DE2953808C2 - Pulsation apparatus for the production of a finisperse liquid mixture - Google Patents
Pulsation apparatus for the production of a finisperse liquid mixtureInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Pulsationsapparat zur Herstellung einer feindispersen Flüssigkeitsmischung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.The invention relates to a pulsation apparatus for producing a finely dispersed liquid mixture of the type specified in the preamble of patent claim 1.
Aus der US-PS 39 98 433 ist ein Gerät bekannt, in dem ein Feststoffpulver mit einer Flüssigkeit gleichmäßig angefeuchtet werden kann. In einer mit Flüssigkeit teilweise gefüllten Vorkammer ist ein nach oben offener Einlauftrichter angeordnet, der eine Überlaufkante für die Flüssigkeit bildet und in den ein zentraler Rohrstutzen zum Einspeisen des Feststoffpulvers mündet. Der Einlauftrichter endet in einer zentralen Durchlauföffnung, die in der Trennwand zwischen der Vorkammer und einer gleichachsig angeordneten Mischkammer ausgebildet ist. In dieser Mischkammer befindet sich ein mit Zähnen besetzter drehangetriebener Scheibenrotor. An der Unterseite der Trennwand sind ebenfalls Zähne befestigt, die zwischen die Zähne am Scheibenrotor greifen und bei drehendem Rotor einen intensiven Mischeffekt erzeugen. Wirksame Dispergiereffekte in Flüssigkeitsgemischen lassen sich mit diesem Gerät nicht erzielen.US-PS 39 98 433 discloses a device in which a solid powder can be evenly moistened with a liquid. In a pre-chamber partially filled with liquid, an inlet funnel is arranged that is open at the top, which forms an overflow edge for the liquid and into which a central pipe socket for feeding the solid powder opens. The inlet funnel ends in a central flow opening that is formed in the partition between the pre-chamber and a coaxially arranged mixing chamber. In this mixing chamber there is a rotary disk rotor with teeth. Teeth are also attached to the underside of the partition, which grip between the teeth on the disk rotor and produce an intensive mixing effect when the rotor rotates. Effective dispersing effects in liquid mixtures cannot be achieved with this device.
Aus der US-PS 28 82 149 ist ein Pulsationsapparat der angegebenen Gattung bekannt, der zur physikalischen und/oder chemischen Behandlung von unterschiedlichen Substanzen, insbesondere von verschiedenen Flüssigkeitsgemischen, eingesetzt wird. In einem gemeinsamen Gehäuse sind insgesamt drei Stator-Rotor-Systeme vertikal übereinander angeordnet, welche unterschiedliche Behandlungsstufen bilden. Das z. B. zu dispergierende Flüssigkeitsgemisch wird über einen oberen Einlaufstutzen tangential in eine Vorkammer eingeführt und fließt über einen kurzen Zentralstutzen in den Wirkungsbereich des obersten Stator-Rotor-Systems. Jeder Rotor und Stator sind an ihren gegeneinander weisenden Seiten mit Zähnen besetzt, die unter unterschiedlichen radialen Abständen in konzentrischen Kreisen angeordnet sind und reihenweise ineinandergreifen. Zwischen dem Außenumfang des Stators und der Innenwand des Gehäuses sind vertikale Strömungskanäle vorgesehen, in denen sich bei einer Drehbewegung des Rotors vertikal verlaufende Ringströmungen ausbilden. Die in dieser Stufe behandelte Flüssigkeit wird mittels eines trichterförmigen Leitelementes der zentralen Öffnung der nächstfolgenden Stufe zugeführt. Die Rotoren der verschiedenen Stufen sind auf einer durchgehenden vertikalen Antriebswelle befestigt, die jedoch keine Arbeitselemente in der Vorkammer trägt. Dieser Pulsationsapparat ist insbesondere wegen seiner mehrstufigen Ausbildung technisch aufwendig und wirkt aufgrund der verschiedenen Ringströmungen weit mehr als Mischer denn als Dispergieraggregat.A pulsation device of the type specified is known from US-PS 28 82 149, which is used for the physical and/or chemical treatment of different substances, in particular of different liquid mixtures. In a common housing, a total of three stator-rotor systems are arranged vertically one above the other, which form different treatment stages. The liquid mixture to be dispersed, for example, is introduced tangentially into a prechamber via an upper inlet nozzle and flows via a short central nozzle into the area of action of the uppermost stator-rotor system. Each rotor and stator are fitted with teeth on their opposing sides, which are arranged in concentric circles at different radial distances and mesh with one another in rows. Between the outer circumference of the stator and the inner wall of the housing, vertical flow channels are provided in which vertical ring flows form when the rotor rotates. The liquid treated in this stage is fed to the central opening of the next stage by means of a funnel-shaped guide element. The rotors of the various stages are attached to a continuous vertical drive shaft, which, however, does not carry any working elements in the prechamber. This pulsation device is technically complex, particularly because of its multi-stage design, and due to the various ring flows it acts more as a mixer than as a dispersing unit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Pulsationsapparat der angegebenen Gattung zu schaffen, welcher eine Steigerung des Dispergiergrades eines flüssigen Mehrkomponentengemischs gewährleistet.The invention is based on the object of creating a pulsation apparatus of the specified type, which ensures an increase in the degree of dispersion of a liquid multi-component mixture.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved by the features specified in the characterising part of claim 1.
