DE4433744A1 - Vorrichtung zur Erzeugung flüssiger Systeme, insbesondere von Emulsionen, Suspensionen od. dgl. in einem hydrodynamischen Kavitationsfeld - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung flüssiger Systeme, insbesondere von Emulsionen, Suspensionen od. dgl. in einem hydrodynamischen Kavitationsfeld.

Es ist in der US-PS 3 834 982 eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Suspension von Fasermaterialien beschrieben. Die bekannte Vorrichtung besteht aus einem Gehäuse, das eine Eingangsöffnung für die Zufuhr von Komponenten einer Fasermaterialsuspension und eine Ausgangsöffnung für die Entnahme der kavitierten Fasermaterialsuspension sowie einen Konfusor, eine Durchflußkammer mit einem in ihr plazierten, aus einem Stück bestehenden, schwer umströmbaren zylindrischen Körper und einen Diffusor besitzt, die von der Eingangsöffnung aus hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Der Komponentenstrom durchströmt die Durchlaßkammer mit dem in ihr quer zur Strömungsrichtung plazierten Zylinder, wobei dieser eine lokale Verjüngung der Fasermaterialsuspension erzeugt sowie hinter dem Zylinder ein hydrodynamisches Kavitationsfeld ausbildet, das auf die Fasermaterialsuspension einwirkt. Hinter dem Zylinder vollziehen sich Dispergierungsprozesse infolge von Kavitationswirkungen, die in der zu bearbeitenden Fasermaterialsuspension zielgerichtet auf hydrodynamischem Wege durch rapide Veränderung der Strömungsgeometrie durch einen Zylinder geschaffen werden. Die Kavitation besteht darin, daß am Rande des Zylinders infolge einer lokalen Verminderung des Drucks, die durch die Bewegung der Flüssigkeit bedingt ist, mit Dampfgas gefüllte Höhlungen gebildet werden. Die vermischende und dispergierende Wirkung der hydrodynamischen Kavitation ist das Ergebnis einer Vielzahl von Krafteinwirkungen der zerplatzenden Kavitationsbläschen auf das zu bearbeitende Faser-Flüssigkeits-Gemisch. Das Zerplatzen der Kavitationsbläschen in der Nähe der Grenzphase der Phasentrennung "Flüssigkeit-Fasern" wird von einer Dispergierung der Fasern in der Flüssigkeit und einer Suspensionsbildung begleitet. Hier vollzieht sich eine Zerstörung der Grenze der Trennung der kompakten Phasen, d. h. ihre Erosion. Es wird ein Dispersionsmilieu und eine Dispersionsphase gebildet. Nach diesem Dispergierungsvorgang wird die kavitierte Fasermaterialsuspension über die Ausgangsöffnung einem Überlaufgefäß zugeführt, aus dem der kleinere Teil der kavitierten Fasermaterialsuspension in einen Endproduktbehälter geleitet und der übergelaufene größere Teil über einen Rückführungsbehälter in die Eingangsöffnung der Vorrichtung zurückgepumpt wird.

Das Problem dieser bekannten Vorrichtung besteht darin, daß ihr eine ausreichende Effektivität des Prozesses der Dispergierung der Fasermaterialien fehlt, weil die Intensität des entstehenden Kavitationsfeldes trotz Zurückpumpens des übergelaufenen größeren Teils der bereits kavitierten Fasermaterialsuspension nicht hoch genug ist. Der Einsatz eines Überlaufgefäßes und die unbestimmte Rückführung des übergelaufenen Teils lassen eine definierte Regulierung der Intensität des Kavitationsfeldes vermissen. Damit sind die technologischen Anwendungsmöglichkeiten der bekannten Vorrichtung begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung flüssiger Systeme, insbesondere von Emulsionen, Suspensionen od. dgl. in einem Kavitationsfeld anzugeben, die einen geeignet gestalteten Kavitator sowie eine geeignete Konstruktion aufweist, die es ermöglichen, eine hohe Intensität des Kavitationsfeldes zu erzeugen und diese Intensität zu regeln.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in der erfindungsgemäßen Vorrichtung ein Gehäuse vorhanden ist, das eine Eingangsöffnung für die Zufuhr mindestens eines Komponentenstroms und eine Ausgangsöffnung für die Entnahme des kavitierten Systems besitzt und ein Eingangsteil, einen Konfusor, eine Durchlaßkammer mit einem darin plazierten, schwer umströmbaren Körper, einen Diffusor sowie ein Ausgangsteil, die hintereinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind, enthält. Der schwer umströmbare Körper ist axial zur Mittelachse der Durchflußkammer an einem Zwischenteil angeordnet, das an der Wandung der Durchflußkammer befestigt ist. Erfindungsgemäß ist der schwer umströmbare Körper als Kegelstumpf ausgebildet, dessen große Basis zur Ausgangsöffnung gerichtet ist und der eine Kombination mehrerer schwer umströmbarer Teilkörper darstellt, zwischen denen sich jeweils ein durchströmbarer Hohlraum befindet. Die schwer umströmbaren Teilkörper sind zum größten Teil körperlich gestaltete Flächen, insbesondere die Basisflächen bzw. die Mantelfläche des Kegelstumpfes. Wesentlich sind die zwischen den Teilkörpern vorhandenen Hohlräume. Auch schwer umströmbare Teilkörper erzeugen bei entsprechender lokaler Verjüngung des Komponentenstroms Kavitationsfelder. Bei mehreren vorhandenen Teilkörpern dieser Art entstehen somit mehrere Kavitationsfelder.

