DE3853845T2

DE3853845T2 - Vortex ring mixer.

Info

Publication number: DE3853845T2
Application number: DE3853845T
Authority: DE
Inventors: Brian Latto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-20
Filing date: 1988-03-18
Publication date: 1996-02-22
Anticipated expiration: 2008-03-19
Also published as: DE3853845D1; ATE122924T1; CA1314041C; EP0283307A2; EP0283307A3; EP0283307B1

Abstract

The invention discloses mixing equipment including a plate (3) having an orifice (7), and means for producing reciprocating relative motion between the orifice plate and the fluid at right angles to the orifice plate, to generate a ring vortex through the orifice, the orifice plate and orifice being positioned such that the ring vortex is projected into the fluid to be mixed.

Description

Background of the invention

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Ausrüstung zum Mischen von Fluiden. Die Erfindung ist besonders nützlich, zum Beispiel zur Mischung von geschichteten Fluidmassen, und dazu, homogene Suspensionen von fest-flüssigen Suspensionen oder fest-flüssigen Schlänimen beizubehalten.This invention relates to equipment for mixing fluids. The invention is particularly useful, for example, for mixing layered fluid masses and for maintaining homogeneous suspensions of solid-liquid suspensions or solid-liquid slurries.

Stand der Technik sind zahlreiche Apparaturen, die die oszillierende Bewegung einer Platte oder Platten von konischer oder anderer Geometrie nutzen, um entweder Fluide zu mischen oder als Fluiddiode zu arbeiten und ein Fluid zu bewegen oder in eine bestimmte Richtung zu pumpen. Weiterhin wurde eine extrem große Anzahl von rotierenden oder oszillierenden Schaufelsystemen zum Zwecke des Mischens entwickelt. Es wurde vorgeschlagen, daß die Fortschreitung von Wirbelringen benutzt werden kann, um den Eindringeffekt von Schornsteinemissionen zu verstärken, um eine bessere Dispersion der Schornsteinemission zu erzielen. Auch Apparate, die Ultraschall oder hochfrequente Schwingungen anwenden, wurden benutzt, um ein lokales Vermischen zu erzeugen. Jedoch wurde kein Apparat gemäß dem Stand der Technik speziell dafür konstruiert, einen ringförrnigen oder geradlinigen Wirbel zum Zwecke des effizienten Mischens von Fluiden zu erzeugen.Numerous devices are known in the art that use the oscillating motion of a plate or plates of conical or other geometry to either mix fluids or to act as a fluid diode and move or pump a fluid in a particular direction. Furthermore, an extremely large number of rotating or oscillating blade systems have been developed for the purpose of mixing. It has been suggested that the progression of vortex rings can be used to enhance the penetration effect of stack emissions to achieve better dispersion of stack emissions. Devices using ultrasound or high frequency vibrations have also been used to create local mixing. However, no prior art device has been specifically designed to create an annular or linear vortex for the purpose of efficiently mixing fluids.

Die relativ hochfrequenten Apparate verteilen die Mehrheit der Eingangsenergie als Wärme, die von der lokalisierten Turbulenz erzeugt wird, während die vorliegende Erfindung relativ viel energieeffizienter beim Bewegen und Mischen von relativ großen Fluidvolumen und zudem relativ unempfindlich gegenüber der Fluidviskosität im Vergleich zu den meisten anderen Apparaten ist.The relatively high frequency devices dissipate the majority of the input energy as heat generated by the localized turbulence, while the present invention is relatively much more energy efficient in moving and mixing relatively large volumes of fluid and is also relatively insensitive to fluid viscosity compared to most other devices.

Im Gegensatz zu der Mehrheit der Mischapparate, die ins Arbeitsoder Mischvolumen eindringen oder direkten Zugang zum Misohbereich verlangen, kann dieser Apparat, ohne in den Arbeitsbereich einzudringen, funktionieren.In contrast to the majority of mixing devices that penetrate into the working or mixing volume or provide direct access to the mixing area require, this device can function without intruding into the work area.

Summary of the invention

Es ist ein Ziel der Erfindung, eine verbesserte Mischausrüstung bereitzustellen.It is an object of the invention to provide an improved mixing equipment.

Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird daher ein Wirbelringmischer, wie im Anspruch 1 ausgeführt, vorgestellt.According to one aspect of the present invention, a vortex ring mixer as set out in claim 1 is therefore presented.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verf ahren zum Mischen von Fluiden vorgeschlagen, wie im Anspruch 11 ausgeführt.According to another aspect of the present invention, a method of mixing fluids is proposed as set out in claim 11.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kommuniziert eine Impulskammer über eine Öffnung mit einer Kammer, die das zu mischende Fluid beinhaltet.According to one embodiment of the invention, a pulse chamber communicates via an opening with a chamber containing the fluid to be mixed.

Es sind Mittel vorgesehen, um abwechselnd das Volumen der Impulskammer zu vergrößern und das Volumen der Impulskammer schnell zu verkleinern, um dabei einen Fluidimpuls schnell durch die Öffnung zu pressen und damit einen durch das zu mischende Fluid fortschreitetenden Ringwirbel zu erzeugen, um somit das Fluid zu mischen.Means are provided for alternately increasing the volume of the impulse chamber and rapidly reducing the volume of the impulse chamber in order to rapidly force a fluid pulse through the opening and thereby generate an annular vortex propagating through the fluid to be mixed in order to thus mix the fluid.

Gemaß einer anderen Ausführungsform der Erfindung bewegt sich die Öffnungsplatte im rechten Winkel zur Ebene der Öffnungsplatte im Behälter hin und her, der das zu mischende Fluid beinhaltet.According to another embodiment of the invention, the orifice plate moves back and forth at right angles to the plane of the orifice plate in the container containing the fluid to be mixed.

Die Erfindung umfaßt eine Palette von Mischeinheiten, deren primärer Mechanismus ein pulsierender Ausstoß von Fluiden durch eine Öffnung oder eine Düse ist. Die Impulsfrequenz, das Fluidvolumen, das pro Impuls ausgestoßen wird, Öffnungsgröße und Geometrie und die Nähe der Öffnungen zu anderen Öffnungen und/oder Wänden sind alle bedeutsam für den effizienten Betrieb des Mischers.The invention encompasses a range of mixing units whose primary mechanism is a pulsating ejection of fluids through an orifice or nozzle. The pulse frequency, the volume of fluid ejected per pulse, orifice size and geometry, and the proximity of the orifices to other orifices and/or walls are all important to the efficient operation of the mixer.

In erster Linie bezieht sich die Erfindung auf eine Ausrüstung zum effizienten Mischen und die Beibehaltung von uniformen oder homogenen Verteilungen von Fluiden oder fest-flüssigen Suspensionen. Der primäre Mechanismus ist die impulsive Bewegung einer Fluidmasse oder flüssig-festen Mischung von einem Ort in nächster Nähe zu (einer) Öffnung(en) im Mischer in den Hauptteil des Fluides. Der Mechanismus dieses Vorgangs ist die Erzeugung eines Ringwirbels an der/den Öffnung(en) im Apparat. Die Bewegung des Wirbels ist so, daß die Relativgeschwindigkeit des Fluides im Ringwirbel gegenüber dem Fluid, durch das es wandert, sehr klein ist und daher Viskositätseffekte sehr klein sind. Folglich ist die Energieverteilung durch Viskositätskräfte und Turbulenz relativ klein, besonders im Vergleich zu konventionellen Mischvorgängen, wie Mischern mit propellerartigen Schaufelrädern oder Kreislaufpumpsystemen. Eine weitere Konsequenz der kleinen Geschwindigkeitsdifferenz oder Scherrate zwischen Ringwirbel und der Grenzfläche des Umgebungsfluides ist, daß dieses Verfahren für das Mischen von zähen Fluiden, wie Schlämmen, nicht newtonschen Fluiden und ziemlich hochviskosen Fluiden benutzt werden kann.Primarily, the invention relates to equipment for efficiently mixing and maintaining uniform or homogeneous distributions of fluids or solid-liquid suspensions. The primary mechanism is the impulsive movement of a mass of fluid or liquid-solid mixture from a location in close proximity to an orifice(s) in the mixer into the bulk of the fluid. The mechanism of this process is the creation of an annular vortex at the orifice(s) in the apparatus. The movement of the vortex is such that the relative velocity of the fluid in the annular vortex to the fluid through which it travels is very small and therefore viscosity effects are very small. Consequently, the energy dissipation due to viscosity forces and turbulence is relatively small, especially compared to conventional mixing processes such as mixers with propeller-type impellers or circulation pumping systems. A further consequence of the small velocity difference or shear rate between the ring vortex and the interface of the surrounding fluid is that this process can be used for mixing viscous fluids such as slurries, non-Newtonian fluids and fairly high viscosity fluids.