Die erfindungsgemäße Ausführung der Vormischkammer in Form eines sich in Richtung der Mischkammer erweiternden Diffusors ergibt eine solche Verminderung der Strömungsgeschwindigkeit und eine entsprechende Erhöhung des hydrostatischen Drucks in der die Vormischkammer durchströmenden Flüssigkeit. Beim Durchfluß durch den schmaleren Zentralkanal erhöht sich die Strömungsgeschwindigkeit, was ein Absinken des hydrostatischen Drucks und eine intensive Blasenbildung der in der Flüssigkeit gelösten Gase verursacht. Beim Durchlauf der Flüssigkeit zwischen den am Rotor und am Stator ausgebildeten Zähnen treten periodische Unterbrechungen des Flüssigkeitsstroms auf, die hochfrequente Druckwellen entstehen lassen. In der erfindungsgemäß als Diffusor ausgebildeten Vormischkammer wird ein Teil dieser Gasblasen unter der Wirkung der erzeugten Druckwellen zerrissen. Derartige Erscheinungen können als Mikroexplosionen bezeichnet werden und die dabei freigesetzte Energie steigert die Dispergierung der Teilchen im Flüssigkeitsgemisch.The inventive design of the premixing chamber in the form of a diffuser that widens in the direction of the mixing chamber results in such a reduction in the flow rate and a corresponding increase in the hydrostatic pressure in the liquid flowing through the premixing chamber. When flowing through the narrower central channel, the flow rate increases, which causes a drop in the hydrostatic pressure and intensive bubble formation of the gases dissolved in the liquid. When the liquid passes between the teeth formed on the rotor and the stator, periodic interruptions in the liquid flow occur, which give rise to high-frequency pressure waves. In the premixing chamber designed as a diffuser according to the invention, some of these gas bubbles are torn apart under the effect of the pressure waves generated. Such phenomena can be referred to as micro-explosions and the energy released increases the dispersion of the particles in the liquid mixture.
Neben dem angestrebt höheren Dispergierungsgrad besitzt der erfindungsgemäße Pulsationsapparat die weiteren Vorteile einer einfachen Herstellung, eines geringen Platzbedarfs sowie einer sicheren und einfachen Bedienung.In addition to the desired higher degree of dispersion, the pulsation apparatus according to the invention has the further advantages of simple manufacture, small space requirements and safe and simple operation.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich erläutert, in der ein Pulsationsapparat im Längsschnitt dargestellt ist.In the following, the invention is explained in detail using a preferred embodiment with reference to the drawing, in which a pulsation apparatus is shown in longitudinal section.