Ebenso wird durch mindestens zwei hintereinander angeordnete Kavitatoren (einem ersten und einem zweiten Kavitator) auch unterschiedlicher Kegelstumpfausführung in unterschiedlich dimensionierten Durchflußkammern eine Überlagerung von Kavitationsfeldern herbeigeführt. Damit wird ein Gesamtkavitationsfeld hoher Intensität erzeugt. In einer Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann durch eine Leitung, die zwischen dem Ausgangsteil und der Durchflußkammer vor einem Kavitator montiert und in der ein Regelelement angeordnet ist, kontrollierbar geregelt werden, wie ein definiert zurückgeführter und wiedereingeströmter Teil eines bereits kavitierten flüssigen Systems die hinter den Kegelstumpfbereichen vorhandenen Kavitationsfelder und somit ein Superkavitationsfeld als summarisches Kavitationsfeld beeinflußt.

Dadurch, daß ein Kegelstumpf mit mindestens einem Hohlraum und mindestens zwei Teilkörpern in einer Durchflußkammer plaziert sind, sind mindestens zwei schwer umströmbare Körper vorhanden, die Ausgangspunkt für zwei Abschnitte einer lokalen Verjüngung des Komponentenstromes innerhalb einer Durchlaßkammer und somit von Kavitationsfeldern sein können. Dabei ist das Querschnittsprofil dieser Abschnitte durch die geometrischen Maße der schwer umströmbaren Körper und den Abstand zwischen ihnen sowie deren Lage in der Durchflußkammer definiert.

Diese Parameter werden sich auf die Geometrie des Komponentenstromes und auf seine Geschwindigkeit über die Länge der Durchflußkammer auswirken, was die Erosionsaktivität des Feldes der Kavitationsbläschen hinter jedem der schwer umströmbaren Körper bestimmt. Eine Veränderung der Parameter des Komponentenstroms führt zur Entstehung hydrodynamischer Effekte, durch die sich Druckwellen bilden, die intensiv auf das Feld der Kavitationsbläschen einwirken.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Überlagerung von zwei Kavitationsfeldern ein Superkavitationsfeld mit intensiven Mikrovorgängen entsteht. Es entstehen Bedingungen für ein koordiniertes Zerplatzen ganzer Gruppen von Kavitationsbläschen in lokalem Umfang bei gleichzeitiger Bildung voluminöser Druckwellen hoher Energie, bei deren Ausbreitung der Zerfall der Kavitationskavernen und das Zerplatzen ganzer Gruppen von Kavitationsbläschen, die sich im Zerplatzungsprozeß befinden, intensiviert wird. Bei einem koordinierten Zerplatzen ganzer Gruppen von Kavitationsbläschen mit gleichen charakteristischen Maßen sind die Intensität und das energetische Potential des Kavitationsfeldes um ein Vielfaches höher als beim einzelnen, unkoordinierten Zerplatzen der Bläschen. Auf diese Weise erfolgt eine Konzentration der Energie und eine Erosionswirkung auf den Strom der Komponenten, die bearbeitet werden. Intensiven Einfluß auf diesen Komponentenstrom üben die Druckwellen aus, die beim jeweiligen Aufprall der Kavitationsbläschen nach dem ersten schwer umströmbaren Körper gegen die Wand der Kavitationsbläschen nach dem zweiten schwer umströmbaren Körper entstehen.

Im Falle der als Teilkörper ausgebildeten Basisflächen eines Kegelstumpfes in Form von Lamellen entstehen auf deren Scheiteln Druckwellen, die die Bedingungen für das Entstehen von Vibrationsturbulenzeffekten in lokalem Umfang der Durchlaßkammer schaffen. Diese Turbulenzeffekte beschleunigen den Zerfall der Kavitationskavernen in ein gleichförmigeres Feld bezüglich der kleinen Kavitationsbläschen, wobei sie eine hohe Effektivität ihres koordinierten Zerplatzens bedingen. Durch eine Vergrößerung der Anzahl der hintereinander angeordneten Lamellen in einer Kombination zu einem Kegelstumpf, die gleichzeitig eine Erhöhung der Zahl der Abschnitte lokaler Verjüngung bedeutet, durch eine entsprechende Auswahl des Querschnittprofils sowie des Abstandes zwischen den Lamellen gelingt es, die Zahl von Zonen der kavitativen Einwirkung auf den zu bearbeitenden Komponentenstrom zu erhöhen.

Die Erfindung eröffnet des weiteren die Möglichkeit, die Intensität des entstehenden hydrodynamischen Superkavitationsfeldes entsprechend den technologischen Prozessen zu regulieren.

