DE4113578A1 - Einrichtung zur beladung von viskosen fluessigkeiten mit gasen - Google Patents

Description

Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssigkeiten mit Gasen, insbesondere von Polyolen für die Herstellung von Polyurethanen mit vorzugsweise Kohlendioxid.

Zur Verbesserung der Dämmeigenschaften von Schaumstof­ fen, insbesondere Polyurethansystemen, wurde bereits vorgeschlagen, einer oder beiden Rezepturkomponenten ein Treib- oder Zellgas zuzusetzen, das in einer sono­ chemischen Reaktion dispergiert und/oder gelöst wird.

Sonochemische Reaktionen sind beispielsweise aus der DE-Zeitschrift "Spektrum der Wissenschaft", April 1969, Seiten 60-66 an sich bekannt. Eine sonochemische Reaktion wird dadurch erzeugt, daß man das Gas in eine oder bei­ de der flüssigen Rezepturkomponenten einleitet und das Zweiphasengemisch mit Hilfe eines Ultraschallgenerators beschallt. Der Ultraschall wird mittels piezoelektrischer oder magnetostriktiver Materialien erzeugt. Derartige Materialien, beispielsweise Barium-Blei-Titanat sowie der Aufbau solcher Ultraschallgeneratoren, sind bekannt.

Es ist noch nicht genau bekannt ist, welche Vor­ gänge sich bei der sonochemischen Reaktion abspielen, man nimmt aber an, daß die Flüssigkeitsmoleküle durch die aufgrund der Schockwellen entstehenden Kapillarwellen aufgespreizt werden. Im pulsierenden Ultraschallfeld wird durch das Implodieren der Kavitionsbläschen ein Unterdruck in der Flüssigkeit erzeugt, wodurch die Gas­ moleküle in Lösung gehen.

Die technische Anwendung des skizzierten und an sich bekannten Effekts bedingt jedoch eine sorgfältige Ab­ stimmung der physikalischen und chemischen Randbedin­ gungen mit den konstruktiven Möglichkeiten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrich­ tung zur Beladung einer flüssigen Phase mit Gas vorzu­ schlagen, die einen hohen Wirkungsgrad hat und in­ dustriell eingesetzt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptan­ spruch angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprü­ che.

Bei der Erfindung wird von der Erkenntnis Gebrauch ge­ macht, daß zur Lösung einer größeren Menge Gas in einer Flüssigkeit diese Menge auch in geeigneter Weise zur Ver­ fügung gestellt werden muß. Die Behandlung eines Blasen­ gemisches, das beispielsweise durch einfaches Einleiten des Gases in die Flüssigkeit erzeugt wird, reicht dafür nicht aus. Der Wirkungsgrad wird entscheidend verbessert, wenn die sonochemische Reaktion auf eine feine Gas-Flüs­ sigkeitssuspension einwirkt. Vorgeschlagen wird daher ein zweistufiges Verfahren, nach dem zunächst eine feine Gas-Flüssig­ keitssuspension durch mechanische Kavitation er­ zeugt wird und diese Suspension dann in einem speziell ausgebildeten Resonanzraum der Wirkung von Ultaschall­ wandlern ausgesetzt wird. Durch die bessere Gasbeladung beispielsweise von Polyol für die Herstellung von Polyurethan läßt sich beispielsweise eine Dichtever­ ringerung des Schaumstoffs bewirken, was letztlich eine bessere Wärmedämmung bedeutet.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Figur zeigt einen teilweisen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform der Einrichtung mit Vorkammer, Resonanzraum und einem Teil des Amplitudentransformers.

Kernstück der Einrichtung ist der Resonanzraum 10 der aus vier kleeblattförmig, sich paarweise gegenüberliegen­ den Kammern 12 besteht, die jeweils eine konkave gewölb­ te, schüsselförmige Rückseite 12 aufweisen und zum Mit­ telpunkt des Resonanzraums offen sind. In jeder der Kam­ mern 12 ist ein Ultraschallwandler 14 so angeordnet, daß er von dem zu belandenden Flüssigkeits-Gas-Gemisch frei umströmt werden kann. Es handelt sich beispiels­ weise um Membranplatten aus Barium-Blei-Titanat, wie sie für konventionelle Wasservernebler verwendet wer­ den. Die Membranplatten oder Piezoelemente werden von zwei aneinander anliegenden sternförmigen Kontakt­ spinnen gehalten, über welche die Elemente mit Strom versorgt werden. Dabei wird der Rand der Elemente von fingerförmigen Fortsätzen der Kontaktspinnen übergrif­ fen, wie es in der Figur mit der Bezugsziffer 16 an­ gedeutet ist. Die Kontaktspinnen sind durch Isolier­ folien voneinander getrennt, um die Piezoelemente in geeigneter Weise mit Strom zu versorgen. Die elektri­ sche Versorgung der Kontaktspinnen erfolgt über die Elektroden 18 und 20. Die Vorsehung üblicher Kupfer­ kontakte ist beispielsweise bei der Gasbeladung von Polyolen nicht möglich.

