DE3011106A1

DE3011106A1 - Verfahren und einrichtung zur einfuehrung von gas in eine fluessigkeit

Info

Publication number: DE3011106A1
Application number: DE19803011106
Authority: DE
Inventors: Rune Filke Roland Adolfsson; Dietrich Wilhelm Gellert
Original assignee: Thorn Svenska AB
Current assignee: Thorn Svenska AB
Priority date: 1979-03-23
Filing date: 1980-03-22
Publication date: 1980-11-06
Also published as: FR2451717A1; SE7902652L; DE3004440A1; GB2046112B; GB2046112A

Description

ΡΑΓΕ

Dr. W. nal. DIETER LOUU λ_Λ«««Λ^ Dlpl.-Phys. CLAUS PÖHLAU 301 1

Dlpl.-lng. FRANZ LOHRENTZ Dlpl.-Phys.WOLFGANÖ SEGETH - 4 -

KESSLERPLATZ 1 8500 NÜRNBERG 20

THORN SVENSKA AB 20 28i/2 60/ko

S chweden

Verfahren und Einrichtung zur Einführung von Gas in

eine Flüssigkeit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einführung von Gas in eine Flüssigkeit, die in einem Behälter eingeschlossen ist, insbesondere im Zusammenhang mit der Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken, sowie eine zur Durchführung des Verfahrens besonders geeignete Einrichtung.

Es sind Einrichtungen bekannt, mit denen kohlensäurehaltige Getränke im Haushaltsbereich hergestellt werden können, wobei Kohlendioxid in Wasser in einer Flasche eingeführt wird, wonach das Wasser mit Konzentraten ein Aroma erhält. Bei der Zuführung von Kohlendioxid zur Flasche wird diese in der Einrichtung festgeklemmt und wird die Flaschenöffnung durch ein federndes Anschlagteil beaufschlagt und abgedichtet, durch welches hindurch eine Düse verläuft. Die Düse ist über ein Ventil mit einer Gasquelle unter vergleichsweise hohem Druck verbunden. Weiterhin ist ein Überdruck-Sicherheitsventil zwischen dem Raum oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche in der Flasche und der Umgebung angeordnet.

Bei der Benutzung einer solchen Einrichtung zur Karbon!-

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sierung von Wasser in einer Flasche wird das Ventil zwischen der Gasquelle und der Düse, die sich nach unten in die Flasche hinein erstreckt, geöffnet, und in dieser Offenstellung gehalten, bis der Druck im Raum oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit auf einen Wert angestiegen ist, bei dem das Überdruck-Sicherheitsventil öffnet. Um dies zu erreichen, ist es in der Regel erforderlich, das Ventil mehrmals zu öffnen, um die erforderliche Karbonisierung zu erreichen, die in der Größenordnung von 2 bis 4 Vol.-% liegt. Um dies zu erreichen, muß das Überdruck-Sicherheitsventil auf einen vergleichsweise hohen Wert, etwa in der Größenordnung von 12 bar eingestellt werden. Da die erforderliche Gasmenge größer ist, als dies dem angewandten Druck entspricht, ist der Gasverbrauch für jede Flasche vergleichsweise groß. Die Verwendung eines hohen Druckes erfordert darüber hinaus Glasflaschen, die hierfür speziell ausgebildet sind.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Einführung eines Gases in eine Flüssigkeit geschaffen, die in einem Behälter angeordnet ist, bei dem das Gas aus wenigstens einer nach unten gerichteten Düsenöffnung in die Flüssigkeit eingeführt wird, die nur in kurzem Abstand unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit liegt, und bei dem der Druck des Gases, die Bemessung der Düsenöffnung und der Abstand der Düsenöffnung vom Boden des Behälters derart gewählt werden, daß die Gasströmung von der wenigstens einen Düsenöffnung den Boden des Behälters erreicht und das Gas von dort aus wieder zur Oberfläche der Flüssigkeit in Form einer Vielzahl kleiner, einzelner Gasblasen aufsteigt.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Einführung eines Gases in eine Flüssigkeit, die in einem Behälter angeord-

