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Verfahren zum Vermischen eines Gases mit einer Flüssigkeit
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und zum Steuern der Menge des mit der FlüssiSkeit zu vermi- -schenden
Gases Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vermischen eines Gases mit einer
Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter, in dem in der Flüssigkeit rotierbare
Blätter vorgesehen sind, und zum Steuern der Menge eines Gases, das mit einer Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsbehälter zu vermischen ist, in dem in der Flüssigkeit rotierbare
Blätter zum Einführen des auf der Oberfläche der Flüssigkeit befindlichen Gases
in die Flüssigkeit und eine Auslaßöffnung zum Ablassen der Mischung aus der Flüssigkeit
und dem Gas vorgesehen sind.
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Anwendungszweck der erfindungsgemäßen Verfahren ist das Vermischen
eines Gases mit einer Flüssigkeit wie einem flüssigen Rohmaterial, aus dem ein Polyurethanharz
hergestellt wird.
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Bei Verfahren zum Verschäumen und Formen von Polyurethanharzen oder
ähnlichen Substanzen ist es bekannt, ein Gas wie trockene Luft oder trockener Stickstoff
mit einem flüssigen Rohmaterial, aus dem Polyurethanharz hergestellt wird, zu vermischen,
um geformte Produkte mit einer gleichmäßigen Zellenstruktur zu erhalten.
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Das Vermischen des Gases mit der Flüssigkeit wird üblicherweise mittels
einer Einstrahldüse durchgeführt, aus der das Gas in die in einem Flüssigkeitsbehälter
enthaltene Flüssigkeit eingeblasen wird. Bei bekannten Mischverfahren, bei denen
das Gas mittels einer Einstrahldüse eingeblasen wird, ist es sehr schwierig, das
Gas vollkommen mit der Flüssigkeit zu vermischen, weil das flüssige Rohmaterial
oder Ausgangsmaterial von hoher Viskosität ist. Aufgrund der hohen Viskosität der
Flüssigkeit entsteht keine Strahl strömung des aus der Einstrahldüse in die Flüssigkeit
eingeblasenen Gases, so daß Schäume gebildet werden, deren Blasendurchmesser zwischen
wenigen Millimetern und etwa 10 mm liegen, ohne daß feine Blasen entstehen.
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Aufgrund ihres hohen Auftriebs bewegen sich großporige Schaumblasen
in der Flüssigkeit nach oben zur Oberfläche der Flüssigkeit hin, wonach sie verschwinden.
Kleinporige Schaumblasen bewegen sich im Kreislauf innerhalb des Flüssigkeitsbehälters.
Das Verschwinden und die Kreislaufbewegung der Schäume führt zu einem unvollkommenen
Vermischen des Gases mit der Flüssigkeit.
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Hierbei ist es möglich, den Schaum bzw. die Schaumblasen innerhalb
des Flüssigkeitsbehälters, z. B. mit einem Mischer oder einer ähnlichen Vorrichtung
in feiner Form zu verteilen.
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Die Wahrscheinlichkeit, daß alle oder fast alle der in der Flüssigkeit
enthaltenen Schaumblasen innerhalb einer kurzen Zeit mit den rotierenden Blättern
oder Schaufeln des Mischers in Berührung kommen und fein zerkleinert werden, ist
jedoch sehr gering. Demgemäß wird eine längere Zeitdauer benötigt, ehe alle Schaumblasen
von den Mischerblättern vollkommen und fein zerteilt worden sind. In alternativer
Weise ist es auch möglich, einen Mischer einzusetzen, dessen Blätter eine hohe Scherwirkung
haben, und diese Blätter mit hoher Geschwindigkeit (z. B. bei einer Drehzahl von
mehr als 100 U/min) umlaufen zu lassen, damit die Wirksamkeit der Zerkleinerung
erhöht wird. Im allgemeinen läßt sich jedoch mit einem Mischer dieser Art, dessen
Blätter eine hohe Scherwirkung aufweisen, kein gleichmäßiges und wirksames Umrühren
der gesamten Flüssigkeit im Flüssigkeitsbehälter erwarten. Dieser Nachteil macht
sich besonders beim Umlaufen des Mischers mit hoher Geschwindigkeit bemerkbar.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgemäß, ein Verfahren zum wirksamen
Vermischen eines Gases mit einer Flüssigkeit in einem Flüssigkeitsbehälter vorzusehen,
bei dem außerdem die Menge des mit der Flüssigkeit zu vermischenden Gases, d. h.,
die Menge des in der Mischung aus dem Gas und der Flüssigkeit enthaltenen Gases,
auf einfache und zuverlässige Weise steuerbar ist und das Vermischen des Gases mit
der Flüssigkeit
mit einer einfachen Anordnung durchführbar ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Patentansprüchen.