Das primäre Ziel von Mischern oder Mischvorgängen ist es die Fluide zu mischen oder zu verteilen, so daß eine gleichmäßige Verteilung der Fluide oder suspendierter Feststoffe mit dem geringsten Energieverbrauch erreicht wird.The primary objective of mixers or mixing processes is to mix or distribute the fluids so that a uniform distribution of the fluids or suspended solids is achieved with the least energy consumption.

Die Ausrüstung der vorliegenden Erfindung benutzt das Prinzip des Materialtransports vom Ort der Mischerblende in einer Richtung senkrecht zur Ebene oder Öffnung in den Hauptteil des Fluides. Daher wird der primäre Zweck von Mischvorgängen durch die Verteilung von Fluid in einem Kessel erreicht, und dabei wird zudem eine zirkulierende Bewegung im Hauptteil des Fluides erzeugt, die wiederum eine homogene Dispersion des Fluides erzeugt. Weiterhin tritt ein gewisses Vermischen im Fluid hinter dem Wirbelring auf.The equipment of the present invention utilizes the principle of transporting material from the location of the mixer orifice in a direction perpendicular to the plane or aperture into the bulk of the fluid. Therefore, the primary purpose of mixing operations is achieved by distributing fluid in a vessel, and in doing so, also creates a circulating motion in the bulk of the fluid, which in turn creates a homogeneous dispersion of the fluid. Furthermore, some mixing occurs in the fluid behind the vortex ring.

Dies liegt in der Tatsache begründet, daß umgebendes Fluid stetig hinter dem Ring angesaugt wird. Das angesaugte Fluid wird dann mit dem Fluid im Ring vermischt. Die Mehrheit des angesaugten Fluides wird stetig vom Ring nach dem Mischen dispergiert und verliert sich dann aus dem Ring in das umgebende Fluid. Dies hat eine Verdünnung des Fluides in dem Ring zur Folge und produziert zugleich eine gewisse Mischung im Nachstrom des Ringes während seiner Wanderung durch das umgebende Fluid.This is due to the fact that surrounding fluid is constantly sucked in behind the ring. The sucked in fluid is then mixed with the fluid in the ring. The majority of the fluid drawn in is steadily dispersed by the ring after mixing and then lost from the ring into the surrounding fluid. This results in a dilution of the fluid in the ring and at the same time produces some mixing in the wake of the ring as it travels through the surrounding fluid.

Im Studium der Verhaltenscharakteristik dieser Wirbelmischer wurden verschiedene Öffnungsformen und Verlängerungsrohre sowie die Pulsierungsmechanismen und die Impulsform geprüft. Es wurde gefunden, daß, obwohl die Form der Lippe der Öffnung nicht zu bedeutend ist, die beste Form ein kreisförmiges Loch mit einer scharfen Kante ist. Auch eine röhrenartige Düse produziert vernünftige Ringwirbel. Des weiteren hat ein Verlängerungsrohr eine nicht zu kritische Wirkung auf den Wirkungsgrad der Wirbelerzeugung. Verschiedene Antriebsmechanismen wie Rätschen, Nocken, Druckluftzylinder, Elektromotoren, elektromagnetische oder elektrische Apparate wurden erforscht und studiert, und deren Durchführbarkeit hangt zu einem hohen Grade von der Anwendung der Einheit und der Verfügbarkeit der jeweiligen Energieversorgung und Umweltbedingungen ab, wie pneumatisch für explosionsgefährdete Umgebung und der Art von Energie, die verfügbar ist. Weitere Merkmale der Erfindung werden beschrieben oder werden offenkundig im Verlauf der folgenden detaillierten Beschreibung.In studying the performance characteristics of these vortex mixers, various orifice shapes and extension tubes were examined, as well as the pulsation mechanisms and pulse shape. It was found that although the shape of the lip of the orifice is not too important, the best shape is a circular hole with a sharp edge. A tubular nozzle also produces reasonable ring vortices. Furthermore, an extension tube has a not too critical effect on the efficiency of vortex generation. Various drive mechanisms such as ratchets, cams, pneumatic cylinders, electric motors, electromagnetic or electric devices were researched and studied, and their feasibility depends to a large extent on the application of the unit and the availability of the particular power supply and environmental conditions such as pneumatic for explosive atmosphere and the type of power available. Further features of the invention are described or will become apparent in the course of the following detailed description.

Short description of the drawings

Damit die Erfindung klarer verstanden werden kann, wird ihre bevorzugte Ausführungsform jetzt im Detail am Beispiel mit Verweis auf beiliegende Zeichnungen beschrieben, worinIn order that the invention may be more clearly understood, its preferred embodiment will now be described in detail by way of example with reference to the accompanying drawings, in which

Fig. 1 die Darstellung von verschiedenen Wirbelringerzeugerkonfigurationen ist;Fig. 1 is an illustration of various vortex ring generator configurations;

Fig. 1a die Darstellung eines Blendenwirbelringerzeugers ist;Fig. 1a is a representation of an aperture vortex ring generator;

Fig. 1b die Darstellung eines Wirbelringerzeugers vom Membranund Kolbentyp ist;Fig. 1b is a representation of a vortex ring generator of the diaphragm and piston type;

Fig. 2 das schematische Diagramm eines pneumatisch angetriebenen Zweilochblendenwirbelringerzeugers ist;Fig. 2 is a schematic diagram of a pneumatically driven two-hole orifice vortex ring generator;

Fig. 3a eine Schnittansicht eines membranangetriebenen Wirbelringerzeugers ist;Fig. 3a is a sectional view of a diaphragm driven vortex ring generator;

Fig. 3b eine Schnittansicht eines kolbenbetriebenen Wirbelringerzeugers ist;Fig. 3b is a sectional view of a piston-driven vortex ring generator;

Fig. 4a eine Illustration eines "T"-Endstückes für die doppelte Wirbelringproduktion ist;Fig. 4a is an illustration of a "T" end piece for double vortex ring production;

Fig. 4b die Illustration eines 45º-Winkelendstückes ist;Fig. 4b is an illustration of a 45º angle end piece;

Fig. 4c die Illustration eines rechtwinkligen Endstückes für die Positionierung des Mischers über dem Flüssigkeitsspiegel ist;Fig. 4c is an illustration of a right-angled end piece for positioning the mixer above the liquid level;

Fig. 4d die Illustration eines anderen rechtwinkligen Endstückes ist;Fig. 4d is an illustration of another rectangular end piece ;

Fig. 5 die Vorderansicht einer tragbaren Einheit ist;Fig. 5 is a front view of a portable unit;

Fig. 6 die Draufsicht der tragbaren Einheit von Fig. 5 ist;Fig. 6 is a plan view of the portable unit of Fig. 5;

Fig. 7 die Vorderansicht, die eine umgekehrte Installation der tragbaren Einheit zeigt, ist;Fig. 7 is the front view showing an inverted installation of the portable unit;

Fig. 8 die Vorderansicht einer Schwimmversion der tragbaren Einheit ist;Fig. 8 is a front view of a floating version of the portable unit;

Fig. 9 die Vorderansicht einer alternativen tragbaren Einheit ist;Fig. 9 is a front view of an alternative portable unit ;

Fig. 10 die Vorderansicht einer umgekehrten tragbaren Installation der alternativen Einheit ist;Fig. 10 is a front view of an inverted portable installation of the alternative unit;

Fig. 11 die Vorderansicht einer Schwimmversion der alternativen tragbaren Einheit ist;Fig. 11 is a front view of a floating version of the alternative portable unit;

Fig. 12a die Vorderansicht einer weiteren tragbaren Einheit ist;Fig. 12a is a front view of another portable unit;

Fig. 12b die Draufsicht der tragbaren Einheit von Fig. 12a ist; undFig. 12b is a plan view of the portable unit of Fig. 12a; and

Fig. 13 ein typisches Schaubild der Konzentration über Tiefe eines Kalkschlammes von nominell 22 Gewichtsprozenten ist.Fig. 13 is a typical concentration versus depth plot of a lime mud of nominally 22% by weight.