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net ist, ist eine Abstützung für den Behälter vorgesehen, eine Einrichtung zur Lagerung einer Gasquelle unter Druck in Zuordnung zu dieser Abstützung, eine in den so abgestützten Behälter einführbare Düse, eine durch ein Ventil steuerbare Verbindung zwischen der Gasquelle unter Druck und der Düse, eine nach unten gerichtete Düsenöffnung der Düse, die derart angeordnet ist, daß sie nur in kleinem Abstand unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit angeordnet ist, wenn die Flasche so abgestützt ist, und sind der Druck des Gases der Gasquelle, die Größe der Düsenöffnung und der Abstand zwischen der Düsenöffnung vom Boden des Behälters so gewählt, daß die Gasströmung von der wenigstens einen Düsenöffnung den Boden des Behälters erreicht und das Gas von dort zur Oberfläche der Flüssigkeit in Form einer Vielzahl kleiner, einzelner Gasblasen aufsteigt.

Bei einem solchen Verfahren und einer solchen Vorrichtung läßt sich eine wirksamere Vermischung des Gases mit dem Wasser erreichen. Dies hat unter anderem die Wirkung, daß der Gasbehälter nur einmal mit der Flasche verbunden werden muß, um die erforderliche Durchmischung des Gases zu erhalten, wobei darüber hinaus auch mit einem niedrigeren Druck in der Flasche gearbeitet werden kann. Dadurch müssen weniger Gasstöße erfolgen und wird eine geringere Gasmenge in dem einzigen zur Füllung erforderlichen Gasstoß verbraucht, so daß sich eine erhebliche Verminderung des Gasverbrauches ergibt. Die Anwendung geringeren Druckes ermöglicht auch, übliche genormte Flaschen, wie sie im Handel erhältlich sind, zu benutzen, auch Pfandflaschen.

Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung sind dabei so gewählt bzw. ausgebildet, daß die Bahn des Gases in der Flüssigkeit in der Flasche so lang als möglich ist, und die dem Gas ausgesetzte innere Flüssigkeitsoberfläche so groß wie möglich gehalten ist.

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Dies wird bei bekannten Einrichtungen nicht erreicht, bei denen etwa die Öffnung oder die Öffnungen, durch welche hindurch das Gas in die Flüssigkeit im Behälter oder der Flasche eingeführt wird, zu nahe am Boden des Behälters angeordnet sind, was bedeutet, daß der Bewegungsweg des Gases in der Flüssigkeit vergleichsweise kurz ausfällt. Diese Öffnungen sind darüber hinaus zu groß, so daß nur einige wenige, vergleichsweise große aufsteigende Gasblasen erzeugt werden, wodurch die gesamte Berührungsoberfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit klein ausfällt und häufiger ein Ausblasen des Gases durch das Überdruck-Sicherheitsventil erfolgt. Die Öffnungen sind schräg auf die Wand der Flasche gerichtet, so daß das Gas nicht den Boden der Flasche erreichen kann. Das Gas wird unter zu hohem Druck freigesetzt, so daß in der Flüssigkeit Kavitation auftritt, welche die Berührungsoberfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit weiter herabsetzt und überdies zur Folge hat, daß die Strömung nicht in eine Vielzahl kleiner Bläschen aufgeteilt wird.

Erfindungsgemäß hingegen wird das Gas in die Flüssigkeit durch eine im wesentlichen nach unten gerichtete Düsenöffnung eingeführt, die bevorzugt zentral oder mittig in der Flasche angeordnet ist, und zwar direkt unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche, wobei der Durchmesser der Düsenöffnung, der Abstand von der Düsenöffnung zum Boden des Behälters und der Gasdruck so eingestellt sind, daß die Gasströmung den Boden der Flasche erreicht und das Gas von dort aus wieder zurück zur Oberfläche der Flüssigkeit steigt, und zwar in der Form einer überaus großen Anzahl sehr kleiner, einzelner Gasbläschen.

