DE4323212A1 - Vorrichtung zum Behandeln strömender Medien mit Ultraschall - Google Patents

Description

Die Behandlung strömender Medien mit Ultraschall ist bekannt. So beschreibt die DE-PS 8 55 521 ein Verfahren zum Reinigen von Abwässern und anderen Flüssigkeiten, bei dem die Flüssigkeit gleichzeitig der Einwirkung von Ultraschallschwingungen und einer Bestrahlung mit Ultraviolettstrahlen ausgesetzt wird. Die Ultraschallschwingungen sollen Kleinlebewesen abtöten und zugleich die keimtötende Wirkung der Ultraviolettstrahlen unterstützen, indem die in der Flüssigkeit erzeugten mechanischen Schwingungen die Flüssigkeit besser für die Einwirkung der Ultraviolettstrahlen aufschließen und die Druckschwankungen zu Reflexionen und damit zu einer Verlängerung des Einwirkungsweges der Ultraviolettstrahlen führen.

Weiterhin zeigt die CH-PS 294 746 eine Vorrichtung zum Beschallen strömender Flüssigkeiten in einem Durchlaufgefäß mit schallreflektierenden Wänden, bei der die den Beschallungsraum begrenzenden Flächen eben sind, um das Entstehen von Brennpunkten oder Brennlinien im Strahlungsfeld zu vermeiden. Dabei kann der Schwingungserzeuger zu den Flächen der Gefäßwandung derart geneigt angeordnet sein, daß die Schallstrahlen beim Durchlaufen des Gefäßes mehrfach an gegenüberliegenden Flächen der Gefäßwandung reflektiert werden.

Weiterhin ist es aus dem Buch "Der Ultraschall", 6. Auflage, 1954 von L. Bergmann, vgl. insbesondere Seiten 918-934 bekannt, in Flüssigkeiten stehende Ultraschallwellen solcher Intensität zu erzeugen, daß Kavitation eintritt und hierdurch Bakterien und Kleinlebewesen zerstört werden. Aus dem Buch "Sonics", 1995 von T. F. Hueter und R. H. Bolt, S. 202-207 ist es bekannt, in einem Behälter unterschiedliche Schallfelder für Verfahrensprozesse zu erzeugen.

Durch die in den unabhängigen Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung wird eine Vorrichtung geschaffen, mit deren Hilfe stehende Ultraschallwellen in einem strömenden Medium erzeugt werden, so daß bei geeigneter Intensität dieser stehenden Wellen Kavitation auftritt und im strömenden Medium enthaltene Kleinstlebewesen, wie Plankton und Einzeller, zerstört werden. Da die Abmessungen der Strömungsöffnungen im Schallreflektor klein im Vergleich zur Wellenlänge der Ultraschallwellen im beschallten Medium sind, stellt sich der Reflektor für das Schallfeld als geschlossene Fläche dar und ermöglicht somit den Aufbau stehender Wellen, die hauptsächlich senkrecht zur Strömungsrichtung ausgerichtet sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, insbesondere der Reflektoren und deren Anordnung im Strömungsweg, sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Besonders wirkungsvoll ist eine Ausgestaltung der Öffnungen im Reflektor als Resonatoren. Die Erfindung kann sowohl für die Behandlung von Trinkwasser als auch bei der Behandlung von Abwasser und Prozeßwasser vorteilhaft eingesetzt werden. Die Reinigungswirkung kann entweder allein durch die Einwirkung von Ultraschall oder in Verbindung mit anderen Maßnahmen, beispielsweise der Bestrahlung mit Ultraviolettlicht oder die Einbringung von Sauerstoff, Ozon oder anderen keimtötend oder chemisch wirkenden Stoffen erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand in den Zeichnungen wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Darin zeigen:

die Fig. 1 bis 6 vorteilhafte Ausgestaltungen der Reflektoren, und

die Fig. 7 bis 16 die Anordnung solcher Reflektoren und von Ultraschallerzeugern in der Behandlungsvorrichtung zwecks Erzielung stehender Ultraschallwellen im Strömungsweg der Flüssigkeit.

Fig. 1 zeigt einen Reflektor in Form einer gelochten Platte, vorzugsweise einer schallweichen Kunststoffplatte 1, deren Durchgangslöcher 2 einen Durchmesser haben, welcher klein ist im Vergleich zur Wellenlänge der Ultraschallwellen in dem die Löcher 2 durchströmenden Medium.