Detailed description of the preferred embodiments

Mit Bezug auf Fig. 1a und 1b wird das Prinzip der Erfindung kurz beschrieben. Eine Blende 3 ist zu sehen, die die Öffnung oder das Blendenloch 7 hat. Die Blende 3 befindet sich neben oder im zu mischenden Fluid 25 (der Behälter des Fluides ist nicht abgebildet). Um den erwünschten Ringwirbel 1 im zu mischenden Fluid zu erzeugen, wird die Öffnung 7 relativ langsam zum Fluid 25 hin bewegt, und dann schnell weg vom Fluid 25, wie in Fig 1 gezeigt. Alternativ, wie in den Fig. 1a und 1b gezeigt, wird eine Membran oder ein Kolben 2 in einer zyklischen nicht uniformen Bewegung bewegt, um Fluid durch die stationäre Öffnung 7 in das zu mischende Fluid 25 zu pressen. Der Ansaughub des Kolbens, das heißt die Bewegung weg vom Fluid 25, ist relativ langsam. Der Ausstoßhub ist sehr schnell. Der Bewegungsablauf der Blende, der Membran oder des Kolbens ist sehr wichtig für die effiziente Erzeugung von Ringwirbeln. Es gibt einen optimalen Wert für das Verhältnis des äquivalenten Hubs "L" zum Blendendurchmesser "D" für den effizientesten Volumen- oder Fluidtransport. Die Entfernung, die ein Ring fortschreitet, und seine Geschwindigkeit werden von der Bewegungsgeschwindigkeit der Blende, der Membran oder des Kolbens bestimmt. Alternative Ausführungsformen der Erfindung sind in Fig. 2 und 3 gezeigt. Fig. 2 zeigt einen Apparat mit oszillierender Blende entsprechend dem Prinzip, das in Fig. 1 beschrieben ist, während Fig. 3 einen Apparat zeigt, der eine Membran oder einen Kolben verwendet, entsprechend dem in den Fig. 1a und 1b beschriebenen Prinzip.With reference to Fig. 1a and 1b, the principle of the invention is briefly described. An orifice 3 can be seen having the opening or orifice hole 7. The orifice 3 is located next to or in the fluid 25 to be mixed (the container of the fluid is not shown). To create the desired annular vortex 1 in the fluid to be mixed, the opening 7 is moved relatively slowly towards the fluid 25 and then quickly away from the fluid 25, as shown in Fig. 1. Alternatively, as shown in Fig. 1a and 1b, a diaphragm or piston 2 is moved in a cyclic non-uniform motion to force fluid through the stationary opening 7 into the fluid 25 to be mixed. The suction stroke of the piston, i.e. the movement away from the fluid 25, is relatively slow. The discharge stroke is very fast. The motion sequence of the orifice, membrane or piston is very important for the efficient generation of ring vortices. There is an optimum value for the ratio of the equivalent stroke "L" to the orifice diameter "D" for the most efficient volume or fluid transport. The distance a ring advances and its speed are determined by the speed of motion of the orifice, membrane or piston. Alternative embodiments of the invention are shown in Figs. 2 and 3. Fig. 2 shows an oscillating orifice apparatus according to the principle described in Fig. 1, while Fig. 3 shows an apparatus using a membrane or piston according to the principle described in Figs. 1a and 1b.

In Fig. 2 wird die Blende 3 rück- und vorwärts bewegt durch Benutzung der Stangen 4, welche vom Antrieb 5 angetrieben werden, die Nocken oder pneumatische Kolben sein können. Die Blende 3 wird langsam in einer Richtung, senkrecht zu ihrer Oberfläche und zum Fluid 25 hin, bewegt. Diese Bewegung drückt die Federn 6 zusammen. Die Blendenantriebe geben dann die Blende frei, und die Federn kehren schnell die Bewegungsrichtung der Blende um. Ein Ringwirbel wird dann an jeder der Öffnungen 7 erzeugt, welche in der umgekehrten Richtung zur Bewegung der Blende 3 fortschreiten. Fluid 25, auf beiden Seiten der Blende 3, nahe den Öffnungen 7, wird in die Wirbel 1, die erzeugt werden, gezogen. Die Wirbel 1 verlassen dann die Öffnungen 7 mit einer geradlinigen Geschwindigkeit, die von der Bewegung und Geschwindigkeit der Öffnungen 7 abhängt. Die Größe und somit das Volumen des Wirbels und daher die Menge des Fluides, die transportiert wird, ist eine Funktion des Hubs der Bewegung der Blende 3.In Fig. 2, the shutter 3 is moved back and forth by using the rods 4, which are driven by the drive 5 which may be cams or pneumatic pistons. The orifice 3 is slowly moved in a direction perpendicular to its surface and towards the fluid 25. This movement compresses the springs 6. The orifice actuators then release the orifice and the springs quickly reverse the direction of movement of the orifice. An annular vortex is then created at each of the orifices 7 which propagate in the opposite direction to the movement of the orifice 3. Fluid 25, on either side of the orifice 3, near the orifices 7, is drawn into the vortices 1 which are created. The vortices 1 then leave the orifices 7 at a rectilinear velocity which depends on the movement and speed of the orifices 7. The size and hence the volume of the vortex and hence the amount of fluid transported is a function of the stroke of movement of the orifice 3.

Eine alternative Ausführungsform ist in Fig. 3a und 3b gezeigt. Ein Primärantrieb 8 zieht die Stange 9, die wiederum einen Antrieb in Form einer Membran 10 (Fig. 3a) oder eines Kolbens 11 (Fig. 3b) weg von der Blende oder Öffnung 7 zieht. Die Rückholfeder 12 wird während des Vorgangs zusammengedrückt. Die Stange 9 wird dann plötzlich losgelassen, und die Feder 12 drückt die Membran 10 oder den Kolben 11 schnell in die Primärkammer 13. Diese Bewegung drückt das Fluid in der Primmärkammer 13 durch die Öffnung 7 und erzeugt einen Ringwirbel l, der in das Fluid 25 fortschreitet. Die Rückstellgeschwindigkeit und der Hub des Antriebes bestimmen die Fortschreit-Geschwindigkeit und das Volumen des Wirbels 1.An alternative embodiment is shown in Fig. 3a and 3b. A primary drive 8 pulls the rod 9, which in turn pulls an actuator in the form of a diaphragm 10 (Fig. 3a) or a piston 11 (Fig. 3b) away from the orifice or aperture 7. The return spring 12 is compressed during the process. The rod 9 is then suddenly released and the spring 12 rapidly pushes the diaphragm 10 or piston 11 into the primary chamber 13. This movement pushes the fluid in the primary chamber 13 through the aperture 7 and creates an annular vortex 1 which propagates into the fluid 25. The return speed and stroke of the actuator determine the propagation speed and volume of the vortex 1.

Die Form und der Hub der Bewegung der Blende 3, der Membran 10 oder des Kolbens 11 sind insofern sehr wichtig, als sie die effiziente Erzeugung des Ringwirbels 1 und das ausgestoßene Fluidvolumen bestimmen. Eine sinusförmige Bewegung des Generators ist unpassend, da sie starke sekundäre Wirbel erzeugt, die in einer sehr schwachen Ringwirbelerzeugung resultieren. Die Bewegung, Frequenz und Hub der Blende oder des Antriebes sowie die Lage der Löcher oder Öffnungen sind sehr wichtig an diesem Apparat. Die Auswahl eines bestimmten Parameters hängt von den Dimensionen des Mischkessels oder -systems, der Lage des Mischapparates in dem System und der Art des zu mischenden Fluides ab. Die Mehrheit dieser Parameter und/oder der Hub des pneumatischen Kolbens können vor Ort eingestellt werden, und folglich sind die Einheiten relativ universell.The shape and stroke of the movement of the orifice 3, the membrane 10 or the piston 11 are very important in that they determine the efficient generation of the ring vortex 1 and the volume of fluid ejected. A sinusoidal movement of the generator is unsuitable because it generates strong secondary vortices which result in very weak ring vortex generation. The movement, frequency and stroke of the orifice or drive as well as the location of the holes or openings are very important in this apparatus. The selection of a particular parameter depends on the Dimensions of the mixing vessel or system, the location of the mixing apparatus in the system and the type of fluid to be mixed. The majority of these parameters and/or the stroke of the pneumatic piston can be adjusted on site and consequently the units are relatively universal.