Die Gasströmung sollte nicht so stark sein, daß das Gas nach dem Auftreffen auf den Boden der Flasche in großen Blasen gehalten wird, die so zur Oberfläche der Flüssig-

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keit zurücksteigen. Andererseits darf die Gasströmung nicht so schwach sein, daß sie nicht den Boden der Flasche erreicht. Optimal ist es, eine solche Gasströmung zu erzeugen, die beim Auftreffen auf den Boden des Behälters immer noch zusammenhängt, die jedoch dann in eine große Anzahl sehr kleiner Gasblasen aufgeteilt wird. Die anderen Teile der aus der Düsenöffnung ausströmenden Gasströmung, die in Wechselwirkung mit der Flüssigkeit stehen, sind dann bereits in kleine Blasen aufgeteilt worden, die zur Oberfläche zurücksteigen. Es zeigt sich jedoch, daß der größte Teil des Gases in äußerst kleine Gasbläschen in der Flüssigkeit aufgeteilt wird, wodurch sich eine maximale Berührungsoberfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas ergibt und somit eine optimale Lösungsaufnahme des Gases in der Flüssigkeit erzielt wird.

Die Düsenöffnung, durch welche hindurch das Gas ausgestoßen wird, sollte so nahe an der Flüssigkeitsoberfläche liegen wie möglich, jedoch andererseits in einer solchen Tiefe in der Flüssigkeit, daß durch das ausströmende Gas nicht Luft mit in die Gasströmung hineingerissen wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Unteransprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch vereinfacht einen Längsschnitt durch eine Flasche zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Einrichtung im Betrieb.

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In Fig. 1 ist mit 1 eine Glasflasche bezeichnet, die von einer üblichen Art ist und eine Druckwiderstandsfähigkeit bis zu etwa 15 bar besitzt. Die Flasche ist mit Wasser 2 gefüllt, welches mit Kohlensäure angereichert oder karbonisiert werden soll. Hierzu ist eine Düse 3 über ein nicht näher dargestelltes Ventil mit einem nicht näher dargestellten Gasbehälter mit innerem Überdruck verbunden, und ist die Düse 3 nach unten über ein federndes Anschlagteil 4 beispielsweise aus Gummi in die Flasche hineingeführt, wobei das Anschlagteil 4 die obere Mündung des Flaschenhalses abdichtet. Die Düse 3 ist mit einer nach unten gerichteten Düsenöffnung 5 versehen, die im Wasser angeordnet ist. Die Einrichtung weist weiterhin ein in Fig. 1 ebenfalls nicht näher dargestelltes Überdruck-Sicherheitsventil zwischen dem Raum oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit, im Beispielsfalle des Wassers 2, in der Flasche 1 und der Umgebungsatmosphäre auf.

Erfindungsgemäß wird die Querschnittsfläche der Düsenöffnung 5 zusammen mit dem Gasdruck des Gases in der Düse 3 und dem Abstand zum Boden der Flasche 1 so gewählt, daß die Gasströmung 6 im wesentlichen den Boden der Flasche 1 erreicht, dort jedoch in eine große Anzahl sehr kleiner Gasblasen 7 aufgeteilt wird, die dann langsam zur Oberfläche des Wassers 2 zurücksteigen. Durch diese Anordnung wird die Gasströmung 6 vollständig in eine Vielzahl kleiner Gasbläschen am Boden der Flasche 1 aufgeteilt, und ergibt sich eine maximale Berührungsoberfläche zwischen dem Gas und der Flüssigkeit, was eine optimale Lösung des Gases in der Flüssigkeit zur Folge hat. Zur Maximierung des Bewegungsweges des Gases in der Flüssigkeit sollte die Düsenöffnung 5 so nahe als möglich an der Oberfläche der Flüssigkeit angeordnet werden, jedoch wiederum in einer solchen Tiefe, daß durch die Saugwirkung des aus der Düsenöffnung 5 austretenden Gasstrahles nicht Luft von

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der Oberfläche der Flüssigkeit her mit in die Flüssigkeit hineingerissen wird.

