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Sachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und auf
ein Verfahren zum Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation in
Fluiden, und, insbesondere, auf eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Erzeugen und zum Kontrollieren einer hydrodynamischen Kavitation
in Fluiden, wobei die Position von Bauelementen, die eine Kavitation
erzeugen, und der Bauelemente selbst einfach variabel ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Einer
der vielversprechendsten Wege für eine
weitere, technologische Entwicklung in chemischen, pharmazeutischen,
kosmetischen, Veredelungs-, Nahrungsprodukten, und vielen anderen
Bereichen bezieht sich auf die Herstellung von Emulsionen und Dispersionen,
die die kleinstmöglichen
Teilchengrößen mit
der maximalen Größe einer
Gleichförmigkeit
haben. Weiterhin umfasst, während
der Erzeugung von neuen Produkten und Rezepturen, die Herausforderung
oftmals die Herstellung von zwei, drei oder mehr komplexen Komponenten
in dispergierten Systemen, die Teilchengrößen im Submikron-Bereich enthalten.
Die Vorgabe von ständig
zunehmenden Erfordernissen, die der Qualität von dispergierenden, traditionellen
Verfahren einer Dispersion auferlegt werden, die für Dekaden
in technologischen Prozessen verwendet worden sind, haben ihre Grenzen
erreicht. Versuche, diese Grenzen zu beseitigen, unter Verwendung
dieser traditionellen Technologien, sind oftmals nicht effektiv,
und manchmal nicht möglich.
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Eine
hydrodynamische Kavitation ist weit verbreitet als ein Verfahren
bekannt, das verwendet wird, um frei dispergierende Systeme zu erhalten, insbesondere
Lyosole, verdünnte
Suspensionen und Emulsionen. Solche freien, dispergierenden Systeme sind
fluide Systeme, bei denen Teilchen mit dispergierter Phase keine
Kontakte haben, an einer Bewegung mit zufälligen Anstößen teilnehmen und sich frei durch
die Schwerkraft bewegen. Solche Dispergierungs- und Emulsifizier-Effekte
werden innerhalb der Fluidströmung
aufgrund von Kavitationseffekten, erzeugt aufgrund einer Änderung
in der Geometrie der Fluidströmung,
vorgenommen.
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Hydrodynamische
Kavitation ist die Bildung von Kavitäten und Kavitationsblasen,
gefüllt
mit einer Dampf-Gas-Mischung innerhalb der Fluidströmung oder
an der Grenze des Prallwandkörpers,
was aus einem lokalen Druckabfall in dem Fluid resultiert. Falls
während
des Vorgangs einer Bewegung des Fluids der Druck an einem bestimmten
Punkt auf eine Größe abnimmt,
unterhalb der das Fluid einen Siedepunkt für diesen Druck erreicht, dann
wird eine große Anzahl
von mit Dampf gefüllten
Kavitäten
und Blasen gebildet. Insofern sich die mit Dampf gefüllten Blasen und
Kavitäten
zusammen mit der Fluidströmung
bewegen, können
sich diese Blasen und Kavitäten
in eine Zone mit erhöhtem
Druck bewegen. Wenn diese Blasen und Kavitäten in eine Zone eintreten,
die einen erhöhten
Druck besitzt, findet eine Dampfkondensation innerhalb der Kavitäten und
Blasen statt, nahezu augenblicklich, was verursacht, dass die Kavitäten und
Blasen kollabieren, was sehr große Druckimpulse erzeugt. Die
Größe der Druckimpulse
innerhalb der kollabierenden Kavitäten und Blasen kann 150.000
psi erreichen. Die Folge dieser Hochdruck-Implosionen ist die Bildung
von Schockwellen, die von dem Punkt jeder kollabierten Blase ausgehen.
Solche hohen Aufprallbelastungen führen zu einem Zerfall irgendeines
Mediums, das nahe der kollabierenden Blasen vorgefunden wird.
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Ein
Dispersionsprozess findet dann statt, wenn, während einer Kavitation, das
Kollabieren einer Kavitationsblase nahe der Grenze der Phasentrennung
eines festen Teilchens, suspendiert in einer Flüssigkeit, zu dem Zerfall des
Suspensionsteilchens führt.
Ein Emulsifizierungs- und Homogenisierungsvorgang findet dann statt,
wenn, während
einer Kavitation, das Kollabieren einer Kavitationsblase nahe der
Grenze der Phasenseparation einer Flüssigkeit, suspendiert oder
gemischt mit einer anderen Flüssigkeit,
zu einem Zerfall von Tropfen der dispergierenden Phase führt. Demzufolge
kann der Einsatz kinetischer Energie von kollabierenden Kavitationsblasen und
Kavitäten,
erzeugt durch hydrodynamische Maßnahmen, für verschiedene Misch-Emulsifizierungs-Homogenisierungs-
und Dispergiervorgänge verwendet
werden.