Der Hub der Stange 9 und daher das Volumen an Fluid, das pro Hub ausfließt, werden mittels der Justiervorrichtung 14 und der Ruhelage-Justiermutter 15 gesteuert. Die Ruhelage-Justiermutter 15 ist insbesondere erforderlich, wenn die Einheit in einem Tank unter Druck benutzt wird oder am Boden eines Tankes, der mit relativ dichtem Fluid gefüllt ist, da eine Druckdifferenz an der Membran 10 die Membran aus der Ruhelage verschiebt. Die Mutter 15 wird dazu benutzt, eine Kraft auf die Membran mittels der Feder 12 aufzubringen und der unausgeglichenen Kraf t an der Membran aufgrund des Drucks auf der Mischkesselseite der Membran entgegenzuwirken. Die Nullage ist auf der Stange 9 markiert. Eine "O"-Ringdichtung 16 hält alles Fluid von der Primärkammer 13 zurück, sollte die Membrane 10 brechen.The stroke of the rod 9 and therefore the volume of fluid discharged per stroke is controlled by means of the adjusting device 14 and the rest position adjusting nut 15. The rest position adjusting nut 15 is particularly necessary when the unit is used in a tank under pressure or at the bottom of a tank filled with relatively dense fluid, as a pressure differential across the diaphragm 10 will displace the diaphragm from the rest position. The nut 15 is used to apply a force to the diaphragm by means of the spring 12 and to counteract the unbalanced force on the diaphragm due to the pressure on the mixing vessel side of the diaphragm. The zero position is marked on the rod 9. An "O" ring seal 16 retains all fluid from the primary chamber 13 should the diaphragm 10 rupture.

Verschiedene Auslaßöffnungskonfigurationen und -geometrien können benutzt werden, aber die optimale Form der Öffnung ist kreisförmig. Wahlweise können Verlängerungsrohr-Anordnungen verwendet werden, wie in Fig. 4 gezeigt. Diese Öffnungsverlängerungen können mit jedem der Apparate verwendet werden und werden benutzt, um die Richtung des Wirbels zu steuern. Sie können auch benutzt werden, um eine beachtliche Flexibilität in Gebrauch und Lage eines Apparates in einem bestimmten Strömungsfeld zu geben, so wie die Lage eines Apparates in der Seitenwand, am Boden oder Deckel eines Mischtankes. Mehrfach gelochte Verlängerungsrohre können benutzt werden, um mehr als einen Wirbel mit einer Einheit zu erzeugen, der in verschiedenen Richtungen in das Fluidmedium gerichtet werden kann. Das erlaubt Agitation und Mischen in verschiedenen Richtungen und Stellen zur gleichen Zeit. Die Blende 3, die die Öffnung 7 hat, ist unmittelbar an der Reservoirkammer 13 angebracht, wie in Fig. 4a bis 4d gezeigt wird, und ein Verlängerungsrohr 17 ist an der Blende angebracht. Die Verlängerung kann einen einzigen Auslaß 7' oder mehrfache Auslässe 7' haben, wie in Fig. 4a bis 4d gezeigt. Der Zweck des Verlängerungsrohres 17 ist, daß die Richtung der Wirbel gesteuert werden kann, ohne unbotmaßig in den Mischkessel oder die winkelige Positionierung der Mischeinheit einzudringen. Das Verlängerungsrohr 17 kann auch dazu benutzt werden, die Positionierung des Mischers über dem Fluid zu gestatten. Das erlaubt, die Mischeinheit im Oberteil des Fluidmischkesseltanks zu lagern, und erübrigt die Notwendigkeit für Druckdichtungen zwischen dem Fluidreservoir und der Mischeinheit. Die Bewegung und Erzeugung eines Ringwirbels ist ziemlich kompliziert und schwierig analytisch genau vorherzusagen. Die mathematische Modellierung der Formierung und folgenden Bewegung eines Ringwirbels ist ziemlich kompliziert, und die Effekte von angrenzenden Wänden und Öf fnungen können unter Benutzung eines komplexen mathematischen Ansatzes, der auf der Methode der Abbildung basiert, nachgebildet werden. Jedoch wurde eine Anzahl von ziemlich einfachen semi-empirischen Gleichungen, die in der Auslegung von dieser Art von Mischer benutzt werden können, entwickelt.Various outlet port configurations and geometries can be used, but the optimum port shape is circular. Optionally, extension tube arrangements can be used as shown in Fig. 4. These port extensions can be used with any of the devices and are used to control the direction of the vortex. They can also be used to give considerable flexibility in use and location of a device in a particular flow field, such as location of a device in the side wall, bottom or lid of a mixing tank. Multi-perforated extension tubes can be used to create more than one vortex with one unit which can be directed in different directions into the fluid medium. This allows agitation and mixing in different directions and locations at the same time. The orifice 3 having the orifice 7 is attached immediately to the reservoir chamber 13 as shown in Figs. 4a to 4d and an extension tube 17 is attached to the orifice. The extension can have a single outlet 7' or multiple outlets 7' as shown in Figs. 4a to 4d. The purpose of the extension tube 17 is that the direction of the vortex can be controlled without unduly intruding on the mixing vessel or the angular positioning of the mixing unit. The extension tube 17 can also be used to allow the positioning of the mixer above the fluid. This allows the mixing unit to be stored in the top of the fluid mixing vessel tank and eliminates the need for pressure seals between the fluid reservoir and the mixing unit. The movement and generation of a ring vortex is quite complicated and difficult to predict analytically accurately. The mathematical modeling of the formation and subsequent movement of a ring vortex is quite complicated and the effects of adjacent walls and openings can be modeled using a complex mathematical approach based on the method of mapping. However, a number of fairly simple semi-empirical equations have been developed which can be used in the design of this type of mixer.

Ein brauchbarer Ausdruck, der empirisch gewonnen wurde und der die äquivalente Propfenlänge zum Durchmesser der Öffnung für die effiziente Produktion des Wirbelringes in Relation setzt, ist:A useful expression obtained empirically that relates the equivalent plug length to the diameter of the opening for the efficient production of the vortex ring is:

1,5≤L/Dm≤3,5, (1.1)1.5≤L/Dm≤3.5, (1.1)

wobei Din der Öffnungsdurchmesser und L die äquivalente Pfropfenlänge sind, letztere gegeben durch:where Din is the opening diameter and L is the equivalent plug length, the latter given by:

L=4V/kDm² (1.2)L=4V/kDm² (1.2)

und wobei V das durch die Bewegung des Kolbens, der Membran oder der Blende verdrängte Volumen ist.and where V is the volume displaced by the movement of the piston, diaphragm or orifice.

Für eine Blende, einen Kolben oder eine Membran gilt:The following applies to an orifice, a piston or a membrane:

V=kAx, (1.3)V=kAx, (1.3)

wobei x und A die bewegte Distanz und die Querschnittsfläche der Blende, des Kolbens oder der Membran sind, und wobei k eine Konstante für die Deformationsform der Fläche ist, d.h. k=1 für einen Kolben oder eine flache Blende, während für eine Membran k von der Oberflächenform abhängt, die abhängig vom Material und der Geometrie der Membran ist.where x and A are the distance moved and the cross-sectional area of the orifice, piston or membrane, and where k is a constant for the deformation shape of the surface, ie k=1 for a piston or flat orifice, while for a membrane k depends on the surface shape, which depends on the material and geometry of the membrane.

