang der Achse mittels der Änderung der Dicke des im Zwischenraum zwischen
dem Ständer
13 und dem Gehäuse 1 des Ringes 32 angeordneten Ringes
32 bestimmt und eingestellt, dessen Dicke der Größe des genannten Spaltes proportlonal
ist.
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Es ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
möglich, die der oben beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist.
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Das Unterscheidungsmerkmal dieser Ausführungsform besteht darin,
daß im Läufer 6 eine zusätzliche Reihe von Öffnungen 33 (Fig. 3) vorgesehen ist,
wobei die Öffnungen 31 der Hauptreihe und die Öffnungen 33 der zusätzlichen Reihe
koaxial zue@nander angeordnet sind. Im Ständer 13 ist auch eine zusätzliche Reihe
von Öffnungen 34 (Fig. 4) ausgeführt, wobei die Öffnungen 28 und 34 derart angeordnet
sind, daß deren anordnung eine Vergrößerung der Grundfrequenz der akustischen Schwingungen
unter Aufrechterhaltung der Amplitude dieser Schwingungen gewährleistet.
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Das wird dadurch erreicht, daß die Öffnungen 34 der zusätzlichen
Reihe von Öffnungen im Ständer 13 gegenüber den Öffnungen 28 der Hauptreihe um elne
Größe # versetzt sind, die aus der Beziehung:
bestimmt wird, worin: a - Breite des Querschnitts der Öffnungen 28 der Hauptreihe;
bc - Abstand zwischen den Öffnungen 28 der Hauptreihe an der Kreislinie; n - Anzahl
der Reihen von Öffnungen, die bei der vorliegenden Ausführungsform gleich 2 ist,
bedeuten.
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Es ist eine dritte Ausführungsform der Vorrichtung möglich, die der
oben beschrie benen Ausführungsform ähnlich ist. Der Unterschied dleser Ausführungsform
besteht darin, daß die Öffnungen der Hauptrelhe von Öffnungen 28 und die Öffnungen
der zusätzlichen Relhe von Öffnungen 34 des Ständers 13 (Fig. 1) in Gruppen angeordnet
sind, welche nicht gleichmäßig über die Seitenfläche des Ständers verteilt sind.
Innerhalb einer jeden Gruppe sind die Öffnungen jedoch gleichmäßig untergebracht,
wobel zwischen den benachbarten Öffnungen einer Gruppe ein Abstandswinkel von besteht,
worin q - die Anzahl von Öffnungen in einer Gruppe badautet.
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Die Gruppe α 35 (Fig. 5) der Öffnungen 35 der zusätzlichen
Reihe von Öffnungen 34 ist gegenüber der Gruppe α 36 der Öffnungen 36 der
Hauptreihe von Öffnungen 28, und die Gruppe α 37 der ffnungen 37 der Hauptreihe
von ffnungen 28 gegenüber der Gruppe der Öffnungen 35 der zusätzlichen Reihe von
Öffnungen 34 um 35 einen Winkel 17 versetzt, der aus der Beziehung
bestimmt wird, worin Zp - Anzahl der Öffnungen der Hauptreihe von Öffnungen 31 des
Läufers 6; Z# - Anzahl der Öffnungen der Hauptreihe von Öffnungen 28 des Ständers
13; K=B.n - Anzahl der Druckimpulse bei der Druckimpulse bei der Umstellung des
Läufers 2# 6 um den Winkel y = #p
n - Anzahl der Reihen von Öffnungen
im Ständer 13 oder im Läufer 6; ## ß= - Anzahl der Gruppen α der Öffnungen
in der Hauptq reihe von Öffnungen 28 des Ständers 13 bei (bei der vorliegenden Ausführungsform
beträgt sie 3) bedeuten.
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Um elnen Winkel t ist auch die Gruppe α 38 der Öffnungen 38
der zusätzlichen Reihe von Öffnungen 34 gegenüber der Gruppe α 37 der Öffnungen
37 der Hauptreihe von Öffnungen 28 und die Gruppe α 39 der Öffnungen 39 der
Hauptreihe von Öffnungen 28 gegenüber der Gruppe α 38 versetzt. Ähnlich ist
die dritte Gruppe α 40 der Öffnungen 40 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen
34 gegenüber der Gruppe α 39' @nd die Gruppe α 36 gegenüber der Gruppe
α 40 versetzt.
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Aus der oben angeführten Beziehung III ergibt es slch, daß bei n=I
eine einreihige Ausführung der Öffnungen bei deren Anordnung in Gruppen möglich
ist. Dabel beträgt die Anzahl der Gruppen bei der vorliegenden Ausführungsform 3:
α 41 (Fig. 6), α 42 und α 43.