Der dargestellte Pulsationsapparat besitzt ein Gehäuse 1 von im wesentlichen zylindrischer Form und senkrechter Längsachse 0-0. Im oberen Teil des Gehäuses 1 ist eine Vormischkammer 2 vorgesehen, die von den Gehäusewänden begrenzt wird und im oberen Teil ihrer Seitenwand eine Einlauföffnung 3 für ein Flüssigkeitsgemisch aufweist, das eine Emulsion und/ oder eine Suspension sein kann. Im mittleren Teil des Gehäuses ist eine Mischkammer 4 von den Gehäusewänden begrenzt, die mit der Vormischkammer 2 über einen zentralen Kanal 5 in Verbindung steht, der von ringförmig eingezogenen Wänden des Gehäuses 1 begrenzt wird. Die Mischkammer 4 liegt gleichachsig mit der Vormischkammer 2, so daß ihre Längsachse mit der Längsachse 0-0 des Gehäuses 1 zusammenfällt. In der im wesentlichen zylindrischen Mischkammer 4 befinden sich ein scheibenförmiger Rotor 6 und ein Stator 7, die zur Erzeugung von pulsierenden Änderungen des Strömungswiderstandes bei drehendem Rotor 6 bestimmt sind. Der Rotor 6 ist eine Scheibe, die an einer zentralen Welle 8 starr befestigt ist. Die im Gehäuse 1 in der Längsachse 0-0 angeordnete Welle 8 durchragt die Vormischkammer 2 und die Mischkammer 4 und wird von einem am Gehäuse 1 montierten Elektromotor 9 angetrieben.The pulsation apparatus shown has a housing 1 of essentially cylindrical shape and a vertical longitudinal axis 0-0 . In the upper part of the housing 1 there is a premixing chamber 2 which is delimited by the housing walls and has an inlet opening 3 in the upper part of its side wall for a liquid mixture which can be an emulsion and/or a suspension. In the middle part of the housing there is a mixing chamber 4 delimited by the housing walls which is connected to the premixing chamber 2 via a central channel 5 which is delimited by ring-shaped recessed walls of the housing 1. The mixing chamber 4 is coaxial with the premixing chamber 2 so that its longitudinal axis coincides with the longitudinal axis 0-0 of the housing 1. In the essentially cylindrical mixing chamber 4 there is a disk-shaped rotor 6 and a stator 7 which are intended to generate pulsating changes in the flow resistance when the rotor 6 rotates. The rotor 6 is a disk which is rigidly attached to a central shaft 8. The shaft 8 , which is arranged in the housing 1 in the longitudinal axis 0-0, penetrates the premixing chamber 2 and the mixing chamber 4 and is driven by an electric motor 9 mounted on the housing 1 .
Als Stator 7 dient die untere Querwand der Mischkammer 4, auf der trapezförmige Zähne bzw. Ansätze 10 ausgebildet sind. Diese Zähne 10 sind symmetrisch zur Längsachse 0-0 des Gehäuses 1 gleichmäßig in konzentrischen Kreisen und in Radien von gleichem gegenseitigen Abstand angeordnet.The lower transverse wall of the mixing chamber 4 serves as the stator 7 , on which trapezoidal teeth or projections 10 are formed. These teeth 10 are arranged symmetrically to the longitudinal axis 0-0 of the housing 1 , evenly in concentric circles and in radii of equal mutual distance.
Die obere Fläche des Rotors 6 ist eben und an seiner unteren, den Zähnen 10 an der Wand 7 zugekehrten Fläche sind zahnförmige Ansätze 11 vorgesehen, deren Form und Abmessungen den Zähnen 10 entspricht. Die Radien der konzentrischen Kreise, auf denen die Zähne 11 an der Läuferscheibe 6 angeordnet sind, unterscheiden sich von den Radien der konzentrischen Zahnkränze an der Querwand 7, so daß sie während der Drehung der Welle 8 nahe den Zähnen 10 der Querwand 7 vorbeigehen. Dadurch werden im Flüssigkeitsgemisch hochfrequente Änderungen des Strömungswiderstandes erzeugt und es ergibt sich eine gesteigerte Turbulenz mit Pulsationen, die zur Erhöhung des Dispergierungsgrades des Flüssigkeitsgemisches beitragen.The upper surface of the rotor 6 is flat and on its lower surface facing the teeth 10 on the wall 7 , tooth-shaped projections 11 are provided, the shape and dimensions of which correspond to the teeth 10. The radii of the concentric circles on which the teeth 11 on the rotor disk 6 are arranged differ from the radii of the concentric gear rings on the transverse wall 7 , so that they pass close to the teeth 10 of the transverse wall 7 during the rotation of the shaft 8. This generates high-frequency changes in the flow resistance in the liquid mixture and results in increased turbulence with pulsations, which contribute to increasing the degree of dispersion of the liquid mixture.