Die Erhöhung der Intensität des Kavitationsfeldes und die Zuverlässigkeit seiner Regulierung werden durch das Vorhandensein einer regulierten Rückführung, das Zuführen von Komponenten über den im ersten Kavitator enthaltenen Ejektor, das Kegelverhältnis der beiden schwer umströmbaren Körper von 15-75% (größtenteils 60%), die elastischen Elemente, die eine Stärke von 0,01-10 mm haben, und das Durchmesserverhältnis der elastischen Elemente zu den Lamellen des Kegelstumpfes im Bereich von 0,3-0,9 gewährleistet.

Angesichts dieser Parameter der erfindungsgemäßen Vorrichtung verteilt sich der Strom der zu bearbeitenden Komponenten gleichmäßig in der Durchlaßkammer. Es wird gewährleistet, daß hinter jedem der Kegelstumpfe und jedem seiner Teilkörper die gleichen hydrodynamischen Bedingungen für die Entstehung eigener hydrodynamischer Kavitationsfelder vorhanden sind. Die Ausführung der schwer umströmbaren Körper in Form von Kegelstumpfen mit verschiedenen Kegelöffnungswinkeln schafft die Bedingung dafür, daß durch sie die hinsichtlich der Intensität unterschiedliche Kavitationsfelder erzeugt werden. Hinter jedem der Körper und Teilkörper bilden sich in bezug auf den Bau und der Größe unterschiedliche, nichtstationäre, sich vermischende Kavernen, die im Bereich erhöhten Drucks Kavitationsbläschen mit einer Größe bilden, welche die Struktur der geschaffenen Kavitationsfelder bestimmen. Diese Kavitationsfelder wirken untereinander und gewährleisten dabei, daß die Bläschen intensiv vermischt werden und durch sie der Strom der zu bearbeitenden Komponenten in der gesamten Durchlaßkammer gesättigt wird. Aufgrund der polydispersen Struktur der Kavitationsfelder erhöht sich die Einzelkonzentration der Kavitationsbläschen in einer Zone, wo sie zerplatzen (Zerplatzungszone), die den Kavitationseffekt bei der Bearbeitung verstärkt. Die unterschiedlichen Durchmesser der Körper und Teilkörper rufen ebenfalls eine unterschiedliche Häufigkeit des Abreißens der sich hinter diesen ausbildenden Kavitationskavernen hervor. Aus diesem Grunde wirken in der Zerplatzungszone auf die Kavitationsbläschen polyfrequente Druckimpulse, die die Bedingungen für das koordinierte Zerplatzen ganzer Gruppen von Kavitationsbläschen gleicher Größe bilden. Die Druckwellen, die dabei am folgenden Kavitator entstehen, erhöhen den Druck in der Zerplatzungszone, und das breite Spektrum der polyfrequenten Druckpulsationen wirkt sich nicht nur auf die zerplatzenden Kavitationsbläschen aus, sondern auch auf die sich im Strom vermischenden Kavitationskavernen, indem sie ihre Zerstörung beschleunigen und damit den Prozeß des Vermischens, Dispergierens oder Emulgierens der zu bearbeitenden Komponenten intensivieren.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung in der Ausführung der hintereinander angeordneten Kegelstumpfe besteht darin, daß zur Erhöhung der Intensität des Superkavitationsfeldes außerdem die Längs- und Radialresonanzvibrationen des zweiten Kavitators beitragen, die unter dem Einfluß des Kavitationsfeldes, das sich hinter dem ersten Kavitator bildet, entstehen, indem sie Pulsationen des Komponentenstromes und eine intensive Zerstörung der Grenzschicht auf der Oberfläche der Teilkörper, hinter denen sich die Kavitationsfelder bilden, hervorrufen. Durch diese Kavitationsfelder geht der Verdünnungsimpuls (Vakuumimpuls), der den sich bildenden Kavitationsbläschen ausreichend große Anfangsgrößen und schließlich eine hohe Potentialenergie sichert. Wenn der erhöhte Druckimpuls anschließend diese Kavitationsfelder passiert, zerplatzen sie noch rigoroser. Die zusätzlich angesammelte potentielle Energie gestattet es, eine große Zwischenphasenoberfläche der Komponenten des zu bearbeitenden Stromes zu erhalten. Außerdem tragen die Pulsationen der Kavitationsfelder, die durch den zweiten Kavitator und insbesondere durch die elastischen Lamellen hervorgerufen werden, zur Entstehung zusätzlicher Kavitationsbläschen in der gesamten Durchflußkammer bei, was die Erosionswirkung dieser Felder auf den Strom der zu bearbeitenden Komponenten erhöht. Zwecks Steigerung der hydrodynamischen Kavitationswirkung auf den Komponentenstrom werden die Teilkörper, vorzugsweise die Lamellen aus elastischem, nichtmetallischem Material gefertigt. Sie können aber auch mit einer Schicht aus elastischem, nichtmetallischem Material, beispielsweise Gummi, überzogen werden. Die Intensivierung ist auf das hohe Energiepotential der entstehenden Kavitationsfelder zurückzuführen, das durch die Vibration des nichtmetallischen Materials sowie die Reflexion der Druckwellen noch verstärkt wird.