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Die Anordnung der Öffnungen im Ständer 13 (Fig. 1) und im Läufer
6 gemäß allen obenbeschriebenen Ausführungsformen gewährleistet die Erzeugung der
Grundfrequenz f der Druckimpulse in der Arbeitskammer 17 und in dem Hohlraum 29
des LäuSers 6, die aus der Beziehung ermittelt wird, worin
m - Umdrehungszahl Je Minute des Läufers 6 bedeutet.
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Es ist eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung von akustischen Schwingungen an elnem fließenden flüssigen Medium
möglich, die dên oben beschriebenen Ausführungsformen gleich ist.
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Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Stabilität
der Druckimpulse durch das Vorhandensein eines ringförmigen Ansatzes 44 (Fig. 7)
im Hohlraum 29 des Läufers 6 gewährleistet wird, wobei dieser Ansatz im Zwischenraum
zwischen der Hauptreihe won Öffnungen 31 und der zusätzlichen Reihe von Öffnungen
33 des Läufers angeordnet ist. Die Innenfläche 45 des Läufers 6 und die Fläche 46
des ringförmigen Ansatzes 44 sowle auch die diesen Flächen entsprechenden Flächen
47 und 48 bilden dabei Hohlräume 49 bzw. 50.
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Zur Herstellung einer maximalen Amplitude von Druckimpulsen weisen
die oben genannten Flächen 45, 46, 47 und 48 eine Neigung in der Richtung zum peripheren
Teil des Läufers 6 (Fig. 8) auf, indem sie Hohlraume 51 und 52 von einer kegelförmigen
Form bilden.
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Die Form dieser Hohlräume kann Jedoch kompliziertersein, was durch
die Konst@nz@@@@ der Geschwindigkeit des Ausfließens vom flüssigen Medium im Läufer
6 bestimmt wird.
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Es ist auch eine fünfte Ausführungsform der Vorrichtung möglich,
die den oben beschriebenen Ausführungsformen ähnlich ist.
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Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, daß in den Hohlräumen
51 und 52 des Läufers Schaufeln 53 (Fig. 9) einer
Zentrifugalpumpe
angeordnet sind, wodurch es möglich wird, ein Selbsteinsaugen des flüssigen Mediums
zu verwirklichen und den Druck des flüssigen Mediums in dlesen Hohlräumen zu erzeugen.
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Eine solche Anordnung der Schaufeln 53 ist auch bei einer einreihigen
Ausführung der Öffnungen im Läufer 6 (Fig. 1) und im Ständer 13 zweckmäßig.
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Es ist auch elne sechste Ausführungsform der Vorrichtung möglich,
die den oben beschriebenen Ausführungsformen auch ähnlich ist.
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Der Unterschied dieser Ausführungsform besteht darin, daß die Arbeitskammer
54 (Fig. 10) durch einebn Deckel 16 und einen Zylinder 55 gebildet ist. Eine solche
Ausführung gestattet es, das flüssige Medium in der Kammer 54 einer mehrfachen Einwirkung
der akustischen Schwingungen auszusetzen.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von akustischen
Schwingungen im fließenden flüssigen Medium wird wie folgt verwirklicht.
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Das flüssige Medium wird durch den Kanal 30 (Fig. 1) der Vorrichtung
zugeführt, und es füllt unter der Einwirkung der Druckkräfte den Hohlraum 29 des
Läufers 6. Dann werden durch die Öffnungen 31 des Läufers 6 der Spalt zwischen dem
Läufer 6 und dem Ständer 13 und durch die Öffnungen 28 des Ständers 13 die Arbeitskammer
17 mit dem flüssigen Medium gefüllt, aus welcher es auch unter einem Druck durch
die Öffnungen 18, welche in den Deckeln 15 und 16 vorgesehen sind, ausfließt.
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Durch das Vorhandensein des Druckes im Spalt zwischen dem Läufer
6 und dem Ständer 13 wird eine Vorverdichtung der Dichtungsbuchse 21 an dle Stirnflähe
des Läufers 6 gesichert, was ein dichtes Anliegen der Dichtungsbuchse an die genannte
Stirnfläche sowie eine hermetische Abdichtung des Hohlraumes 29 und der Arbeltskammer
17 gewährleistet.
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Dem Läufer 6 wird mittels des Antriebes 4 eine Drehungsbewegung mit
der vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit # mitgeteilt. Im Hohlraum 29 des Läufers
6 wird dabel der Druck einer Zentrifugalkraft hergestellt, die dem Quadrat des Produktes
der Winkelgeschwindigkeit # mit der Größe vom Radius B des LäuSers 6 proportional
ist.