Jeder denkbare Wert von L/Dm resultiert in der Erzeugung eines Ringwirbels&sub1; aber außerhalb der Bandbreite, die in Gleichung (1.1) gegeben ist, ist der Ringwirbel von schlechter Qualität. Der optimale Wert, basierend auf experimentellen Daten, scheint gegeben zu sein durch:Any conceivable value of L/Dm will result in the generation of a ring vortex₁, but outside the range given in equation (1.1), the ring vortex is of poor quality. The optimal value, based on experimental data, appears to be given by:

L/Dm< 2,8 (1.4)L/Dm< 2.8 (1.4)

Zum genauen Zeitpunkt und unmittelbar nach der Erzeugung eines Ringwirbels ist das Verhältnis der translatorischen Geschwindigkeit des Ringwirbels Uv zur mittleren Geschwindigkeit des Fluidpaketes Um, das durch die Öffnung passiert, wie folgt:At the exact time and immediately after the generation of a ring vortex, the ratio of the translational velocity of the ring vortex Uv to the average velocity of the fluid packet Um passing through the opening is as follows:

Uv/Um≤0,6, (1.5)Uv/Um≤0.6, (1.5)

wobei Um gegeben ist durch:where Um is given by:

Um=UpA/(πDm²), (1.6)Um=UpA/(πDm²), (1.6)

wobei Up die Geschwindigkeit der Blende oder des Kolbens oder die äquivalente Geschwindigkeit einer Membran ist. Für relativ kleine Distanzen ist Um konstant, und daher ist die Zeit t für einen Wirbelring, um die Oberfläche zu erreichen oder eine Distanz H fortzuschreiten:where Up is the speed of the orifice or piston, or the equivalent speed of a diaphragm. For relatively small distances, Um is constant, and therefore the time t for a vortex ring to reach the surface or to advance a distance H is:

t=H/Uv (1.7)t=H/Uv (1.7)

Das Wachstum eines Wirbelrings ist eigentlich unabhängig von den Fluideigenschaften, und es wurde eine genäherte empirische Gleichung für das Wachstum im Formierungsstadium wie folgt aufgestellt:The growth of a vortex ring is actually independent of the fluid properties, and an approximate empirical equation for the growth in the formation stage has been established as follows:

D/Dm= [1,1+0,36(L/Dm)]1/3 (1.8)D/Dm= [1.1+0.36(L/Dm)]1/3 (1.8)

Das heißt für die optimale Bedingung, wenn L/Dm = 2,8 ist, giltThis means that for the optimal condition, when L/Dm = 2.8,

D/Dm=1,282 (1.9)D/Dm=1.282 (1.9)

Diese Gleichung bezeichnet die Menge an Material, die anfänglich in der Nachbarschaft der Öffnung in den Wirbel angesaugt und demzufolge zur Oberfläche oder entfernten Regionen des zu mischenden Fluides transportiert wird.This equation describes the amount of material that is initially sucked into the vortex in the vicinity of the opening and subsequently transported to the surface or distant regions of the fluid to be mixed.

Im allgemeinen ist:In general:

V=[kπ/6] [1,1+0,36((L/Dm)]Dm³, (1.10)V=[kπ/6] [1.1+0.36((L/Dm)]Dm³, (1.10)

wobei k die Korrektur für Nicht-Kugelförmigkeit des Ringes und ungefähr 1,45 ist. Daher gilt bei der optimalen Bedingungwhere k is the correction for non-sphericity of the ring and approximately 1.45. Therefore, under the optimal condition

V=1.1kDm³ (1.11)V=1.1kDm³ (1.11)

oderor

V=1,6Dm³ (1.12)V=1.6Dm³ (1.12)

Folglich ist die minimale Anzahl von Hüben oder Impulsen des Mischmechanismusses, um das Fluidvolumen Vf zu mischen:Consequently, the minimum number of strokes or pulses of the mixing mechanism to mix the fluid volume Vf is:

N=Vf/V (1.13)N=Vf/V (1.13)

oderor

N=Vf/(C[kπ/6] [1,1+0,36(L/Dm)]Dm³) (1.14)N=Vf/(C[kπ/6] [1.1+0.36(L/Dm)]Dm³) (1.14)

oder bei optimaler Bedingungor under optimal conditions

N=0,625Vf/Dm³, (1.15)N=0.625Vf/Dm³, (1.15)

welches der minimale Wert für die Anzahl der Hübe zum anfänglichen Mischen eines Fluides ist.which is the minimum value for the number of strokes for initial mixing of a fluid.

Die Zeit T, um die anfänglich gemischte Bedingung herzustellen, ist daherThe time T to establish the initial mixed condition is therefore

T=N/f, (1.16)T=N/f, (1.16)

wobei f die Hubfrequenz ist. Die erforderliche Frequenz, um die gemischte Bedingung beizubehalten, hängt offensichtlich von der Art des/der zu mischenden Materials/Materialien ab. Jedoch wurde in einem einfachen Zweikomponentensystem, in dem der Dichteunterschied relativ gering ist (das heißt ein Dichteverhältnis von weniger als 1,1), gefunden, daß eine Frequenz von 0,25 Hz ausreichend war. Für Schlämme&sub1; wie Kalk, in welchen das Dichteverhältnis zwischen den Partikeln und dem Fluid bis zu 3,0 sein kann, sollte jedoch eine Frequenz, die so groß wie praktikabel ist, benutzt werden. Es wurde gefunden, daß eine Frequenz von ungefähr 0,4 Hz für einen Kalkschlamm von 24% und ein Dichteverhältnis von 2,29 ausreichend war. Frequenzen von mehr als ungefähr 0,6 Hz können in der Vereinnahmung von Sekundärwirbeln in die Öffnung und damit in übermäßiger, lokalisierter Turbulenz resultieren, was in der Erzeugung eines schwachen Primärwirbelringes resultiert. Dies kann zu einem hohen Grade durch eine Hubcharakteristik kontrolliert werden, so daß einem relativ schnellen Ansaughub eine Rastperiode mit einem schnellen Rückstoß- oder Wirbelerzeugungshub folgt. Aus diesem Grund wurde gefunden, daß eine sinusförmige Bewegung einer Öffnung, einer Membran oder eines Kolbens nicht wünschenswert für die effiziente Wirbelerzeugung ist. Dies verhindert auch die übermäßige Erzeugung von lokalisierter Turbulenz, was auch die effiziente Erzeugung von Wirbelringen beeinflussen kann.where f is the stroke frequency. The frequency required to maintain the mixed condition obviously depends on the type of material(s) being mixed. However, in a simple two component system where the density difference is relatively small (i.e. a density ratio of less than 1.1), a frequency of 0.25 Hz was found to be sufficient. However, for slurries such as lime, in which the density ratio between the particles and the fluid can be as high as 3.0, a frequency as high as practicable should be used. A frequency of about 0.4 Hz was found to be sufficient for a lime slurry of 24% and a density ratio of 2.29. Frequencies greater than approximately 0.6 Hz can result in the capture of secondary vortices into the orifice and thus excessive localized turbulence, resulting in the generation of a weak primary vortex ring. This can be controlled to a large extent by a stroke characteristic so that a relatively fast intake stroke is followed by a dwell period with a fast recoil or vortex generation stroke. For this reason, sinusoidal motion of an orifice, diaphragm or piston has been found to be undesirable for efficient vortex generation. This also prevents the excessive generation of localized turbulence, which can also affect the efficient generation of vortex rings.