An der Antriebswelle 8 sind in der Vormischkammer 4 Schaufeln 13 starr befestigt, die zur Gehäuselängsachse 0-0 symmetrisch angeordnet sind und eine gekrümmte Profilsehne aufweisen, deren Ausbauchung in der zum Drehsinn entgegengesetzten Richtung weist. Diese Schaufeln gewährleisten eine Vorwärtsbewegung des Flüssigkeitsgemisches von der Einlauföffnung 3 durch die Vormischkammer 2 in die Mischkammer 4. In der Mischkammer 4 sind an der Welle 8 Schaufeln 14 starr befestigt, deren Bestimmung, Form und Anordnung derjenigen der Schaufeln 13 entspricht.Rigidly attached to the drive shaft 8 in the premixing chamber 4 are blades 13 which are arranged symmetrically to the longitudinal axis 0-0 of the housing and have a curved profile chord whose bulge points in the opposite direction to the direction of rotation. These blades ensure a forward movement of the liquid mixture from the inlet opening 3 through the premixing chamber 2 into the mixing chamber 4. Rigidly attached to the shaft 8 in the mixing chamber 4 are blades 14 whose purpose, shape and arrangement correspond to that of the blades 13 .
Die Vormischkammer 2 hat die Form eines Diffusors, der sich in Richtung zum Kanal 5 erweitert und dessen Wände abgerundete Kanten haben.The premixing chamber 2 has the shape of a diffuser which widens towards the channel 5 and whose walls have rounded edges.
Im unteren Teil des Gehäuses 1 ist eine zusätzliche Mischkammer 15 vorgesehen, die gleichachsig zu den Kammern 2, 4 liegt und mit der Mischkammer 4 über eine in der Wand 7 ausgebildete zentrale Auslauföffnung 12 verbunden ist. An der Welle 8 sind in der Kammer 15 zwei Reihen von elastischen Schaufeln 16, 17 starr befestigt. An den Seitenwänden der Kammer 15 sind ebenfalls elastische Schaufeln 18 befestigt, die zwischen die Reihen der Schaufeln 16, 17 eingreifen. Die Schaufeln 16 bis 18 sind zur zusätzlichen Verwirbelung und Dispergierung des Flüssigkeitsgemisches bestimmt.In the lower part of the housing 1 , an additional mixing chamber 15 is provided, which is coaxial with the chambers 2 , 4 and is connected to the mixing chamber 4 via a central outlet opening 12 formed in the wall 7. Two rows of elastic blades 16 , 17 are rigidly attached to the shaft 8 in the chamber 15. Elastic blades 18 are also attached to the side walls of the chamber 15 , which engage between the rows of blades 16 , 17. The blades 16 to 18 are intended for additional turbulence and dispersion of the liquid mixture.
Am Boden der Kammer 15 ist ein Sicherheitsventil 19 angebracht, das zur allmählichen Verminderung des Überdrucks des sich bei der Dispergierung des Flüssigkeitsgemisches entwickelnden Gases bestimmt ist. Eine Öffnung 20 im Boden der Kammer 15 dient zum Auslassen des behandelten Gemisches.At the bottom of the chamber 15 there is a safety valve 19 designed to gradually reduce the excess pressure of the gas evolved during the dispersion of the liquid mixture. An opening 20 in the bottom of the chamber 15 serves to discharge the treated mixture.