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Im Falle des Ausfließens einer geringen Menge vom flüssigen Medium
durch die Stirndichtung der Buchse 21 und des Läufers 6 wird das Medium mittels
der Schelbe 7 in den ringförmigen Hohlraum 26 geleitet, aus welchem ds dadurch den
Kanal 27 aus der Vorrichtung abgeleitet wird.
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Da der Hohlraum 29 des Läufers 6 geschlossen ausgebildet ist, nimmt
der radiale Druck in diesem Hohlraum in der Richtung zum peripheren Teil des Läufers
6 zu.
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Zu einem besseren Verständnis des Betriebes der Vorrichtung ist in
Fig. 11 die Figur radlaler Verteilung der Zentrifugalkräfte dargestellt, in der
an der Ordinatenachse der Zuwachs des radialen Druckes # P, und au der Abszissenachse
die Große vom Radius R des Läufers 6 angegeben sind.
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Während der Drehung des Läufers 6 werden die Öffnungen 28 des Ständers
13 periodisch durch die Abstände zwischen den Öffnungen 31 des Läufers 6 überdeckt
und bei der Übereinstimmung mit den Öffnungen 31 aufgemacht, Auf diese Weise ändert
sich der Verbrauch der Flüssigkeit beim Ausfließen derselben aus dem Hohlraum 29
in die Arbeitskammer 17 periodisch in der Zeit, was elne unabdingbare Bedingung
für das Entstehen des Wellenprozesses sowohl im Hohlraum 29 des Läufers 6 wie auch
in der Arbeitskammer 17 bildet.
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Die Drehungsgeschwindigkeit des Läufers 6 ist derart bemesson, daß
die Zeit der Bewegung einer Öffnung 31 des Läufers 6 zwischen zwei benachbarten
Öffnungen 28 des Ständers 13 für die Wiederherstellung des maximalen Radialdruckes
# P ausreicht.
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Wie es in der Beziehung I schon wiedergegeben wurde, wurde die Breite
des Querschnitts der Öffnungen 28 und 31 im querschnitt so gewählt, daß sle den
Bedingungen des direkten hydraulischen Schlages im Hohlraum 29 des Läufers 6 und
in der Arbeitskammer 17 entspricht. Ausgehend davon wlrd dle Erzeugung der akustischen
Schwingungen im flüssigen Medium wie folgt verwirklicht.
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Beim Zusammenfallen der Öffnungen 28 des Ständers 13 mit den Öffnungen
31 des Läufers 6 wird in dem Hohlraum 29 des Läufers 6 die Wellenfront eines verminderten
Druckes, und in der Arbeitskammer 17 dle Wellenfront eines erhöhten Druckes erzeugt.
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Beim Nichtzasammenfallen der Öffnungen 28 des Ständers 13 mit den
Öffnungen 31 des Läufers 6 geht die kinetische Energie
des fließenden
flüssigen Mediums in dle potentielle Energie des Zusammendrückens des Mediums in
dem Hohlraum 29 des Läufers 6 und der Verdünnung des Mediums in der Arbeitskammer
17 über.
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Dabei verbreiten sich die Wellen des Druckes, die akustischen Wellen.
Dieser Prozeß wiederholt sich mit einer Frequenz von # . ## f= .
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2# Da die Oberfläche 20 des Deckels 16, der von der zylindrischen
Oberfla"che des Läufers 6 in elner Entfernung angeordnet; ist, die einer ganzen
Zahl der Halbwellen entspricht, die akustischen Wellen in erforderlicher Phase reflektiert,
welche mit der Phase von neu entstehenden Wellen zusamms nfällt, werden in der Arbeitskammer
17 die Bedingungen der Schwingungsresonanz erfüllt, und die Amplitude der Wellen
des akustischen Druckes erreicht ihren maximalen Wert. Die Schwingungsresoanz fördert
die Verbreitung der Druckimpulse gleichzeitig durch alle Öffnungen 28 des Läufers
13.
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Das Prinzip der Erzeugung von akustischen Schwingungen gemaß den
übrigen Ausführungsformen der Vorrichtung ist dem oben beschriebenen Prinzip änlich.
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Der Unterschied der zweiten Ausführungsform der Vorrichtung besteht
darin, daß sich die Zahl der Druckimpulse während einer Drehung des Läufers 6 proportional
der Anzahl der Öffnungen dos Ia"ufers 6 und des Ständers 13 vergrößert. Dabei wird
die Verbreitung der Imp9ulse des Druckes aufeinanderfolgend durch im Ständer 13
vorgeschenen Öffnungen 28 (Fig. 4) der Hauptreihe von
Öffnungen,
und dann durch alle ffnungen 34 der zusätzlichen Reihe von Öffnungen verwirklicht.