Fig. 2 stellt schematisch ein Gewebe 3, beispielsweise ein Metallgeflecht dar, dessen lichte Weite zwischen den einzelnen Drähten oder Metallfäden klein zur Wellenlänge der Ultraschallwellen gewählt ist.

In Fig. 3 ist wiederum als Teil eines Ultraschallreflektors eine Kugelpackung 4, beispielsweise aus Metallkugeln oder metallisierten Kunststoff- oder Kunststoffhohlkugeln dargestellt, wo wiederum der zwischen den einzelnen Kugeln verbleibende Maximalabstand klein zur Wellenlänge ist, so daß die Kugelpackung insgesamt für die Ultraschallwellen als Reflektor wirkt.

Die gezeigten Reflektoren können dabei zugleich als Schwebstoffilter für das durchströmende Medium verwendet werden. In diesem Falle kann bei der Reinigung des Filters im Rückspulverfahren das Ablösen der aufgefangene Schmutzteilchen vom Filter durch Beaufschlagung des Filters mit Ultraschall unterstützt werden. Rückspülbare Filter mit Ultraschallunterstützung sind an sich bekannt. Die Kugelpackung kann durch Verkleben der Kugeln oder durch die Kugelschichten begrenzende Gitter zusammengehalten werden. Sollen in dem den Reflektor durchströmenden Medium chemische, insbesondere katalytische Reaktionen durchgeführt werden, so empfiehlt es sich, den Reflektor für diese Zwecke als Metallkatalysator auszubilden.

Anstelle einer Kugelpackung gemäß Fig. 3 kann auch ein anderes poröses, an seiner Oberfläche einen Reflektor bildendes Material verwendet werden.

Eine weitere Ausführungsform eines Reflektors zeigt Fig. 4. Dort wird der Reflektor aus von der Strömung getragenen Körpern, z. B. Hohlkugeln 5 in einem Schwebbett, gebildet.

In den Fig. 5 und 6 sind Teilschnitte durch Reflektoren wiedergegeben, bei denen die Strömungseinlaßöffnungen 6 und die Strömungsauslaßöffnungen 7 in ihrem Durchmesser klein zur Wellenlänge der Ultraschallwellen bemessen sind und innerhalb der Reflektorplatte 8 als Schallresonatoren ausgebildete Hohlräume 9 vorgesehen sind. Während in Fig. 5 die Reflektorplatte aus zwei Schichten mit entsprechenden Ausnehmungen 9, 7 bzw. 9, 6 zusammengesetzt ist, zeigt Fig. 6 eine dreischichtige Ausführungsform, bei der in den beiden Deckschichten 10 und 11 die Einlaß- bzw. Auslaßöffnungen 6 und 7 vorgesehen sind, während die dazwischen liegende Schicht 12, die im Durchmesser größeren Durchbrechungen 9 zur Bildung der Resonatoren aufweist.

In Fig. 7 ist schematisch eine erste Ausführungsform der Behandlungsvorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt. Sie verwendet einen Reflektor 1 der zuvor anhand von Fig. 1 erläuterten Bauart. Er ist als Boden in die untere Einlaßseite eines vertikalen Schachtes oder Rohres 21 eingesetzt, in welches Wasser oder eine andere zu behandelnde Flüssigkeit von unten einströmt. Unterhalb des Rohres 21 befindet sich ein Behälter 22, in dessen Boden 24 eine aus mehreren elektromechanischen Wandlern 23 bestehende Quelle für Ultraschallwellen eingesetzt ist. Das zu behandelnde Wasser tritt durch ebenfalls im Boden 24 vorgesehene Eintrittsöffnungen 25 von unten in das Gefäß ein. Es könnte jedoch auch von der Seite zugeführt werden. Die Wandleranordnung 23 erzeugt in Verbindung mit dem Reflektor 1 innerhalb des Gefäßes stehende Ultraschallwellen 26, deren Druckamplituden so groß sind, daß in der Flüssigkeit enthaltene Mikroorganismen, z. B. Plankton, Einzeller und dergleichen, zerstört werden. Gegebenenfalls erfolgt anschließend innerhalb des Rohres 21 oder später eine zusätzliche Behandlung der Flüssigkeit mit Ultraviolettlicht oder weiteren Maßnahmen zur Wasserreinigung. Dem Behälter 22 können geeignete mechanische Filter vorgeschaltet sein. Anstelle des gezeigten, der Ausführungsform nach Fig. 1 entsprechenden Reflektors 1 kann auch einer der anderen anhand der Fig. 1 bis 3, 5 und 6 dargestellten Reflektoren eingesetzt werden.