Da die geometrische Form der Membranplatten die Frequenz bestimmt, kann eine Frequenzänderung an sich nur durch den Austausch der Membranplatten erreicht werden. Die­ ses Auswechseln ist jedoch umständlich und nachteilig. Erfindungsgemäß werden die Ultraschallwandler daher durch einen prozeßrechnergestützten Frequenzgenerator erregt, wobei die vom Element abgegebene Spannung als Steuergröße verwendet wird, so daß die Ultraschallwand­ ler immer mit maximaler Amplitude arbeiten. Bedingt durch die Bandbreite der möglichen Frequenzen muß der Resonanzraum eine bestimmte Größe aufweisen, die je­ doch gleichzeitig den gewünschten hohen Durchfluß ga­ rantiert.

Statt der gezeigten kleeblattförmigen Anordnung von vier Ultraschallwandlern können natürlich auch mehrere Wandler kreisförmig angeordnet und radial auf den Mittelpunkt ausgerichtet sein.

Der Resonanzraum 10 wird über eine Vorkammer 22 mit einem feinen Flüssigkeits-Gasgemisch bzw. einer Flüssigkeits-Gas-Suspension versorgt. Die Vorkammer 22 wird über die Zuleitung 24 mit Flüssigkeit, bei­ spielsweise Polyol beschickt. Die gasförmige Phase, beispielsweise Kohlendioxid, wird über die Zuleitung 26 eingespeist.

In der Vorkammer 22 ist ein Kavitationselement 28 angeordnet, das diskusförmig ausgebildet ist und am Ende einer schnell rotierenden, freitragenden Welle befestigt ist. Das Kavitationselement weist auf sei­ ner Unter- und seiner Oberseite unterschiedliche Wöl­ bungen auf. Vorzugsweise ist die Oberseite, d. h. die der Welle zugekehrte Seite stärker gewölbt, als die Unterseite, die ein flacheres Profil aufweisen kann. In dem diskusförmigen Kavitationselement 28 sind mehrere axiale Bohrungen 30 angeordnet, die eine Flüssig­ keitsströmung von der Unterseite des Elements zur Oberseite ermöglichen. Der periphere Rand des Kavi­ tationselements ist messerscharf ausgebildet, um, ähnlich wie beim Flugzeugflügel, eine Umströmung möglichst zu verhindern.

Das erfindungsgemäße Kavitationselement hat nun, wenn es sich mit etwa 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute dreht, die Wirkung, daß, infolge des Bernoulli-Effekts, eine Druckdifferenz zwischen Oberseite und Unterseite entsteht, die eine intensive axiale Strö­ mung durch die Bohrungen 30 bewirkt. Die Durchmischung ist so intensiv, daß in kürzester Zeit das in die Vor­ kammer eingeleitete Blasengemisch in eine feine Sus­ pension transformiert wird.

Das Kavitationselement, das vorzugsweise im Zusammen­ hang mit der erfindungsgemäßen Einrichtung eingesetzt wird, kann natürlich auch isoliert und selbstständig als Mischelement zur Erzeugung feinster Schäume und Suspensionen eingesetzt werden. Besonders bevorzugt ist jedoch seine Verwendung in der Vorkammer der er­ findungsgemäßen Einrichtung, in der eine Suspension erzeugt wird, die im Resonsanzraum durch die Energie der Ultraschallwandler und die damit hervorgerufenen Kavitationseffekte weiter verfeinert wird. Bei der gezeigten Ausführungsform hatte das Kavitationselement einen Durchmesser von 42 mm und eine Drehzahl von 3000 bis 8000 Umdrehungen pro Minute. In der dabei erzeugten Suspension hatten die Gasbläschen einen mittleren Durch­ messer von 0,6 mm.