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Zur Lösung der Aufgabe wird einerseits ein Verfahren zum Vermischen
eines Gases mit einer Flüssigkeit in einem Flüssig--keitsbehälter, der in der Flüssigkeit
rotierbare Blätter aufweist, vorgesehen, bei dem durch ein Rotieren der rotierbaren
Blätter, das eine wirbelnde Bewegung in der Flüssigkeit verursacht, ein Strudel,
Wirbel oder Wirbelkern in der Flüssigkeit erzeugt wird, so daß aufgrund der wirbelnden
Bewegung der Flüssigkeit das Gas in die Flüssigkeit eingeführt wird, und andererseits
ein Verfahren zum Steuern der Menge eines Gases vorgesehen, das mit einer Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsbehälter zu vermischen ist, der in der Flüssigkeit rotierbare
Blätter zum Einführen des Gases auf der Oberfläche der Flüssigkeit in die Flüssigkeit
und eine Auslaßöffnung zum Ablassen der Mischung aus dem Gas und der Flüssigkeit
aufweist, bei dem zum Steuern der Menge des mit der Flüssigkeit zu vermischenden
Gases die Rotation der Blätter gesteuert wird.
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Bei den in dem Flüssigkeitsbehälter vorgesehenen rotierbaren Blättern
kann es sich um Rührerblätter, Schaufelblätter, Turbinenblätter,
Propellerblätter
oder dgl. handeln.
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Anhand der Figuren wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise im Senkrechtquerschnitt dargestellte Mis-chvorrichtung zur
Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 2 eine Perspektivansicht einer
Ausführungsform der bei der Erfindung verwendbaren rotierbaren Blätter; Fig. 3 eine
Darstellung des Flüssigkeitsbehälters einer Mischvorrichtung zur Erläuterung des
Einführens und des Vermischens des Gases mit der Flüssigkeit bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren; Fig. 4 eine Darstellung der Änderung der von der Rotation der rotierbaren
Blätter im Flüssigkeitsbehälter abhängigen Menge des mit der Flüssigkeit vermischten
Gases mit zunehmender Tiefe in der Flüssigkeit
Fig. 5 eine graphische
Darstellung der Beziehung zwischen der Drehzahl der rotierenden Blätter und dem
Anteil des Gases in der Mischung aus Gas und Flüssigkeit; Fig. 6 eine gegenüber
der Fig. 5 vergrößerte Darstellung des in der Fig. 5 mit einem Pfeil 6 bezeichneten
Teil des Kurvenverlaufes, wenn an der in der Fig. 6 mit einem Pfeil bezeichneten
Stelle die Drehzahl der Blätter verringert wird, und Fig. 7 eine Darstellung des
in der Fig. 5 mit einem Pfeil 7 bezeichneten Teil des Kurvenverlaufes, wenn der
Anteil des Gases in der Mischung bei annähernd 20 % gehalten wird.
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In der Fig. 1 enthält ein Flüssigkeitsbehälter 10 eine Flüssigkeit
L, die z. B. aus einem Rohmaterial zur Herstellung eines Polyurethanharzes besteht.