Bei Versuchen mit erfindungsgemäßen Einrichtungen hat sich ergeben, daß sich eine Erhöhung der Lösungsfähigkeit des Gases in der Flüssigkeit gegenüber bekannten Einrichtungen in der Größenordnung von 25% ergibt. Dabei kann die Einrichtung mit einem Druck von 6 bis 8 bar in der Flasche 1 arbeiten. Die verbesserte Lösung des Gases führt somit zusammen mit dem vergleichsweise niedrigen Druck in der Flasche dazu, daß ohne Öffnung des Überdruck-Sicherheitsventiles das gesamte zu lösende Gas in die Flasche eingebracht werden kann, ohne daß also das Überdruck-Sicherheitsventil vor der vollständigen Einbringung der gewünschten Gasmenge bereits mehrfach öffnet und den Vorgang unterbricht, so daß kein Gas unnütz abgeblasen wird und der Gasverbrauch bedeutend sinkt.

Bei einer beispielhaften, bevorzugten Ausführungsform, bei der Kohlendioxid in eine bis in eine Höhe von 100 mm mit Wasser gefüllte Flasche eingebracht werden soll, und ein Gasdruck von 60 bar zur Verfügung steht, wird die Düsenöffnung 5 zur Einführung des Gases 10 mm unterhalb der Oberfläche des Wassers angeordnet und besitzt einen Durchmesser von 0,3 mm. Hierdurch kann eine Kohlendioxid/ Wasser-Lösung mit einer Lösungsmenge von 3 bis 4 Vol.-% erzielt werden, und zwar mit einer einzigen Öffnung des Ventiles, wobei die Flasche bis zu einem Druck von etwa 6 bis 8 bar gefüllt wird.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Herstellung von kohlensäurehaltigen Getränken beschränkt, sondern kann auch zur Verwendung bei der Einführung von anderen Gasen in andere Flüssigkeiten herangezogen werden.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Einrichtung mit weiteren

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Einzelheiten veranschaulicht. Dabei ist die Flasche 1 bis in eine Höhe 1a mit Wasser gefüllt, die an einem Wulst 1b am Außenumfang der Flasche 1 angezeigt wird. In das Wasser 2 in der Flasche 1 ragt die Düse 3. Das Anschlagteil 4 liegt, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert ist, im Betrieb der Einrichtung an der oberen Mündung des Flaschenhalses dicht an.

Die Flasche 1 wird in einem splittersicheren Gehäuse 10 angeordnet, welches bis in die strichpunktiert veranschaulichte Stellung 11 seitlich herausgeschwenkt werden kann, zusammen mit der Düse 3, so daß die Flasche 1 von unten her eingeführt werden kann. Wenn das splittersichere Gehäuse 10 zurück in die mit ausgezogenen Linien veranschaulichte Stellung geschwenkt worden ist, so kann ein Griffteil 12 aus der strichpunctiert veranschaulichten Stellung 13 in die mit ausgezogenen bzw., soweit verdeckt, gestrichelten Linien veranschaulichte Stellung geschwenkt werden, so daß eine Nockenscheibe 14, die mit dem Griffteil 12 drehfest verbunden ist, einen Tisch 15 nach oben drückt, so daß die Flasche 1 nach oben gegen das Anschlagteil 4 gepreßt wird, welches den Flaschenhals abdichtet.

Wie die Zeichnung veranschaulicht, ist die Düse 3 über eine Leitung 16 und ein von Hand betätigbares Ventil 17 mit einer Gasflasche 18 verbunden, die Kohlendioxid enthält. Das Ventil 17 wird durch einen Handhebel 19 betätigt, und ein Überdruck-Sicherheitsventil 20 ist über eine Leitung 21 mit einem Ringraum 22 im Anschlagteil 4 verbunden, der das obere Ende der Düse 3 umgibt.