Dem Resonsanzraum 10 nachgeschaltet ist ein Amplituden­ transformer 32, der im wesentlichen aus einem massiven Kern besteht, um den herum sich spiralförmig Kanäle winden, die in der Art einer mehrgängigen Schrauben­ linie angeordnet sind. Durch die unterschiedliche Schallgeschwindigkeit im Material des Amplitudentrans­ formers wird die Frequenz des Ultraschallwandlers er­ niedrigt und die Amplitude erhöht. Die die Kanäle durchströmende Suspension wird dadurch noch weiter verfeinert, d. h. die Gasbläschen werden nochmals auf­ gespalten und geteilt. Die den Amplitudentransformer 32 verlassende Suspension ist quasi transparent, d. h. die Gasbläschen sind so klein, daß sie mit freiem Auge nicht wahrgenommen werden können - das Gas wurde physi­ kalisch gelöst. Im Amplitudentransformer findet bei­ spielsweise eine Reduzierung der Frequenz von 1,6 MHz auf 1,1 MHz statt. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Amplitude der Schwingung entsprechend.

Wenn auch die gezeigte Einrichtung in erster Linie zur Gasbeladung von Polyol im Rahmen der Herstellung von Polyurethan-Schaumstoff geeignet ist, so können damit auch Polyätherschäume erzeugt werden. Statt einer Gasbeladung der Rezepturkomponenten unter hohem Druck kann bei Verwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung bei normalem Druck und normaler Temperatur geschäumt werden.

Bei der Herstellung von Polyurethan konnte mit der er­ findungsgemäßen Einrichtung eine Verringerung der Roh­ dichte um etwa 10% erreicht werden. Die Beladung von Polyol mit Kohlendioxid konnte von 1,2 g pro 20 ml durch Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichtung verzehnfacht werden.

Die unter Verwendung der Einrichtung erzeugten Schaum­ stoffe zeichnen sich durch ein geringeres Raumge­ wicht und eine geringere Wärmeleitfähigkeit bzw. besse­ re Dämmwirkung aus.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Beladung von viskosen Flüssig­ keiten mit Gasen, insbesondere mit Polyolen für die Herstellung von Polyurethan mit vorzugsweise Kohlen­ dioxid, gekennzeichnet durch einen Resonanzraum (10) in dem wenigsten ein Ultraschall­ wandler (14) freischwingend gelagert ist, einer dem Resonanzraum (10) vorgeschalteten Vorkammer (22), in welcher ein mechanisches Kavitationselement (28) an­ geordnet ist, durch welches eine innige Vermischung des in die Vorkammer (22) eingeleiteten Gases und der Flüssigkeit bewirkt wird und einem der Resonanz­ kammer (10) nachgeschalteten Amplitudentransformer (32) 2. Einrichtung nach-Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzraum (10) zentralsymmetrisch ausgebil­ det ist und eine solche Form hat, daß die Energie meh­ rerer, sich jeweils paarweise gegenüberliegender oder kreisförmig angeordneter Ultraschallwandler (14) im geometrischen Mittelpunkt des Resonanzraums (10) fo­ kussiert wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeweils zwei Ultraschallwandler (14) paar­ weise gegenüberliegen.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (14) jeweils in einer zum Mittelpunkt des Resonanzraums (10) offenen Kammer (12) angeordnet sind und die Rückwand der Kammer (12) konkav gewölbt ist, so daß darauf abgestrahlte Ener­ gie zum Mittelpunkt des Resonanzraums (10) reflek­ tiert wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwandler (14) Membranplatten sind, die frei umströmbar zwischen zwei elektrischen vonein­ ander isolierten sternförmigen Kontaktspinnen gelagert sind, die in der Wand der Kammer (12) verankert sind und über welche die Ultraschallwandler mit elektrischem Strom versorgt werden.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kavitationselement (28) eine diskusartige Form hat und am Ende einer schnell rotierenden flie­ genden Welle befestigt ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kavitationselement (28) axial zur Antriebs­ welle gerichtete Bohrungen (30) aufweist und die Wöl­ bung der beiden Hauptflächen des Kavitationselements, d. h. Unterseite und Oberseite unterschiedlich sind, so daß bei Drehung des Kavitationselements eine Druckdifferenz zwischen der Ober- und Unterseite des Kavitationselements entsteht, die eine axiale Strömung der Flüssigkeit durch die Bohrungen (30) hervorruft.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang der Bohrungen (30) in die gewölbte Unter- bzw. Oberseite des Kavitationselements (28) gerundet ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Antriebswelle gerichtete Oberseite des Kavitationselements (28) stärker gewölbt ist, d. h. einen kleineren Krümmungsradius aufweist, als die Unterseite, die ein flacheres Profil besitzt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der radial äußere Rand des Kavitationselements (28) messerscharf aus läuft.

11. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudentransformator (32) mehrere enge Kanäle aufweist, die, wie die Gänge einer mehr­ gängigen Schraube, einen massiven Kern umgeben und die von der Flüssigkeits-Gas-Suspension vom Reso­ nanzraum (10) zum Ausgang durchströmt werden.