Der erfindungsgemäße Pulsationsapparat arbeitet wie folgt:The pulsation apparatus according to the invention works as follows:
Beim Einschalten des Elektromotors 9 wird die Welle 8 in Drehung versetzt. Das flüssige Gemisch in Form einer Emulsion und/oder einer Suspension gelangt durch die Einlauföffnung 3 in die diffusorförmige Vormischkammer 2, in welcher sich die Strömungsgeschwindigkeit vermindert und der hydrostatische Druck erhöht. Unter der Wirkung des von den Schaufeln 13 der Vormischkammer 2 und von den Schaufeln 14 in der Mischkammer 4 erzeugten Druckes passiert der Gemischstrom den Kanal 5, in welchem die Strömungsgeschwindigkeit abrupt zunimmt, was zu einer sprunghaften Absenkung des hydrostatischen Druckes und zu einer intensivierten Blasenbildung von im flüssigen Gemisch gelösten Gasen führt. Diese Gasblasen werden unter der Wirkung von hochfrequenten Druckwellen zerrissen. Durch die hierbei entstehenden Mikroexplosionen und die dabei freiwerdende Energie werden die Flüssigkeitspartikel zerrissen, was einen gesteigerten Dispergierungsgrad der Teilchen im Flüssigkeitsgemisch ergibt. Das Gemisch passiert die Zwischenräume zwischen den Zähnen 11 des Rotors 6 und den Zähnen 10 der Querwand 7. Hierbei finden periodische Unterbrechungen des Flüssigkeitsstromes statt, was die Entstehung von Pulsationen und eines Druckwellenfeldes hervorruft.When the electric motor 9 is switched on, the shaft 8 is set in rotation. The liquid mixture in the form of an emulsion and/or a suspension passes through the inlet opening 3 into the diffuser-shaped premixing chamber 2 , in which the flow speed decreases and the hydrostatic pressure increases. Under the effect of the pressure generated by the blades 13 of the premixing chamber 2 and by the blades 14 in the mixing chamber 4 , the mixture flow passes through the channel 5 , in which the flow speed increases abruptly, which leads to a sudden reduction in the hydrostatic pressure and to an intensified formation of bubbles of gases dissolved in the liquid mixture. These gas bubbles are torn apart under the effect of high-frequency pressure waves. The resulting micro-explosions and the energy released in the process tear the liquid particles apart, which results in an increased degree of dispersion of the particles in the liquid mixture. The mixture passes through the gaps between the teeth 11 of the rotor 6 and the teeth 10 of the transverse wall 7 . Periodic interruptions of the liquid flow occur, which causes the formation of pulsations and a pressure wave field.
Nach Passieren der Mischkammer 4 fließt das Flüssigkeitsgemisch in die Kammer 15, in welcher es einer zusätzlichen Vibrationseinwirkung, und zwar sowohl einer niederfrequenten Einwirkung infolge der Drehung der Schaufeln 16, 17 als auch einer hochfrequenten Einwirkung unterworfen wird, die durch den Einfluß der sich drehenden Welle 8 auf die Gemischströmung erzeugt werden. Das fertige hochdispergierte Flüssigkeitsgemisch gelangt durch die Auslauföffnung 20 in einen nicht dargestellten Behälter.After passing through the mixing chamber 4 , the liquid mixture flows into the chamber 15 , in which it is subjected to an additional vibration effect, namely both a low-frequency effect due to the rotation of the blades 16 , 17 and a high-frequency effect, which are generated by the influence of the rotating shaft 8 on the mixture flow. The finished, highly dispersed liquid mixture passes through the outlet opening 20 into a container (not shown).
Mit den erfindungsgemäß ausgebildeten Pulsationsapparaten können Gemische aus schwer mischbaren Flüssigkeitskomponenten, z. B. aus Benzin und Wasser oder Dieselöl und Wasser, mit einem hinreichend hohen Dispergierungsgrad zur Speisung von beispielsweise Brennkraftmaschinen mit einer hohen Beständigkeit von 7 bis 20 Stunden hergestellt werden. Dies gewährleistet eine sprunghafte Verminderung der Toxizität von Auspuffgasen, eine beträchtliche Verbesserung der Wirtschaftlichkeit von bis zu 10% und eine Steigerung der Maschinenleistung.With the pulsation apparatus designed according to the invention, mixtures of difficult-to-mix liquid components, e.g. gasoline and water or diesel oil and water, can be produced with a sufficiently high degree of dispersion to feed, for example, internal combustion engines with a high stability of 7 to 20 hours. This ensures a sudden reduction in the toxicity of exhaust gases, a considerable improvement in economic efficiency of up to 10% and an increase in machine performance.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Pulsationsapparat kann zur Herstellung von hochdispergierten flüssigen Brennstoffen für Wärmekraftanlagen, in der Bauindustrie zur Herstellung von Baustoffen, in der chemischen Industrie zur Herstellung von z. B. Klebstoffen und Imprägnierungsmitteln sowie auch in der Lebensmittelindustrie, der pharmazeutischen Industrie und in der Möbelindustrie zur Herstellung von Dekorationsüberzügen eingesetzt werden.The pulsation apparatus designed according to the invention can be used for the production of highly dispersed liquid fuels for thermal power plants, in the construction industry for the production of building materials, in the chemical industry for the production of, for example, adhesives and impregnating agents, and also in the food industry, the pharmaceutical industry and in the furniture industry for the production of decorative coatings.
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