Die Distanz zwischen benachbarten Öffnungen sowie zwischen Öffnungen und benachbarten Wänden ist ziemlich kritisch, da Wände und andere Öffnungen verursachen können, daß Wirbel miteinander oder mit einer Wand kollidieren, bevor sie eine merkliche Distanz fortgeschritten sind. Eine semi-empirische Analyse ergab, daß die minimale vernünftige Distanz zwischen den Zentren von benachbarten Öffnungen gegeben ist durch:The distance between adjacent openings, as well as between openings and adjacent walls, is quite critical, since walls and other openings can cause vortices to collide with each other or with a wall before they have advanced an appreciable distance. A semi-empirical analysis found that the minimum reasonable distance between the centers of adjacent openings is given by:

X/Dm≥2,5, (1.17)X/Dm≥2.5, (1.17)

wobei X die Distanz von Zentrum zu Zentrum der Öffnungen ist. Alternativ ist die minimal vernünftige Distanz von Wand zu Öffnungszentrum gegeben durch:where X is the distance from center to center of the openings. Alternatively, the minimum reasonable distance from wall to opening center is given by:

X/Dm≥2,0. (1.18)X/Dm≥2.0. (1.18)

Es ist schwierig, die Distanz vorherzusagen, die ein Wirbel fortschreitet, bevor er sich auflöst, und sie hängt von einer Anzahl von Faktoren ab, wie, ob er anfänglich stabil oder instabil, laminar oder turbulent ist. Sie hängt auch ab von der anfänglichen Geschwindigkeit des Wirbels Uv und jeglichem Dichteunterschied zwischen dem anfänglichen Fluid im Ring in seinem Formierungsstadium und dem Umgebungs- oder Hauptteil des zu mischenden Fluides. Aber sie ist relativ unempfindlich gegenüber der Viskosität des Fluides oder, ob das Fluid newtonisch oder nicht newtonisch ist, da die Scher- und Widerstandskräfte relativ unerheblich für die Bewegung des Wirbelringes sind. Es wurden jedoch vertikale Distanzen von 2 in in einer 24-gewichtsprozentigen wäßrigen Kalksuspension erreicht, wobei der Ring noch immer sehr energiereich war, als er die Oberfläche durchbrach, und in wäßrigen Lösungen schritten Wirbel 1,3 m fort und schritten dann weiter durch die Luft 1 m fort, nachdem sie die Wasseroberfläche verlassen hatten. Basierend auf qualitativen Beobachtungen wird beinerkt, daß Distanzen von über 10 m nicht unvernünf tig wären, wenn der Dichteunterschied nicht zu groß ist, wie ≤ 1,1.It is difficult to predict the distance a vortex will travel before it dissipates, and it depends on a number of factors, such as whether it is initially stable or unstable, laminar or turbulent. It also depends on the initial velocity of the vortex Uv and any density difference between the initial fluid in the ring in its formation stage and the surrounding or bulk fluid to be mixed. But it is relatively insensitive to the viscosity of the fluid or whether the fluid is Newtonian or non-Newtonian, since the shear and drag forces are relatively insignificant in the motion of the vortex ring. However, vertical distances of 2 in were achieved in a 24 wt% aqueous lime suspension, with the ring still very energetic when it broke through the surface, and in aqueous solutions, vortices traveled 1.3 m and then continued to travel through the air 1 m after leaving the water surface. Based on qualitative observations, it is noted that distances of over 10 m would not be unreasonable if the density difference is not too large, such as ≤ 1.1.

Fig. 5 und 6 zeigen eine tragbare Einheit, die zwei oder drei pneumatische Kolben 26 aufweist, die eine bewegliche Blende 3 mit zentral gelegener Öffnung 7 betreiben. Die Blende ist in einem zylindrischen Gehäuse 28 gelagert, das an einem Ende offen ist und als Verankerung für die bewegliche Blende dient. Die Blende bewegt sich im zylindrischen Körper vor und zurück in einer gesteuerten Bewegung und erzeugt Wirbel durch die Öffnung. Die Blende wird von den zwei oder drei pneumatischen Zylindern bewegt. Die tatsächliche Bewegung der Blende muß speziell gesteuert werden, um die effizientesten Resultate für verschiedene Flüssigkeiten und Suspensionen zu erreichen. Diese Steuerung wird durch die Kombination eines Luftventils 29 und eines elektrischen Schaltkreises 30 erreicht. Diese Einheit oder dieser Apparat kann groß oder ziemlich klein sein, und der Außendurchmesser D der Blende im Vergleich zu dem Öffnungsdurchmesser d ist so, daß es keine Verletzung der Platzerfordernisse bei der Benutzung von mehr als einer Einheit in einem Mischbehälter oder der Distanz von der Öffnung zur Wand gibt. Diese Einheit kann auch umgekehrt benutzt werden (Fig. 7), so daß die Wirbel nach unten gerichtet werden. Die Distanz, die ein Wirbelring fortschreitet, ist 100 bis 200 Öffnungsdurchmesser und daher wird mit einer Öffnung von zum Beispiel 15 cm (6 Zoll) Durchmesser erwartet, daß der Wirbelring zwischen 15 und 30 m (50 und 100 Fuß), abhängig von den betreffenden Fluiden und der Situation, fortschreitet. Die Einheit kann von einem einstellbaren Tragbalken gehalten werden, so daß die eigentliche Einheit an oder nahe der Flüssigkeitsoberfläche oder in jeglicher erforderlicher Tiefe in der zu behandelnden Flüssigkeit gehalten wird.Fig. 5 and 6 show a portable unit comprising two or three pneumatic pistons 26 which operate a movable diaphragm 3 with a centrally located opening 7. The diaphragm is mounted in a cylindrical housing 28 which is open at one end and serves as an anchor for the movable diaphragm. The diaphragm moves back and forth in the cylindrical body in a controlled movement and creates vortices through the opening. The diaphragm is moved by the two or three pneumatic cylinders. The actual movement of the diaphragm must be specifically controlled to achieve the most efficient results for different liquids and suspensions. This control is achieved by the combination of an air valve 29 and an electrical circuit 30. This unit or apparatus may be large or quite small and the outside diameter D of the orifice compared to the orifice diameter d is such that there is no violation of the space requirements in using more than one unit in a mixing vessel or of the distance from the orifice to the wall. This unit may also be used inverted (Fig. 7) so that the vortices are directed downwards. The distance a vortex ring will travel is 100 to 200 orifice diameters and therefore with an orifice of, for example, 15 cm (6 inches) diameter the vortex ring is expected to travel between 15 and 30 m (50 and 100 feet) depending on the fluids involved and the situation. The unit may be supported by an adjustable support beam so that the unit itself is held at or near the liquid surface or at any required depth in the liquid to be treated.

Weiterhin kann Luft durch Einführung einer kleinen gesteuerten Belüftung 31 in die Einheit eintreten. Wenn die Einheit in der umgekehrten Konfiguration benutzt wird, kann Luft in die Einheit eintreten und ein stark belüf teter Wirbelring tritt aus der Einheit aus und wird nach unten ins flüssige Medium gerichtet. Dieser Betrieb wurde getestet, und es wurde gefunden, daß er in einer sehr effizienten Belüftung des Fluides resultiert, und daher kann die Einheit als sehr effiziente Belüftungseinheit benutzt werden und könnte für die Belüftung oder Entstratifizierung von Seen oder sehr großen Flüssigkeitsreservoirs benutzt werden. Eine alternative Anordnung besteht darin, den Apparat in umgekehrter Weise unter Benutzung eines Schwimmtankes 32 auf der Oberfläche der zu behandelnden Flüssigkeit schwimmen zu lassen, wie in Fig. 8 gezeigt. Die Antriebskolben sind im Schwimmtank angeordnet.Furthermore, air can enter the unit by introducing a small controlled aerator 31. When the unit is used in the inverted configuration, air can enter the unit and a highly aerated vortex ring exits the unit and is directed downwards into the liquid medium. This operation has been tested and found to result in very efficient aeration of the fluid and therefore the unit can be used as a very efficient aeration unit and could be used for aeration or destratification of lakes or very large liquid reservoirs. An alternative arrangement is to float the apparatus in an inverted manner using a float tank 32 on the surface of the liquid to be treated as shown in Fig. 8. The drive pistons are located in the float tank.

Eine weitere alternative Anordnung des Apparates ist die Entfernung der zylindrischen Wandung, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Dabei ergibt sich ein radialer Ausfluß der Flüssigkeit sowie die Entsendung eines Wirbelringes. Diese Anordnung wurde getestet und ergibt ein exzellentes Mischverhalten. Das Durchmesserverhältnis d/D ist wichtig, wenn man die Mischkesselgeometrie berücksichtigt. Relativ kleine d/D Verhältnisse sind notwendig, wenn vom Wirbelring verlangt wird, über weite Distanzen fortzuschreiten. Der Durchmesser der Grundplatte 40 ist größer als derjenige der Einheit mit Seitenwänden. Fig. 10 zeigt diese alternative Anordnung umgekehrt und auf einem einstellbaren Tragbalken 33 getragen. Fig. 11 zeigt grundsätzlich dieselbe Einheit, aber mit einem Schwimmtank mit dem Kolben 26 innerhalb des Tanks. Diese Einheit, in der regulären oder umgekehrten Art, mit radialer Strömung kann von beachtlichem Wert für verschiedene Systeme und Flüssigkeiten sein.Another alternative arrangement of the device is the removal the cylindrical wall as shown in Fig. 9. This results in a radial outflow of the liquid as well as the emission of a vortex ring. This arrangement has been tested and gives excellent mixing performance. The diameter ratio d/D is important when considering the mixing vessel geometry. Relatively small d/D ratios are necessary when the vortex ring is required to propagate over long distances. The diameter of the base plate 40 is larger than that of the side-walled unit. Fig. 10 shows this alternative arrangement inverted and supported on an adjustable support beam 33. Fig. 11 shows basically the same unit but with a floating tank with the piston 26 within the tank. This unit, in the regular or inverted radial flow mode, can be of considerable value for various systems and liquids.