Der Flüssigkeitsbehälter 10 ist mit einer Endplatte 11 abgedichtet verschließbar.
Die Flüssigkeit L wird mittels eines mit dem Flüssigkeitsbehälter 10 verbundenen
Einlaßstutzens 12 in den Flüssigkeitsbehälter 10 eingeführt. Es befindet sich ein
Gas auf und oberhalb der
Oberfläche der Flüssigkeit L im Flüssigkeitsbehälter
10. Eine Mischung aus dem Gas und der Flüssigkeit L, d. h. die Flüssigkeit L, die
das Gas in Mischung enthält, wird über einen Auslaßstutzen 13 ausgetragen, z. B.
in eine (nicht dargestellte) Formmaschine. Die Menge der aus dem Auslaßstutzen 13
auszutragenden Mischung wird von einem im Auslaßstutzen 13 vorgesehenen Lieferventil
14 gesteuert.
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Auf dem Flüssigkeitsbehälter 10 ist ein Antriebsmotor 25 vorgesehen,
der mit einer Drehwelle 21 verbunden ist und diese in Umdrehung versetzt. Mit der
Drehwelle 21 sind Blätter 20 verbunden, die von der Drehwelle 21 in der Flussigkeit
L in Umlauf oder Rotation versetzbar sind. Mit einer Detektor-oder Meßeinrichtung
30 wird das Mengenverhältnis oder der Anteil des Gases in der Mischung am oder in
der Nähe des Auslaßstutzens 13 bestimmt.
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Bei der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform eines Rührers
sind die Blätter 20 als Propellerblätter 20A ausgebildet. Die Blätter 20 sind jedoch
nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern können auch die Form von Turbinenschaufeln
oder eine ähnliche aufweisen. Mit dem Antriebsmotor 25 lassen sich die Propellerblätter
20A in Richtung nach rechts R oder nach links L, d. h. in Uhrzeigerrichtung
oder
dazu entgegengesetzt, in Umlauf versetzen. Wenn die Blätter 20A innerhalb der Flüssigkeit
L rotieren, findet eine wirbelnde Bewegung der Flüssigkeit L statt, so daß in der
Flüssigkeit L ein Strudel, Wirbel oder Wirbelkern entsteht.
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Wenn die Blätter 20 oder 20A in der einen oder der anderen Richtung
rotieren, um in der Flüssigkeit L im Flüssigkeitsbehälter 10 einen Strudel, Wirbel
oder Wirbelkern zu erzeugen, läßt sich aufgrund des Vorhandenseins des Strudels,
Wirbels oder Wirbelkerns das Gas, z. B. trockene Luft, in die Flüssigkeit L einführen.
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Der Figur 3, in der dargestellt ist, wie das Gas in die Flüssigkeit
L eingeführt und mit dieser vermischt werden kann, ist entnehmbar, daß beim Rotieren
der Blätter 20 im Flüssigkeitsbehälter 10 eine wirbelnde Bewegung der Flüssigkeit
L entsteht, wie sie mittels der Pfeile dargestellt ist, so daß ein Strudel oder
Wirbel V (von dem mehrere vorhanden sein können) mit einem versenkten mittleren
Teil oder Wirbelkern O erzeugt wird.
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Der Strudel oder Wirbel V weist einen wirbelnden Umfangsteil D auf,
der sich in der Weise in Richtung zum mittleren Teil oder Wirbelkern 0 hin bewegt
und in diesen hineingezogen wird,
daß eine deutliche Trennschicht
B zwischen dem die Drehwelle 21 umgebenden mittleren Teil oder Wirbelkern 0 und
dem Umfangsteil D entsteht.
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Das an der Flüssigkeitsoberfläche befindliche Gas wird entlang der
Trennschicht B in die Flüssigkeit L eingeführt.