Die Erfindung läßt sich infolge der Qualität der erzeugten flüssigen Systeme in der chemischen bzw. petrolchemischen Industrie bei der Herstellung von Farben, Lacken, Insektiziden und Schmierölen, in der Brennstoff- und Energiewirtschaft für die Brennstoffherstellung auf der Basis von Masuten und Heizölen, im Maschinenbau für die Herstellung von Emulsionen, Schmier- und Kühlflüssigkeiten, in der kosmetischen Industrie bei der Produktion von Flüssigwasch- und Reinigungsmitteln, Lotiones und Vitaminpräparaten, in der Lebensmittelindustrie bei der Produktion von Likören, Fruchtsäften, alkoholischen Getränken, Soßen und Milchprodukten sowie bei der Herstellung von Fotoemulsionen, Ölemulsionen für die verschiedensten Anwendungsbereiche oder bei der Abwasserbereinigung mittels Reagenzmethode anzuwenden.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand mehrerer Ausführungsbeispiele, die in Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Lamellenkombination als Kegelstumpf,

Fig. 2 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Mantelteilkörper und Einsatz im inneren Hohlraum und

Fig. 3 schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Kegelstumpfe und geregelter Rückführung.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung flüssiger Systeme dargestellt. Sie besitzt ein Gehäuse 1, das eine Eingangsöffnung 2 für die Zufuhr eines Stroms zu bearbeitender Komponenten und eine Ausgangsöffnung 3 für die Entnahme des kavitierten flüssigen Systems, beispielsweise einer Suspension besitzt. Zum Gehäuse 1 gehören ein Konfusor 4, eine zylinderförmige Durchlaßkammer 5 und ein Diffusor 6, die in dieser genannten Reihenfolge hintereinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind. In der Durchlaßkammer 5 befindet sich ein schwer umströmbarer Körper 7, der eine Kombination von neun hintereinander angeordneten, mit steigendem Querschnitt versehenen Lamellen 8 darstellt, zwischen denen elastische Elemente 9 axial eingesetzt sind, so daß zwischen benachbarten Lamellen 8 jeweils ein Hohlraum 10 vorhanden ist. Die Kombination der Lamellen 8 und der Elemente 9 hat die Form eines Kegelstumpfes, wobei die weiteren Scheitel 11 der Lamellen 8 die Mantelfläche eines Kegelstumpfes als Einhüllende der Querschnitte ergeben. Die kleine Basis 12 des Kegelstumpfes ist zum Konfusor 4 gerichtet. Die Lamelle 8 mit dem größten Querschnitt stellt die große Basis 13 des Kegelstumpfes 7 dar, der mittels eines Kegelstumpfhalters 14 an einem Zwischenteil 15 gelagert ist, so daß eine Rotation des Kegelstumpfes 7 um die Drehachse des Kegelstumpfhalters 14 erfolgen kann. Das Zwischenteil 15 ist an der Wandung der Durchlaßkammer 5 befestigt und weist Öffnungen 16 auf, die parallel zur Drehachse des Kegelstumpfhalters 14 verlaufen. Die Lamellen 8 und die Wandung der Durchflußkammer 5 bilden, wenn der Komponentenstrom die Durchlaßkammer 5 durchströmt, jeweils einen Abschnitt einer lokalen Verjüngung des Komponentenstromes. Bedingt durch die hinter jeder Lamelle 8 befindlichen Hohlräume 10 entsteht in diesen jeweils ein räumlich kleines Kavitationsfeld, das sich mit den anderen Kavitationsfeldern von Hohlraum zu Hohlraum überlagert. In den Bereichen hinter der größten Lamelle 8 des Kegelstumpfes 7 entsteht so ein Superkavitationsfeld von hoher Intensität.

In den folgenden Ausführungsbeispielen werden für nicht konstruktiv geänderte Bauteile, die auch nicht in ihrer Funktion geändert werden, gleiche Bezugszeichen verwendet.