Wenn im Betrieb die bis zur Höhe 1a gefüllte Flasche 1 in das splittersichere Gehäuse 10 eingeführt und das Griffteil 12 in die Betriebsstellung überführt worden ist, in der die Nockenscheibe 14 die Flasche 1 nach oben

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drückt und so am Anschlagteil 4 abdichtet, wird das Griffteil 19 betätigt und strömt Kohlendioxid aus der Düsen-Öffnung 5 der Düse 3 in einem Gasstrom 6 nach unten. Der Gasstrom 6 erreicht eben gerade den Boden der Flasche 1, bevor er in eine Vielzahl kleiner Bläschen 7 aufbricht, wie dies weiter oben im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits erläutert ist.

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Claims

PATENTANWALT . Dr. rer. nat. DIETER LOUIS Dipl.-Phys. CLAUS POHLAU : ^ Π 1 1 1 Ω fi Dlpl.-Ing. FRANZ LOHRENTZ OUI I IUO Dlpl.-Phys.WOLFGAN© SEGETH KESSLERPLATZ 1 8500 NÜRNBERG 20 THORN SVENSKA AB 20 281/2 60/ko Solna Schweden Patent- (Schutz)- Ansprüche

1.) Verfahren zur Einführung von Gas in eine in einem Behälter angeordnete Flüssigkeit, bei dem das Gas von wenigstens einer Öffnung aus der Flüssigkeit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas von wenigstens einer nach unten gerichteten Düsenöffnung aus eingeführt wird, die in kurzem Abstand unterhalb der Oberfläche der Flüssigkeit liegt, und daß der Druck des Gases, die Größe der Düsenöffnung und der Abstand der Düsenöffnung vom Boden des Behälters derart gewählt sind, daß die Gasströmung von der wenigstens einen Düsenöffnung den Boden des Behälters erreicht und das Gas von diesem in Form einer Vielzahl kleiner, einzelner Gasblasen wieder zur Flüssigkeitsoberfläche zurücksteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung nahe an der Flüssigkeitsoberfläche angeordnet ist, jedoch in einer solchen Tiefe, daß durch das austretende Gas nicht Luft von der Oberfläche der Flüssigkeit her in diese mit hineingerissen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung einen Durchmesser von weniger als 0,4 mm, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,25 bis O,35 mm aufweist.

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdruck im Behälter geringer als 10 bar, vorzugsweise in der Größenordnung von 6 bis 8 bar, ist.

5. Einrichtung zur Einführung eines Gases in eine in einem Behälter eingeschlossene Flüssigkeit, mit einer Abstützung für den Behälter, einer Einrichtung zur Lagerung einer Gasquelle unter Überdruck relativ zur Abstützung, mit einer in den so abgestützten Behälter einführbaren Düse und mit einer durch ein Ventil gesteuerten Verbindung zwischen der Gasquelle und der Düse, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (3) eine nach unten gerichtete Düsenöffnung (5) mit einer solchen Querschnittsfläche und in einer solchen Anordnung im Behälter (i) bezüglich des Abstandes von dessen Boden aufweist, daß der Vorlagedruck des Gasbehälters eine Gasströmung (6) austreten läßt, die den Boden des Behälters erreicht, wo der Gasstrom in eine Vielzahl kleiner, einzelner Blasen (7) aufgeteilt wird, die zur Flüssigkeitsoberfläche zurücksteigen.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnung (5) unmittelbar unterhalb der Oberfläche (la) der Flüssigkeit angeordnet ist, jedoch in einer solchen Tiefe in der Flüssigkeit, daß bei dem Austritt der Gasströmung (6) keine_fLuft in die Flüssigkeit mit hineingerissen wird.

7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Düsenöffnung weniger als 0,4 mm, vorzugsweise etwa 0,25 bis 0,35 mm beträgt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überdruck-Sicherheitsventil (20) zwischen dem Raum (22) oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit im Behälter (i) und der Umgebungsatmosphäre ange-

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ordnet ist, und daß das Überdruck-Sicherheitsventil (20) auf einen Druck von weniger als 10 bar, vorzugsweise zwischen 6 und 8 bar, eingestellt ist.

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