Wenn es erforderlich ist, daß der Ringwirbel weite Distanzen fortschreitet, wird die Konfiguration mit Seitenwand benutzt, um hohe Energie im Wirbelring zu induzieren. Wenn jedoch eine Notwendigkeit für beachtliche Agitation in der Nähe der Platte besteht, wird die Seitenwand entfernt, um etwas radiale Strömung des Fluides zu erlauben.When it is required that the ring vortex propagate long distances, the sidewall configuration is used to induce high energy in the vortex ring. However, when there is a need for significant agitation near the plate, the sidewall is removed to allow some radial flow of the fluid.

Eine dritte, in Fig. 12a und 12b gezeigte Einheit ist auch eine tragbare Einheit. Diese Einheit hat eine Wirbelerzeugungsblende 3, welche durch zwei Stangen 34, die wiederum über eine einzige Stange 35 von einem pneumatischen Kolben 36 betrieben werden, bestätigt wird. Der Kolben und das zugeordnete Luftventil 29 und der Steuerschaltkreis 30 sind entweder an einem Haltekreuzbalken angebracht oder können an einer Deckplatte für den Flüssigkeitsbehälter angebracht sein. Wenn der Mischer für eine explosive oder entflammbare Flüssigkeit und ein elektrischer Steuerschaltkreis benutzt wird, kann der elektrische Steuerkreis in einen separaten, entfernt vom Mischer gelegenen Reglerkasten angeordnet werden. Normalerweise wird jedoch ein total pneumatisches Steuersystem für explosive und entflammbare Fluide verwendet. Diese Einheit kann sowohl den Druck und daher die Kraft der Agitation als auch die Frequenz des Agitationszyklusses ändern.A third unit, shown in Figs. 12a and 12b, is also a portable unit. This unit has a vortex generating orifice 3 which is actuated by two rods 34 which in turn are operated by a pneumatic piston 36 via a single rod 35. The piston and associated air valve 29 and control circuit 30 are either mounted on a support crossbar or may be mounted on a cover plate for the liquid container. If the mixer is used for an explosive or flammable liquid and an electrical control circuit is used, the electrical control circuit may be placed in a separate control box located remotely from the mixer. However, a totally pneumatic control system is normally used for explosive and flammable fluids. This unit can vary both the pressure and hence the force of agitation and the frequency of the agitation cycle.

Die Einheit kann in einer ähnlichen Weise wie konventionelle Mischer benutzt werden, das heißt mit der primären Energieeinheit außerhalb des Mischkessels gelegen, im Vergleich zu den untergetauchten Einheiten, wie oben beschrieben.The unit can be used in a similar manner to conventional mixers, i.e. with the primary energy unit located outside the mixing vessel, as compared to the submerged units as described above.

Fig. 13 zeigt das typische Schaubild des Konzentrationsprozentsatz in Abhängigkeit der prozentualen Tiefe für einen Flachblendenwirbelmischer, der am Boden eines 0,6 m breiten mal 1,22 m langen mal 1,83 m tiefen Tankes voll Kalk gelegen ist, der eine nominelle Konzentration von 22 Gewichtsprozenten hat. Es wurde bemerkt, daß die Änderung der Schlammkonzentration weniger als 2 % über dem gesamten Schlammvolumen war. Die mittlere Partikelgröße war ungefähr 10 um mit einer mittleren spezifischen Dichte von 2,2, und jeder Punkt repräsentiert das Mittel von verschiedenen Stichproben, die an verschiedenen repräsentativen Stellen, inklusive Stellen nahe der Wand, in einer gegebenen Schicht genommen wurden. Der Wirbel erzeugende Blendenmischer war 0,1 m von Boden des Mischkessels gelegen und hatte zwei Löcher von 0,2 in Durchmesser in gleichem Abstand. Der Antrieb der Blende war eine Nocke mit einem maximalen Hub von 0,25 in, und die Betriebsfrequenz war 0,4 Hz. Ein drehzahlgesteuerter elektrischer Gleichstrommotor von 1,12 kW, in Verbindung mit einem Reduziergetriebe, wurde benutzt, um die Hebenocke anzutreiben.Fig. 13 shows the typical plot of percentage concentration versus percentage depth for a flat orifice mixer located at the bottom of a 0.6 m wide by 1.22 m long by 1.83 m deep tank full of lime having a nominal concentration of 22 weight percent. It was noted that the change in sludge concentration was less than 2% over the total sludge volume. The mean particle size was about 10 µm with a mean specific gravity of 2.2, and each point represents the mean of several samples taken at various representative locations, including near the wall, in a given layer. The orifice mixer creating the vortex was located 0.1 m from the bottom of the mixing vessel and had two equally spaced 0.2 in diameter holes. The shutter drive was a cam with a maximum lift of 0.25 in, and the operating frequency was 0.4 Hz. A speed-controlled electric DC motor of 1.12 kW, in conjunction with a reduction gear, was used to drive the lifting cam.

Die äquivalente Masse von Blende und angeschlossener beweglicher Ausrüstung, enthaltend Federkräf te und Mittel zum Auftrieb, war etwa 133 kg. Daher betrug die tatsächlich zum Heben der Blende um 0,025 in mit einer Frequenz von 0,4 Hz benutzte Leistung 13,25 W, da der Ansaug- oder Aufwärtshub der primäre Hub ist, der Eingangsleistung zu der Mischmembran, Kolben oder Öffnungsplatte einbezieht. Dies erlaubt sogar 50 % Verlust des Antriebssystems und daher 50 % während des Abwärts- oder Ausstoßhubes. Der Leistungseingang wäre 26,5 W gewesen. Das Volumen des Kalkschlammes war 1,36 m³, und daher war die spezifische Eingangsleistung weniger als 0,02 W/L, was mit 0,5 bis 1,0 W/L für viele konventionellen Mischer verglichen werden kann.The equivalent mass of the orifice and attached moving equipment, including spring forces and means for buoyancy, was about 133 kg. Therefore, the actual power used to lift the orifice by 0.025 in at a frequency of 0.4 Hz was 13.25 W, since the suction or upstroke is the primary stroke involving input power to the mixing diaphragm, piston or orifice plate. This allows for even 50% loss of the drive system and therefore 50% during the downstroke or discharge stroke. The power input would have been 26.5 W. The volume of the lime slurry was 1.36 m³ and therefore the specific input power was less than 0.02 W/L, which can be compared to 0.5 to 1.0 W/L for many conventional mixers.

Unter diesen Umständen ist das Volumen, das die Öffnungsplatte pro Loch und Hub verläßt, 0,007 m³, und daher sollte es theoretisch für ein Schlammvolumen von 1,361 m³ ein Minimum von 98 Hüben der Öffnungsplatte erfordern oder eine Zeit von 4,08 Minuten, um den Schlamm anfänglich zu mischen. Tatsächliche Experimente mit wäßriger Kalksuspension von bis zu 10 % Konzentration, unter Benutzung von fünf Stichprobenstellen im zu inischenden Volumen verteilt, zeigten an, daß zwischen 100 und 150 Hüben, abhängig von den Betriebsbedingungen, vom Beginn an erforderlich waren, um eine homogene Suspension zu erzeugen. Dieses Ergebnis ist in guter Übereinstimmung mit der obigen theoretischen Abschätzung. Es ist schwierig beim Stichproben-Nehmen, akkurat abzuschätzen, wann ein vollständiges Mischen aufgetreten ist. Es wurde jedoch geschätzt, daß es weniger als 10 Minuten sind und unter günstigen Umständen mit der semi-empirischen Schätzung übereinstimmt.Under these circumstances, the volume that the orifice plate per hole per stroke is 0.007 m³ and therefore theoretically for a slurry volume of 1.361 m³ it should require a minimum of 98 strokes of the orifice plate or a time of 4.08 minutes to initially mix the slurry. Actual experiments with aqueous lime suspension of up to 10% concentration, using five sampling locations distributed throughout the volume to be mixed, indicated that between 100 and 150 strokes, depending on the operating conditions, were required from the start to produce a homogeneous suspension. This result is in good agreement with the above theoretical estimate. It is difficult in sampling to estimate accurately when complete mixing has occurred. However, it has been estimated to be less than 10 minutes and under favourable circumstances agrees with the semi-empirical estimate.