Bei einer abgewandelten Ausführungsform entfällt der Reflektor 1 und als Reflektor dient ein im Rohr 21 vorgesehenes Schwebbett gemäß Fig. 4.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Wandleranordnung 30 schräg auf den Reflektor 1 gerichtet ist. Der Winkel 31 zwischen dem Reflektor 1 und der Wandleranordnung 30 bestimmt in bekannter Weise die Amplitude der Stehwelle in Abhängigkeit von der Richtcharakteristik der Wandleranordnung und den Abstand der Stehwellenebenen 26 entsprechend

mit
λ = Wellenlänge des Schalls in Medium, und
ϕ = Winkel zwischen Reflektor und Wandler.

Ein Feld stehender Wellen 26 entsteht, wie dies in der Sonartechnik zum elektronischen Schwenken von Antennendiagrammen bekannt ist, ebenso durch eine phasenversetzte Ansteuerung der einzelnen Wandler der Wandleranordnung 30. Gegebenenfalls ist die Wandleranordnung 30 über ein Gelenk 31 schwenkbar innerhalb des Behälters oder Zulaufs 22 befestigt.

Bei größeren Anlagen, bei denen ein Stehwellenfeld größerer Abmessung benötigt wird und hierzu mehrere Schallwandler eingesetzt werden, bereitet vielfach die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Schallwandlern oder Wandlergruppen Schwierigkeiten. Es kann zu gegenseitigen Störungen des von den einzelnen Wandlern erzeugten Schallfeldes kommen. Um dies zu vermeiden, zeigen die Fig. 9 und 10 Ausführungsformen, bei denen die einzelnen Wandler 32 bzw. 32′ durch dazwischen liegende Reflektoren 33 bzw. 34 akustisch voneinander entkoppelt sind. In Fig. 9 werden ebene Reflektoren 33 und in Fig. 10 gewölbte Reflektoren 34 verwendet. Auch hier kann die Erzeugung der stehenden Wellen 26 durch phasenversetzte Erregung der in den einzelnen Wandlergruppen 32 bzw. 32′ vorgesehenen Einzelwandler erfolgen. Sollen stehende Wellen zu beiden Seiten der Reflektoren 33, 34 erzeugt werden, so finden beidseitig abstrahlende Wandler 32′ Anwendung.

Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungsform ist die Wandleranordnung 35 ähnlich wie in Fig. 8 schräg auf den Reflektor 1 gerichtet und in einem seitlichen Stutzen 36 des Rohres 21 angeordnet. In Fig. 12 ist die Wandleranordnung 37 in die Seitenwand des Rohres, Schachtes oder Kanals 21 eingesetzt. Auch hier wird das Strahlungsdiagramm gegebenenfalls elektronisch auf den Reflektor 1 gerichtet, um stehende Wellen 26 zu erzeugen. Das Feld stehender Wellen könnte auch unter Verzicht auf den Reflektor durch einen in einen bestimmten Abstand zum ersten Wandler angeordneten zweiten Wandler erzeugt werden.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 13 und 14 erfolgt die Behandlung des Mediums an zwei Stellen seines Durchflußweges im Gegenstromverfahren. In Fig. 13 fließt das Medium im rechten Teil des Behälters 38 durch den Reflektor 1′ nach unten auf die Wandler 39 zu, wird anschließend nach weiterer Behandlung zum Reflektor 1 umgeleitet und strömt durch diesen hindurch nach oben.

Ultraschallgeneratoren 39 erzeugen im Zusammenwirken mit den Reflektoren 1 und 1′ zwei Stehwellenfelder 26 und 26′ im Behälter 38.

Eine ähnliche Anordnung zeigt Fig. 14 mit der Ausnahme, daß hier Zustrom und Rückstrom nicht nebeneinander, sondern konzentrisch zueinander angeordnet sind. Die Flüssigkeit strömt durch ein inneres Rohr 40 und den Reflektor 1′ nach unten und verläßt das Gefäß 38 durch die ringförmigen Reflektoren 1 nach oben.