In einer solchen weiteren Ausführungsform enthält die schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Kegelstumpf 17 mit einem hohlen Mantelteilkörper, wie in Fig. 2 gezeigt. Der Kegelstumpf 17 ist in einem ähnlichen Gehäuse 18 untergebracht wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 dargestellt. Das Gehäuse 18 besitzt eine Eingangsöffnung 2 und eine Ausgangsöffnung 3. Zum Gehäuse 18 gehören ein Konfusor 19, eine Durchlaßkammer 20 und ein Diffusor 21, die in dieser genannten Reihenfolge hintereinander angeordnet und fest miteinander verbunden sind. In der Durchlaßkammer 20 ist der Kegelstumpf 17 mittels eines Kegelstumpfhalters 30 axial zur Mittelachse 31 der Durchlaßkammer 20 an einem Zwischenteil 22 befestigt, das mit der Wandung der Durchlaßkammer 20 fest verbunden ist. Das Zwischenteil 22 enthält Leitungen 23 und 24 zur Zufuhr von Komponenten und Gas zur Intensivierung des Kavitationsvorgangs. Des weiteren besitzt das Zwischenteil 22 mehrere Öffnungen 25, die in Richtung der Ausgangsöffnung 3 zeigen und durch die in Komponentenstrom zugeführt wird. Durch die gegebene Verengung mittels dieser Öffnungen 25 stellt das Zwischenteil 22 einen Konfusor dar. Der Mantelteilkörper des Kegelstumpfes 17 besitzt einen inneren Hohlraum 26, der mit dem Zwischenteil 22 über die Leitungen 23 und 24 mit der kleinen Basis 27 des Kegelstumpfes 17 verbunden ist. Die große Basis 28 ist geöffnet. In dem inneren Hohlraum 26 befindet sich ein als Kegel ausgebildeter Einsatz 29, dessen Kegelspitze in Richtung der kleinen Basis 27 des Kegelstumpfes 17 zeigt. Die als Teilkörper ausgebildete Mantelfläche (Mantelteilkörper) des Kegelstumpfes 17 stellt einen schwer umströmbaren Körper dar. Ebenso stellt der Einsatz 29 einen schwer umströmbaren Teilkörper dar, der einen größeren Kegelöffnungswinkel aufweist als der Kegelstumpf 17. Damit werden zwei sich verjüngende ringförmige Abschnitte ausgebildet, ein erster zwischen Wandung der Durchlaßkammer 20 und äußerer Mantelfläche des Kegelstumpfes 17 und ein zweiter zwischen innerer Mantelfläche des Kegelstumpfes 17 und der Mantelfläche des Einsatzes 29. Der über die Leitungen 23 bzw. 24 zugeführte Komponentenstrom bzw. das zuführbare Gas strömen mit hoher Geschwindigkeit in den inneren Hohlraum 26, so daß der Kegelstumpf 17 auch als Ejektor funktionieren kann, der es ermöglicht, ein Vakuum zu schaffen, durch das die Komponenten des Stroms in den Hohlraum 26 geleitet werden.

Dieses Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Der hydrodynamische Strom der zu bearbeitenden Komponenten gelangt entsprechend dem Pfeil A mit hoher Geschwindigkeit durch die Eingangsöffnung 2 und den Konfusor 19 in die Durchlaßkammer 20. Sich im Konfusor 19 verjüngend, strömt der Komponentenstrom auf den Mantelteilkörper des Kegelstumpfes 17 und passiert den ringförmigen Abschnitt einer lokalen Verjüngung. Am Rand der großen Basis 28 werden Kavitationskavernen erzeugt, die sich ebenfalls losreißen und mit dem Komponentenstrom in eine Zone erhöhten Drucks fortgetragen werden. Dort zerfallen die Kavitationskavernen mit der Bildung von Kavitationsbläschen und bilden das Kavitationsfeld. Wenn der zu bearbeitende Komponentstrom sowohl die Durchlaßkammer 20 als auch den inneren Hohlraum 26 durchströmen, entsteht hinter den beiden sich verjüngenden Abschnitten ein verstärktes Kavitationsfeld. Auch die in den Hohlraum 26 über die Leitung 24 eingeleitete Gaskomponente beeinflußt die Ausbildung des Kavitationsfeldes.