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Das Gas wird durch die Trennschicht B in Form eines extrem dünnen
Fadens oder einer Linie in die Flüssigkeit L eingeführt, so daß das Gas demgemäß
keinen großporigen Schaum bilden kann, wie er andernfalls in der Flüssigkeit L entstehen
würde.
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In zusätzlicher Weise kommt das vom Strudel oder Wirbel V in die Flüssigkeit
L eingeführte Gas aufgrund der turbulenten Strömung des Strudels oder Wirbels V
und der hohen Geschwindigkeit der Strömung in der Nähe des mittleren Teils oder
Wirbelkerns O in Berührung mit den rotierenden Propellerblättern 20A. Das eingeführte
Gas wird somit von den Propellerblättern 20A fein zerteilt.
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Die Figur 5 zeigt eine experimentell ermittelte Beziehung zwischen
der Menge eines Gases (in diesem Fall Luft), das in einer Mischung aus dem Gas und
einer Flüssigkeit L enthalten ist, d. h. den prozentuellen Anteil des Volumens des
Gases an dem Gesamtvolumen der Mischung, und der Zeit bei verschiedenen
Drehzahlen
N der Blätter 20. Wie aus der Fig. 5 hervorgeht, erhöht sich die Menge des mit der
Flüssigkeit L mischbaren Gases mit größer werdender Drehzahl N der Blätter 20.
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Der Figur 5 ist auch entnehmbar, daß die Menge des mit der Flüssigkeit
L vermischbaren Gases, d. h. der Sättigungswert des Anteils des Gases in der Mischung,
der Drehzahl N der Blätter 20 annähernd proportional ist. Die Zeitdauer, innerhalb
der der Gasanteil in der Mischung den Sättigungswert erreicht, nimmt mit steigender
Drehzahl N der Blätter 20 ab.
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Es ist zu beachten, daß bei einer Drehzahl N der Blätter 20 von 100
oder 200 U/min ein Anteil des Gases in der Mischung von mehr als 5 Vol.-% nicht
erzielbar war. Der Grund hierfür liegt darin, daß bei kleinen Drehzahlen N der Blätter
20 (z. B. 100 oder 200 Ulmin) auch bei einer von den Blättern 20 erzeugten wirbelnden
Bewegung der Flüssigkeit L keine Trennschicht B zwischen dem mittleren Teil oder
Wirbelkern 0 und dem Umfangsteil D des Strudels oder Wirbels V entsteht. Bei einem
Fehlen der Trennschicht B wird kein Gas in die Flüssigkeit L eingeführt.
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Wie aus den vorstehenden Erläuterungen hervorgeht, wird erfindungsgemäß
bei einer Rotation der Blätter 20 im Flüssigkeitsbehälter 10, die einen Strudel
oder Wirbel V mit einer Trennschicht B in der Flüssigkeit L hervorruft und somit
das Gas an der Flüssigkeitsoberfläche in der Flüssigkeit L einführt, das einzuführende
Gas in die Form feiner Gasbläschen gebracht.
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In zusätzlicher Weise wird erfindungsgemäß die Menge des mit der Flüssigkeit
L zu vermischenden Gases, d. h. der Anteil des Gases in der Mischung oder der Flüssigkeit
L, auf einfache Weise durch die Rotation der Blätter 20 gesteuert. Diese Merkmale,
d. h. die Bildung feiner Gasbläschen und die einfache Steuerung des Mischungsverhältnisses
von Gas zu Flüssigkeit waren im Stand der Technik nicht zu erwarten.
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Erfindungsgemäß läßt sich das Mischungsverhältnis von Gas zu Flüssigkeit
auf einfache Weise durch Steuern der Drehzahl N oder der Drehrichtung der Blätter
20 steuern. Wie der Fig. 5 entnehmbar ist, betrug der Anteil des Gases in der Mischung
fast 30 96 bei fortgesetzter Rotation der Blätter 20 bei einer Drehzahl von 300
U/min. Wenn die Drehzahl N auf 190 U/min verringert wurde, nahm der Anteil des Gases
in der Mischung innerhalb einer kurzen Zeitspanne (15 bis 20 Minuten) um 5 96 ab.