Schließlich zeigen die Fig. 15 und 16 Ausführungsformen der Vorrichtung, bei welcher der die Ultraschallwellen erzeugende Wandler konzentrisch zum Strömungsweg angeordnet ist. Der Wandler 41 in Fig. 15 hat ringförmige Gestalt und bestrahlt einen kegelförmigen Reflektor 42. Der Innendurchmesser des Ringwandlers 41 stimmt mit demjenigen des Rohres 21 überein.

In Fig. 16 ist demgegenüber ein säulenförmiger Dickenschwinger 43 als elektroakustischer Wandler zentral innerhalb des Rohres 21 angeordnet und wird von einem ebenfalls kegelförmigen Reflektor 42 gehalten. Diese ist im linken Teil im Schnitt und im rechten Teil in Ansicht wiedergegeben, wobei als Beispiele unterschiedliche Lochdurchmesser und Lochabstände dargestellt sind. Das der Strömung zugewandte Ende 44 des Wandlers 43 ist stromlinienförmig gestaltet, um das Entstehen von Turbulenzen innerhalb der Strömung weitgehend zu unterdrücken, weil diese der Erzeugung stehender Schallwellen abträglich wären. Der Wandler 43 ist ein Rundumstrahler, welcher zusammen mit dem Reflektor 42 sowie ggf. auch mit den Wandteilen 45 des Rohres 21 das gewünschte Feld 26 stehender Schallwellen entstehen läßt.

Claims (16)

1. Vorrichtung mit einem Ultraschallgenerator zum Behandeln strömender Medien mit Ultraschall, ge­ kennzeichnet durch die Verwendung wenigstens eines durchströmten Schallreflektors (1, 33, 34, 42) zur Erzeugung stehender Ultraschallwellen im Medium, wobei die Strömungsöffnungen (2) im Schallreflektor klein im Vergleich zur Wellenlänge der Ultraschallwellen im beschallten Medium sind.

2. Vorrichtung mit einem Ultraschallgenerator zum Behandeln strömender Medien mit Ultraschall, ge­ kennzeichnet durch die Verwendung wenigstens eines durchströmten Schallreflektors (1, 33, 34, 42) zur Erzeugung stehender Ultraschallwellen im Medium, wobei die Abmessungen der Strömungsöffnungen im Schallreflektor in der Größenordnung einer Wellenlänge der Ultraschallwellen im beschallten Medium liegen und die Strömungskanäle im Reflektor als Resonatoren ausgebildet sind.

3. Vorrichtung mit einem Ultraschallgenerator zum Behandeln strömender Medien mit Ultraschall, ge­ kennzeichnet durch die Verwendung wenigstens eines durchströmten Schallreflektors (1, 8, 33, 34, 42) zur Erzeugung stehender Ultraschallwellen im Medium, wobei die Abmessungen der Strömungsöffnungen (6, 7) im Schallreflektor (8, 10, 11, 12) klein im Vergleich zur Wellenlänge der Ultraschallwellen im beschallten Medium sind und zwischen den Strömungsöffnungen liegende Hohlräume (9) innerhalb des Reflektors als Resonatoren ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß der Reflektor (1, 8, 10 bis 12) aus mehreren Schichten aufgebaut ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Reflektor (3) aus einem Gewebe besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Reflektor aus einer Kugelpackung (4) besteht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Reflektor aus in einem Schwebbett von der Strömung getragenen Reflexionskörpern (5) besteht.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß der Reflektor zumindest teilweise aus einem chemisch, vorzugsweise katalytisch wirksamen Material besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ultraschallgenerator (23, 39) mit seiner Abstrahlfläche parallel zur ihm zugewandten Fläche des Reflektors (1, 1′) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Ultraschallgenerator (30, 32, 35, 41, 43) mit seiner Abstrahlfläche schräg zur ihm zugewandten Fläche des Reflektors (1, 33, 34, 42) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche mit mehreren Ultraschallgeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallgeneratoren (32) durch dazwischen angeordnete Reflektoren (33, 34) akustisch entkoppelt sind.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung wenigstens eines beidseitig oder rundum abstrahlenden Ultraschallgenerators (32, 41, 43).

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (42) kegelförmig ausgebildet und konzentrisch in einem vom Medium durchströmten Rohr (21) angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschallgenerator (41) ringförmig den Reflektor (42) umgibt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ultraschallgenerator (43) im Zentrum des kegelförmigen Reflektors (42) angeordnet und von diesem getragen ist.

16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit mehreren Ultraschallgeneratoren, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallfelder der Wandler elektronisch geschwenkt werden.