In einem dritten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, wird die erfindungsgemäße Vorrichtung mit zwei verschiedenartig gestalteten Kegelstumpfen und geregelter Rückführung eines Teils eines bereits kavitierten flüssigen Systems gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel stellt eine bauliche Kombination der beiden gemäß der Fig. 1 und 2 beschriebenen Ausführungsbeispiele dar. Deshalb wird bei der Erläuterung der Fig. 3 auch auf die bereits in den Fig. 1 und 2 verwendeten Bezugszeichen zurückgegriffen. Neu hinzukommende Bauteile werden entsprechend ihrer Funktion mit weiteren fortlaufenden Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die beiden in den Fig. 1 und 2 bereits vorgestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen mit je einem in den Durchflußkammern 5 bzw. 20 plazierten schwer umströmbaren Körpern 7 bzw. 17 werden aneinandergekoppelt. Dies ergibt folgende Konstruktion:
Das Gehäuse 32 enthält eine Eingangsöffnung 2 und eine Ausgangsöffnung 3 sowie eine erste Durchflußkammer 20, den Konfusor 4, eine zweite Durchflußkammer 5, einen Diffusor 6 und ein Ausgangsteil 33, die hintereinander und miteinander verbunden sind. In der ersten Durchlaßkammer 20 ist ein erster Kavitator 17 angeordnet, in der zweiten Durchlaßkammer 5 ist ein zweiter Kavitator 7 plaziert und jeweils an ein Zwischenteil 22 bzw. 15 montiert, die an der Wandung der Durchflußkammern 20 bzw. 5 befestigt sind. Die Durchlaßkammern 5 und 20 sind vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet. Die Kavitatoren 17 und 7 sind axial zur Mittelachse 34 der Durchflußkammern 20 und 5 angeordnet, wobei der Kavitator 7 mittels seines Kegelstumpfhalters 14 drehbar um die Mittelachse 34 gelagert ist. Der Kavitator 17 ist durch die besondere Gestaltung seines inneren Hohlraums 26 in der Lage, sowohl Vakuum zu erzeugen als auch Komponenten bzw. auch Gas über den im Hohlraum 26 befindlichen Einsatz 29 in die Durchlaßkammer 20 zu leiten. Damit besitzt der schwer umströmbare Körper 17 auch in Funktion eines Ejektors. Das Zwischenteil 22 enthält drei Zuleitungen 23, 24 und 35 z. B. für Komponenten des flüssigen Systems, für Gas und für einen Teil eines bereits kavitierten flüssigen Systems. In dem Zwischenstück 22 sind auch zur Ausgangsöffnung 3 gerichtete Öffnungen 25 vorhanden, die eine Verjüngung des Komponentenstroms und eine Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeit gewährleisten. Der erwähnte Teil des bereits kavitierten Systems wird dem Ausgangsteil 33 über eine Leitung 36 zur Rückführung entnommen und der Durchlaßkammer 20 zugeführt. Die Leitung 36 ist an die Zuleitung 35 des Zwischenteils 22 angeschlossen. Das Durchmesserverhältnis des ersten Kavitators 17 zum Innendurchmesser der Leitung 36 zur Rückführung liegt im Bereich zwischen 0,4-0,9. In die Leitung 36 zur Rückführung eines Teils der kavitierten Suspension ist ein Drosselventil 37 als Element zur Regelung der zuführbaren Suspensionsmenge eingebaut. Endseitig an der zweiten Durchlaßkammer 5 sind vor dem Diffusor 6 zwei Gasabströmleitungen 38 vorhanden, die das z. B. über die Zuleitung 24 in den ersten Kavitator 17 eingeströmte Gas nach Beendigung des Kavitationsvorgangs, wieder abführt.

Dieses Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung arbeitet wie folgt:
Der zu bearbeitende Komponentenstrom gelangt entsprechend Pfeil A durch die Eingangsöffnung 2 und durch die Öffnungen 25 des Zwischenteils 22 in die Durchlaßkammer 20. Der Komponentenstrom verjüngt sich in dem als Konfusor wirkenden Zwischenteil 22 und strömt auf den Mantelteilkörper des Kegelstumpfes 17. Am Rand der großen Basis 28 werden Kavitationskavernen erzeugt, die sich losreißen und mit dem Komponentenstrom in einen Bereich erhöhten Drucks fortgetragen werden. Die Kavitationskavernen zerfallen. Es bilden sich Kavitationsbläschen und ein Kavitationsfeld. Das entstandene Kavitationsfeld gelangt in den zweiten Konfusor 4 und strömt auf den zweiten Kavitator 7. Am Rande der Lamellen 8 werden Kavitationskavernen erzeugt, die sich ebenfalls losreißen und mit dem Komponentenstrom in einen Bereich mit erhöhtem Druck fortgetragen werden. Die Kavitationsbläschen zerfallen ebenso wie vordem. Mit der Bildung von Kavitationsbläschen entsteht somit ein verstärktes summarisches Kavitationsfeld, ein Superkavitationsfeld.

Ein Teil der bearbeiteten Suspension fließt durch die Leitung 36 mit Drosselventil 37 zum ersten Kavitator 17 in den Ejektor zurück und wird somit nochmals dem Kavitationsprozeß unterworfen. Während der Bearbeitung des Komponentenstroms wird in den Abschnitten der lokalen Verjüngung zwischen der Wandung der Durchflußkammern 20 bzw. 5 und den Scheiteln der großen Basen der Kegelstumpfe 17 bzw. 7 eine Geschwindigkeit des Komponentenstroms von minimal 2 m/s aufrechterhalten. Die hohen lokalen Druckverhältnisse bis zu 10 000 MPa, die beim Zerplatzen der Kavitationsbläschen entstehen, üben auf den Strom der zu bearbeitenden Komponenten eine intensive Mischungs- und Dispergierungswirkung aus.

Die mit Hilfe von Kavitationsfeldern entstandene Suspension wird durch den Diffusor 21 und das Ausgangsteil 33 über die Ausgangsöffnung 3 aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung entnommen. Das eingesetzte Gas zur Beeinflussung des Kavitationsvorgangs wird separiert und über die vorhandenen Gasabströmleitungen 38 aus der zweiten Durchlaßkammer 5 entfernt.

Eine weitere vorteilhafte Beeinflussung des Kavitationsprozesses hinter dem ersten Kavitator 17 ist durch eine vorgesehene Verschiebbarkeit des Einsatzes 29 gegeben. Durch die Möglichkeit seiner ortsveränderlichen Bewegbarkeit im Bereich des inneren Hohlraums 29 kann der ringförmige Abschnitt der lokalen Verjüngung verändert werden.