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Das Gas b (Fig. 3) ist in der Flüssigkeit L nicht gleichmäßig verteilt,
wie der Fig. 4 entnehmbar ist. Bei der Verteilung des Gases b in der Flüssigkeit
L, wie sie durch quadratische Kurven in der Fig. 4 dargestellt ist, weist der an
der Flüssigkeitsoberfläche liegende Teil der Flüssigkeit L aufgrund des Auftriebs
der Gasbläschen einen höheren Anteil an Gas b auf.
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Die Verteilung des Gases b ändert sich aufgrund der wirbelnden Bewegung
der Flüssigkeit L, wenn die Blätter 20 in der Flüssigkeit L rotieren. In der Fig.
4 bezieht sich die mit durchgezogener Linie dargestellte Kurve auf eine kleine Drehzahl
(z. B. unterhalb von 100 U/min) und die gestrichelt dargestellte Kurve auf eine
hohe Drehzahl (z. B. 300 U/min).
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Im Falle der Verwendung von Propellerblättern 20A ist es auch möglich,
die Menge des mit der Flüssigkeit L zu vermischenden Gases B durch Steuern der Umlaufrichtung
der Rotation der Blätter 20A zu steuern. Eine Anderung der Umlaufrichtung der Blätter
20A verursacht eine Änderung der Richtung der wirbelnden Bewegung der Flüssigkeit
L, was zu einer Änderung der Verteilung des Gases b führt.
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Es ist hierbei zu verstehen, daß eine Korrelation zwischen der Drehzahl
N-der Blätter 20 und der Verteilung des Gases b in der Flüssigkeit L besteht, die
von der Tiefe in der Flüssigkeit L abhängt. Demgemäß läßt sich die Menge des mit
der Flüssigkeit L vermischten Gases b oder die Mischung am Auslaßstutzen 13 durch
Steuern der Rotation der Blätter 20 genau steuern.
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In der Fig. 7 ist ein Beispiel einer Steuerung der Menge des in die
Mischung eingemischten Gases dargestellt. Zuerst wird durch Rotieren der Blätter
20 mit einer Drehzahl N von etwa 350 U/min eine Mischung erhalten, in der das Gas
b in einem Anteil von 20 Vol.-% enthalten ist, wonach der Gasanteil von 20 96 durch
abwechselndes oder alternierendes Rotieren der Blätter 20 bei Drehzahlen N von 90
U/min und 200 U/min aufrecht erhalten wird, so daß sich der Gasanteil entlang der
20 %Linie einregelt oder einpendelt. Während des Einregelns oder Einpendelns kann
der Anteil weitgehend bei 20 96 gehalten werden.
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Das Steuern des Gasmischungsverhältnisses kann automatisch mit einer
Rückkopplungsregelung durchgeführt werden, die auf Detektorsignale aus der Detektor-
oder Meßeinrichtung 30 anspricht, welche die Menge des in der Mischung enthaltenen
Gases
b feststellt oder erfaßt und die Detektorsignale an ein Steuergerät 31 übermittelt.
Das Steuergerät 31 regelt die Drehzahl N und die Umlauf- oder Rotationsrichtung
des Antriebsmotors 25 und somit die Rotation der Blätter 20.
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Wie aus den vorstehenden Erläuterungen hervorgeht, läßt sich erfindungsgemäß
das Gas an der Oberfläche der Flüssigkeit L durch einfaches Rotieren der Blätter
20 wirksam und leicht in die Flüssigkeit L einführen und innig mit dieser vermischen.
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In zusätzlicher Weise läßt sich das Mischungsverhältnis oder das Sättigungsmischungsverhältnis
durch Steuern der Rotation der rotierbaren Blätter 20 regeln.
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