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Der Unterschied der dritten Ausführungsform der Vorrichtung besteht
darin, daß die Zahl der Druckimpulse während einer Drehung des Läufers 6 proportional
dem Produkt der Zahl der Reihen mit der Zahl der Gruppen von Öffnungen zunimmt,
die auf der Seitenfläche des Ständers 13 nicht gleichmäßig angeordnet sind. Dabel
wird die Verbreitung der Druckimpulse auch Aufeinand.rfolgend durch alle Öffnungen
36 (Fig. 5) der Gruppe α 36 und dann durch alle Öffnungen 35 der Gruppe α
35 und ferner durch die Öffnungen 37 der Gruppeα 37, die Öffnungen 38 der
Gruppe α 38, die Öffnungen 39 der Gruppe α 39 und die Öffnungen 40 der
Gruppe α 40 verwirklicht, Bei einer einreihigen Ausführung der Vorrichtung
wird die Verbreitung der Druckimpulse aufeinanderfolgend durch alle Öffnungen 41
(Fig. 6) der Gruppe α 41, dann durch die Öffnungen 42 der Gruppe α 42
und die Öffnungen 43 der Gruppe 43 verwirklicht.
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Wie obenbeschrieben wird die Stabilität der Druckimpulse nach der
Amplitude der akustischen Schwingungen bei der zweiten und der dritten Ausführungsformen
der Vorrichtung durch das Vorhandensein eines Ansatzes 14 (Fig. 7) im Hohlraum 29
des Läufers 6 gewährleistet, welcher Ansatz den Hohlraum 29 in zwei Hohlräume 49
und 50 einteilt. In einer jeden Öffnung 31 und 33 der Haupt-und der zusätzlichen
Reihe der Öffnungen des Läufers 6, die durch
den Ansatz 44 eingeteilt
sind, wird wahrend der Zeit der Verschiebung zwischen den zwei benachbarten Öffnungen
28 (Fig. 4, 5) und 34 der Haupt- und der zusätzlichen Reihen der Öffnungen des Ständers
13 (Fig. 7) der maximale Radialdruck A # der Zentrifugalkräfte unabhängig von der
Änderung des Radialdruckes in den der anderen, durch den Ansatz 44 abgetrennten
Reine von Öffnungen Öffnungen#des Läufers 6 wiederhergestellt.
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Der in Fig. 11 wiedergegebene Zuwachs des Radialdruckes vergrößert
sich von Null bis zum maxlmalen Wert. Dem Nullwert 6 D entspricht der Punkt N (Fig.
8), und dem Maximalwert die zylindrische Außenfläche des Läufers 6.
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In der Vorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform@ in der die
Flächen 45, 46 und 47, 48 eine Neigung in der Richtung zum peripheren Teil des Läufers
6 aufweisen, ist die Geschwindigkeit des Ausfließens des flüssigen Mediums am Abschnitt
N-R (Fig.
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t) des Zuwachses des Radialdruckes von Zentrifugalktaften konstant.
Die Anordnung von Schaufeln 53 einer Zentrifugalpumpe in den Hohlräumen 51 (Fig.
8), 52 des Länfers 6 gewährleistet das Vorhandensein statischen Druckes vom flüssigen
Medium in den genannten Hohlräumen, wobei unter der Einwirkung dieses Druckes das
flüssige Medium in die Arbeitskammer 17 übergeht; die Ausbildung der Arbeitskammer
54 (Fig. 10) in Form einesHohlzylinders ermöglicht die Verwirklichung eines kontinuierlichen
Zyklus der wiederholten Einwirkung der akustischen Wellen au9 das flüssige Medium.
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Bei allen Ausführungsformen der Vorrichtung sind in der Arbeitskammer
17
(Fig. 1) und 54 (Fig. 10) in dem gesamten VoLumen des flüssigen Mediums stehende
Wellen der akustischen Schwingungen vorhanden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von akusti@ schen
Schwingungen in einem fließenden flüssigen Medium weist wesentliche technische Unterschiede
von den bekannten und für ähnliche Zwecke zu verwendenen Vorrichtungen auf, welche
darin bestehen, daß in der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Effekt des direkten
hydraulischen Schlages in einem fließenden flüssigen Medium in Verblndung mit dem
Zuwachs des Druckes von Zentrifugalkräften und der Geschwindigkeit der mechanischen
Einwirkung auf das fließende Medium benutzt ist. Der Aufbau der Vorrachtung geenergiereiche
stattet es, im flüssigen Medium akustische Schwingungen mit vorgegebener Arbeltsfrequenz
mit einem brelten Frequenzbereich zu erzeugen, was ein wichtiger Faktor der Intensivierung
von verschiedenen physikalisch-chemischen Prozesses ist.