Die geregelte Rückführung eines Teils eines bereits kavitierten Systems ist auch in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durchführbar. Die Leitung 36 zur Rückführung eines Teils des kavitierten flüssigen Systems ist mit dem inneren Hohlraum 26 des Kavitators 17 verbunden, der am Zwischenteil 22 der Durchlaßkammer 20 befestigt ist. Die Leitung 36 ist von der Ausgangsöffnung 3 oder von dem Ausgangsteil 33 abgezweigt. In der Leitung 36 ist ebenso wie im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ein Drosselventil zur Regelung des rückzuführenden Teils des kavitierten flüssigen Systems eingebaut.

Claims (26)

1. Vorrichtung zur Erzeugung flüssiger Systeme, insbesondere von Emulsionen und Suspensionen oder dergleichen in einem hydro­ dynamischen Kavitationsfeld, folgende Merkmale enthaltend:

• a) Es ist ein Gehäuse (1) vorhanden, das eine Eingangsöffnung (2) für die Zufuhr mindestens eines Komponentenstroms und eine Ausgangsöffnung (3) für die Entnahme des flüssigen Systems be­ sitzt,
• b) wobei das Gehäuse (1) einen Konfusor (4), eine Durchfluß­ kammer (5) mit einem darin plazierten, schwer umströmbaren Kör­ per (7), einen Diffusor (6) umfaßt, die hintereinander angeord­ net und miteinander fest verbunden sind,
• c) der schwer umströmbare Körper ist axial zur Mittelachse der Durchflußkammer an einem Zwischenteil (22) angeordnet,
• d) das Zwischenteil (22) ist an der Durchflußkammer (5) be­ festigt,
  gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
• e)Der schwer umströmbare Körper (7, 17) ist als Kegelstumpf ausgebildet, dessen große Basis (13, 28) zur Ausgangsöffnung (3) gerichtet ist und
• f) der schwer umströmbare Körper (7, 17) weist zur Erzeugung eines Kavitationsfeldes einen durchströmbaren Hohlraum (10, 26) auf.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Körper (7, 17) eine Kombination mehrerer schwer umströmbarer Teilkörper (8, 17, 29) darstellt, zwischen denen sich jeweils ein durchströmbarer Hohlraum (10, 26) befin­ det.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kegelstumpf aus einer Kombination von mindestens drei Lamel­ len (8) mit zwischen den Lamellen (8) angeordneten elastischen Elementen (9) besteht, wobei die Lamellen (8) von der kleinen Basis (12) des Kugelstumpfes bis zur großen Basis (13) einen steigenden Querschnitt entsprechend der vorgegebenen Mantelflä­ che als Einhüllende der Querschnitte aufweisen und die elasti­ schen Elemente (9) einen kleineren Querschnitt als die benach­ barten Lamellen (8) aufweisen, zwischen denen jeweils ein Hohl­ raum (10) vorhanden ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der schwer umströmbare Körper in Form eines hohlen Kegelstumpfes (17) gefertigt ist, dessen kleine Basis (27) in Verbindung mit dem Zwischenteil (22) mindestens eine Zuleitung (23, 24), vor­ zugsweise zur Zufuhr von Komponenten des zu erzeugenden flüssi­ gen Systems besitzt, und der in seinem inneren Hohlraum (26) einen als schwer umströmbar wirkenden Einsatz (29) enthält, dessen Spitzung in Richtung der kleinen Basis (27) des Kegel­ stumpfes (17) zeigt und der den Hohlraum (26) in Richtung der großen Basis (28) des Kegelstumpfes (17) hin verjüngt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Zwischenteil (22) mit einer weiteren Zuleitung (35) zur Zuführung eines bereits kavitierten flüssigen Systems ausgestat­ tet ist, wobei die Zuleitung (35) in den inneren Hohlraum (26) des Kavitators (17) geführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (36) zur Rückführung eines Teils des kavitierten flüssigen Systems in den inneren Hohlraum (26) des in der Durch­ laßkammer (20) am Zwischenteil (22) befestigten Kavitators (17) vorgesehen ist, die nach der Ausgangsöffnung (3) abzweigt, und daß in der Leitung (36) ein Element, vorzugsweise ein Drossel­ ventil (37) zur Regelung des rückzuführenden Teils des kavitier­ ten flüssigen Systems eingebaut ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (36) zur Rückführung an eine der im Zwischenteil (22) vorhandenen Zuleitungen (35) angeschlossen ist, mit der der Kavitator (17) in Verbindung steht, um vorzugsweise den rückge­ führten Teil des kavitierten flüssigen Systems insbesondere in den sich in Strömungsrichtung verjüngenden inneren Hohlraum (26) zu leiten.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zwischenteil (22) mit mindestens einer Zuleitung (23, 24, 35) ausgestattet und vorzugsweise mit einer Leitung (36) zur Rückführung eines Teils des kavitierten flüssigen Sy­ stems regelbar verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Leitung (36) eingebaute Element (37) zur Regelung des rückführbaren Teils des kavitierten flüssigen Systems ein Dros­ selventil ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder Anspruch 3 und einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (8) miteinander mittels der elastischen Elemente (9) mit einer minimalen Stärke von 0,01 mm und einem Außendurch­ messer von 0,3 bis 0,9 des Durchmessers der Lamellen (8) ver­ bunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (8) gemeinsam mit den elastischen Elementen (9) um die Achse des Kegelstumpfhalters (14) drehbar gelagert sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (8) einen elastischen, nichtmetallischen Überzug besitzen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (8) aus elastischem, nichtmetallischem Material bestehen.