Verschiedene Fluide wurden als zu mischendes Medium benutzt, wie Kalkschlämme bis zu 24 Gewichtsprozenten, wäßrige Kohlenschlamme mit bis zu 25 Gewichtsprozenten, geschichtete wäßrige Salzsolutionen und andere Substanzen mit Dichten ähnlich der von Wasser. Es sollte kein Problem geben, Fluide von Gasen bis zu relativ dichten Flüssigkeiten zu mischen. Jedoch hängt die Möglichkeit, Schlämme mit Feststoffen, die spezifische Dichten von bis zu 3,0 haben, zu Mischen, von der Partikelgröße und -verteilung ab. Wenn die spezifische Dichte der Partikel ziemlich hoch im Vergleich mit dein Suspensionsfluid ist, dann haben große Partikel die Tendenz, sich abzusetzen oder aus der Suspension auszufallen. Es ist schwierig, die Größen- und Dichtebedingungen für das Absetzen exakt abzuschätzen; aber die Absetzgeschwindigkeit, die für jede Suspension anwendbar ist, muß zutreffen. Das heißt, die lokale Fluidgeschwindigkeit im Wirbelring und dein umgebenden Fluid muß größer als die Absetzgeschwindigkeit der speziellen Partikel sein, abhängig von der Partikelgröße, -dichte und Suspensionsfluidviskosität. Das heißt, wenn die Geschwindigkeit innerhalb des Wirbels nicht größer als die erforderliche Geschwindigkeit zur Vermeidung eines Absetzens ist, dann werden die Partikel nicht in Suspension gehalten. Dein kann teilweise dadurch begegnet werden, daß die Blendengeschwindigkeit und - frequenz erhöht wird. Aber Schlämme, die relativ große Sandpartikel beinhalten, wären sehr schwierig in Suspension zu halten. Wenn jedoch die Partikel-dichte sich derjenigen des Suspensionsfluides annähert, hat die Partikelgröße wenig Einfluß auf die Effizienz des Mischprozesses, wenn ein Wirbelringmischer benutzt wird.Various fluids have been used as the mixing medium, such as lime muds up to 24 wt%, aqueous coal muds up to 25 wt%, layered aqueous salt solutions, and other substances with densities similar to water. There should be no problem mixing fluids from gases to relatively dense liquids. However, the ability to mix muds with solids having specific gravities up to 3.0 depends on particle size and distribution. If the specific density of the particles is quite high compared to the suspension fluid, then large particles have a tendency to settle or fall out of suspension. It is difficult to estimate the size and density conditions for settling exactly; but the settling rate applicable to each suspension must apply. That is, the local fluid velocity in the vortex ring and surrounding fluid must be greater than the settling rate of the specific particles, depending on the particle size, density, and suspension fluid viscosity. That is, if the velocity within the vortex is not greater than the speed required to avoid settling, then the particles will not be held in suspension. This can be partially counteracted by increasing the aperture speed and - frequency is increased. But slurries containing relatively large sand particles would be very difficult to keep in suspension. However, when the particle density approaches that of the suspending fluid, the particle size has little influence on the efficiency of the mixing process when a vortex ring mixer is used.

Claims

1. Vortex ring mixer for mixing a fluid mass, the mixer comprising:

a plate (3) having an opening (7) formed therein, the opening (7) being adapted to be disposed in the fluid mass (25) to be mixed and having a diameter d, the opening (7) having a central axis disposed generally perpendicular to the plane of the plate (3);

a surface (2,10,11,40) arranged on the axis and spaced along the axis from the plate by a distance that is greater than or equal to a distance L;

Drive means (2,5,6,8,10,11,12,26,34,36) for forcing fluid (25) through the opening (7), the drive means being designed to move at least either the plate (3) or the surface (2,10,11,40) back and forth so that during a relative movement between the plate and the surface the distance along the axis by which the plate (3) and the surface are separated changes by the distance L, the ratio of L/d being between 1.5 and 3.5, whereby a mixing ring vortex is formed in the fluid mass (25) to be mixed.

2. Mixer according to claim 1, wherein the surface is formed by a base plate (40), wherein the drive means (2,5,6,8,10,11,12,26,34,36) for forcing the fluid (25) through the opening (7) comprise actuating means (5,8,26,36) for generating a relative movement between the opening (7) and the base plate (40).

3. Mixer according to claim 1 or 2, wherein the drive means (2,5,6,8,10,11,12,26,34,36) comprise a membrane or a piston (5,26,36) operatively connected to the orifice plate (3) to move the plate (3) by the distance L.

4. Mixer according to one or more of the preceding claims, wherein the ratio of L/d is equal to 2.8.

5. Mixer according to one or more of the preceding claims, wherein the mixer further comprises a cylindrical housing (28) open at one end, the open end being in contact with the fluid and the orifice plate (3) being arranged in the housing (28) parallel to the open end.

6. Mixer according to claim 5, wherein the cylindrical housing (28) has a closed end wall (40) arranged parallel to the orifice plate (3), the end wall (40) forming the surface.

7. A mixer according to claim 5 or 6, wherein the mixer further includes a buoyancy device (32) attached to the open end for floating the open end on the surface of the fluid (25), the orifice plate (3) being arranged in the fluid (25) below the open end.

8. Mixer according to one of claims 5 to 7, comprising a device (31) for supplying air into the housing in order to create a ventilated vortex ring.

9. Mixer according to one or more of the preceding claims, wherein the reciprocating movement comprises a fast vortex ring generating stroke and a slow return stroke, the frequency of the reciprocating movement being between 0.25 and 0.6 Hz.

10. Mixer according to one or more of the preceding claims, comprising a pipe adapter (17) in communication with the orifice plate (3) and connected to the nozzle (7) in order to control the direction of propagation of the ring vortex.

11. A method for mixing a fluid mass (25), comprising the following steps:

introducing an orifice plate (3) into the fluid mass (25), wherein the orifice plate (3) has an opening (7) with the diameter d;

forcing a reciprocating movement of the fluid (25) through the opening (7) in a direction perpendicular to the opening plate (3) by the relative reciprocating movement between the opening plate (3) and a surface spaced from the opening plate (3) along a central axis of the opening (7), so that the distance by which the plate (3) and the surface are separated is changed by a value L, the ratio of L/d being between 1.5 and 3.5, whereby mixing ring vortices are generated in the fluid mass (25) to be mixed.

12. A method for mixing fluid (25) according to claim 11, wherein the fluid (25) is pressed through the opening (7) by moving the opening plate (3) by the distance L in a direction perpendicular to the opening (7).

13. Method for mixing a fluid (25) according to claim 11 or 12, wherein fluid (25) is repeatedly forced through the opening (7), the repetition frequency being between 0.25 and 0.6 Hz.

14. Method for mixing a fluid (25) according to one of claims 11 to 13, wherein fluid (25) is repeatedly and alternately quickly pressed through the opening (7) and subsequently relatively slowly sucked back through the opening (7).

15. A method for mixing a fluid (25) according to one or more of claims 11 to 14, wherein air is supplied into the fluid (25) to create an aerated vortex ring.

16. Method for mixing a fluid (25) according to one or several of claims 11 to 15, wherein the measures are used to provide a pipe adapter (17) and to direct the ring vortex generated by the pipe adapter (17), whereby the direction of propagation of the ring vortex is controlled.