14. Vorrichtung zum Erzeugen flüssiger Systeme, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Gehäuse (32) mit Eingangsöffnung (2) und Ausgangsöff­ nung (3) ein erster Konfusor (25), eine erste Durchlaßkammer (20) mit einem in ihr plazierten ersten Kavitator (17), der einen inneren Hohlraum (26) mit angeordnetem Einsatz (29) ent­ hält, einen zweiten Konfusor (4), eine zweite Durchlaßkammer (5) mit einem in ihr plazierten zweiten Kavitator (7), ein Diffusor (6) sowie ein Ausgangsteil (33) hintereinander angeordnet und miteinander gekoppelt sind, daß sich zwischen dem Ausgangsteil (33) und der Durchflußkammer (20) eine Leitung (36) zur Rückfüh­ rung eines Teils des kavitierten flüssigen Systems befindet, und daß die beiden Kavitatoren (7, 17) axial zur Mittelachse (34) der Durchlaßkammer (20, 5) angeordnet sind, und daß die Kavita­ toren (17) und (7) mittels Zwischenteilen (22) und (15) an den Wandungen der Durchlaßkammern (20, 5) befestigt sind, wobei während des Durchströmens der Durchlaßkammern (20, 5) durch die mehrfache Überlagerung von Kavitationsfeldern im Bereich hinter dem zweiten Kavitator (7) eine Vervielfachung der Intensität erreichbar ist, die durch die geregelte kontinuierliche Rückfüh­ rung eines Teils des vielfach kavitierten Systems zusätzlich beeinflußbar ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zwischenteil (22) mit mindestens einer Zuleitung (23, 24, 35) ausgestattet und vorzugsweise mit der Leitung (36) zur Rückführung eines Teils des kavitierten flüssigen Systems regelbar verbunden ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß über mindestens eine Zuleitung (23) Gas einströmbar ist, wobei für die Separierung des Gases aus dem kavitierten System endsei­ tig an der zweiten Durchlaßkammer (5) vor dem Diffusor (6) min­ destens eine Gasabströmleitung (38) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das in der Leitung (36) eingebaute Element (37) zur Regelung des rückführbaren Teils des kavitierten flüssigen Systems ein Dros­ selventil ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der in der zweiten Durchlaßkammer (5) plazierte zweite Kavitator (7) als Kegelstumpf ausgebildet ist, der aus einer Kombination von mindestens drei Lamellen (8) mit zwischen den Lamellen (8) angeordneten elastischen Elementen (9) besteht, wobei die Lamel­ len (8) von der kleineren Basis (12) des Kegelstumpfes (7) bis zur großen Basis (13) einen steigenden Querschnitt entsprechend der vorgegebenen Mantelfläche als Einhüllende der Querschnitte haben und die elastischen Elemente (9) einen kleineren Quer­ schnitt als die benachbarten Lamellen aufweisen.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (8) miteinander mittels der elastischen Elemente (9) mit einer minimalen Stärke von 0,01 mm und einem Außendurch­ messer von 0,3 bis 0,9 des Durchmessers der Lamellen (8) ver­ bunden sind.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (8) gemeinsam mit den elastischen Elementen (9) um die Achse des Kegelstumpfhalters (14) drehbar gelagert sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (8) einen elastischen, nichtmetallischen Überzug besitzen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (8) aus elastischem, nichtmetallischem Material bestehen.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kavitator (17) in Form eines hohlen Kegelstumpfes ge­ fertigt ist, dessen kleine Basis (27) in Verbindung mit einem Zwischenteil (22) mindestens eine Zuleitung (23, 24, 35), vor­ zugsweise zur Zufuhr von Komponenten, von Gas bzw. eines kavi­ tierten flüssigen Systems, besitzt, und der in seinem inneren Hohlraum (26) einen als schwer umströmbar wirkenden Einsatz (29) enthält, dessen Spitzung in Richtung der kleinen Basis (27) des Kegelstumpfes (17) zeigt und der den Hohlraum (26) in Richtung großer Basis (28) des Kegelstumpfes hin verjüngt.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (29) als Kegel ausgebildet ist, dessen Spitze in Richtung der kleinen Basis (27) des Kegelstumpfes (17) zeigt und der einen größeren Kegelöffnungswinkel als der Kegelstumpf (17) aufweist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (29) ortsveränderlich bewegbar ist.

26. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Durchlaßkammern (5, 20) befindlichen Zwischenteile (15, 22), an denen jeweils ein Kavitator (7, 17) montiert ist, in Strömungsrichtung Öffnungen (16, 25) aufweisen und Konfusoren darstellen.