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Vorrichtungen
sind im Stand der Technik bekannt, die den Durchgang einer hydrodynamischen Strömung durch
eine zylindrische Durchflusskammer verwenden, die innen einen Prallwandkörper, installiert über der
hydrodynamischen Strömung
und dieser entgegenstehend, aufnimmt, um variierte Kavitationseffekte
zu erzeugen. Das Prallwandelement führt zu einer lokalen Konzentration
der Strömung, wenn
die Fluidströmung
auf das Prallwandelement trifft, was so den Strömungsdruck des Fluids erhöht. Wenn
die Fluidströmung
das Prallwandelement passiert, tritt die Fluidströmung in
eine Zone eines verringerten Drucks ausgangsseitig des Prallwandelements
ein, wodurch ein hydrodynamisches Kavitationsfeld erzeugt wird.
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Die
DE 1147920 B bezieht
sich auf eine Vorrichtung, die zum Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation
in Fluiden geeignet ist, die eine Vielzahl von Elementen aufweist,
wobei jedes Element an einem angrenzenden Element befestigt ist,
und wobei sich die Größe jedes
Elements in einer Richtung erhöht.
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Sowohl
die
DE 310267 C als
auch die
DE 304908 C ,
beide in dem Namen von Wilhelm G. Schroeder, offenbaren auch eine
Vorrichtung, die zum Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation
in Fluiden geeignet ist. Eine Vielzahl von Elementen ist offenbart,
wobei das erste Dokument beschreibt, dass ein Teil jedes Elements
innerhalb eines angrenzenden Elements enthalten ist. Das zweite
Dokument stellt jedes Element, befestigt an einem angrenzenden Element,
dar und dass sich die Größe der Elemente
stromab liegend verringert.
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Eine
andere solche Vorrichtung nach dem Stand der Technik ist in dem
US-Patent Nr. 5,492,654, herausgegeben am 20. Februar 1996 für den Anmelder
hier, und für
andere, benannte Erfinder, beschrieben. Die Kavitationsvorrichtung
des 654 Patents identifiziert den Stand der Technik so, dass er
eine zylindrische Durchflusskammer verwendet, die innen eine Vielzahl
von Prallwandelementen aufnimmt, wobei die stromauf liegenden Prallwandelemente
einen größeren Durchmesser
als die stromab liegenden Prallwandelemente haben. Eine solche Vorrichtung
wird bei einem Versuch verwendet, eine hydrodynamische Kavitation
von Fluiden zu erzeugen und zu kontrollieren, wobei die Position
der Prallwandelemente variabel ist. Allerdings ist dabei ein ständig zunehmendes
Erfordernis vorhanden, eine hydrodynamische Kavitation in einem
größeren Umfang
zu erzeugen und zu kontrollieren.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum
Erzeugen und Kontrollieren der qualitativen und quantitativen Effekte
einer hydrodynamischen Kavitation. Dieses Verfahren und diese Vorrichtung
können
Anwendung in Bereichen, wie beispielsweise Ölverarbeitung, der Petroleumchemie
und der Chemie der organischen und anorganischen Synthese, unter
anderen Bereichen, finden. Insbesondere ist diese Vorrichtung dort
nützlich,
wo die Effekte einer Kavitation vorteilhaft sein würden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation in Fluiden, wobei das
Verfahren umfasst:
Leiten von Fluid durch eine Durchflusskammer
mit einem stromauf liegenden Abschnitt und einem stromab liegenden
Abschnitt, wobei die Querschnittsfläche der Durchflusskammer in
der Richtung von Fluidstrom schrittweise zunimmt;
Bereitstellen
eines ersten Prallwandelementes in der Durchflusskammer, wobei das
erste Prallwandelement koaxial in der Durchflusskammer bewegt werden
kann, um ein erstes hydrodynamisches Kavitationsfeld stromab von
dem ersten Prallwandelement zu erzeugen;
Bereitstellen eines
zweiten Prallwandelementes koaxial stromab von dem ersten Prallwandelement
in der Durchflusskammer, wobei das zweite Prallwandelement koaxial
in der Durchflusskammer bewegt werden kann, um ein zweites hydrodynamisches
Kavitationsfeld stromab von dem zweiten Prallwandelement zu erzeugen,
wobei
der größte Durchmesser
des zweiten Prallwandelementes größer ist als der größte Durchmesser
des ersten Prallwandelementes, und dadurch gekennzeichnet, dass
das
erste und das zweite Prallwandelement unabhängig voneinander bewegt werden
können.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt schafft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung
zum Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation in Fluiden, die umfasst:
eine
Durchflusskammer mit einem stromauf liegenden Abschnitt und einem
stromab liegenden Abschnitt, wobei die Querschnittsfläche der
Durchflusskammer in der Richtung von Fluidstrom schrittweise zunimmt;
ein
erstes Prallwandelement, das koaxial in der Kammer bewegt werden
kann, um ein erstes hydrodynamisches Kavitationsfeld stromab von
dem ersten Prallwandelement zu erzeugen; und
ein zweites Prallwandelement,
das koaxial stromab von dem ersten Prallwandelement vorhanden ist
und koaxial in der Kammer bewegt werden kann, um ein zweites hydrodynamisches
Kavitationsfeld stromab von dem zweiten Prallwandelement zu erzeugen,
wobei
der größte Durchmesser
des zweiten Prallwandelementes größer ist als der größte Durchmesser
des ersten Prallwandelementes, und dadurch gekennzeichnet, dass
das
erste und das zweite Prallwandelement unabhängig voneinander bewegt werden
können.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
nimmt die Durchflusskammer die Form eines Kegelstumpfes an, wobei
der Querschnitt mit kleinerem Durchmesser des Kegels (das stumpfe
Ende) stromab in der Vorrichtung angeordnet ist.
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Diese
Erfindung schafft auch mindestens ein Prallwandelement, das innerhalb
der Durchflusskammer bewegbar ist, um dadurch zu bewirken, dass
der Fluidströmungsdruck
an dem Prallwandelement eine kontrollierte Kavitation erzeugt.
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Diese
Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zum Erzeugen einer hydrodynamischen
Kavitation in Fluiden, wobei die Wände der Durchflusskammer entnehmbar
innerhalb der Vorrichtung befestigt sind und gegen Ersatzwände austauschbar
sind, die verschiedene Formen und Konfigurationen haben, um dadurch
zu ermöglichen,
dass die Durchflusskammer verschiedene Formen und Konfigurationen annimmt,
um eine Kavitation zu bewirken.
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Diese
Erfindung schafft weiterhin eine Vorrichtung zum Erzeugen einer
hydrodynamischen Kavitation in Fluiden, wobei die Prallwandelemente
der Durchflusskammer entfernbar innerhalb der Durchflusskammer befestigt
sind und gegen die Ersatzprallwandelemente, die verschiedene Formen
und Konfigurationen haben, austauschbar sind, um dadurch eine Kavitation
zu bewirken. In der bevorzugten Ausführungsform verwendet die Vorrichtung
konisch geformte Prallwandelemente. Allerdings kann, unter Vorgabe,
dass die Prallwandelemente entfernbar sind, die Vorrichtung Prallwandelemente
verwenden, die verschieden geformte Oberflächen und Konfigurationen haben,
um die Kavitation zu bewirken.
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Noch
andere Vorzüge
und Vorteile der Erfindung werden für Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet
unter Lesen und unter Verständnis
dieser Offenbarung ersichtlich werden.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht, die entlang eines Längsschnitts einer Vorrichtung
zum Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation in Fluiden, die erste
und zweite Prallwandelemente besitzt, vorgenommen ist.
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2 stellt
die Vorrichtung der 1 dar, bei der das zweite Prallwandelement
unabhängig
in Bezug auf das erste Prallwandelement bewegbar ist.
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3 stellt
die Vorrichtung der 1 dar, wobei das erste Prallwandelement
unabhängig
in Bezug auf das erste-zweite Prallwandelement bewegbar ist.
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4a bis 4c zeigen
Querschnittsansichten von verschiedenen, entfernbar befestigten Durchflusskammern,
die eine Kegelstumpfanordnung, eine treppenstufenförmige Anordnung
und eine Anordnung mit variablem Durchmesser, jeweils, haben.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Gemäß dieser
Erfindung, wie sie in 1 dargestellt ist, weist eine
Vorrichtung 10 zum Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation
in Fluiden eine Einlassöffnung 12 zum
Aufnehmen von Fluid und Dispergiermitteln in die Vorrichtung 10;
eine Auslassöffnung 14 zum
Auslassen des Fluids und des Dispergiermittels von der Vorrichtung 10;
eine Strömungskammer 16 zwischen
der Einlassöffnung 12 und
der Auslassöffnung 14,
die einen stromab liegenden Öffnungsbereich 18 besitzt,
der mit der Einlassöffnung 12 in
Verbindung steht, und einen auslassseitigen Öffnungsbereich 20 besitzt,
der mit der Auslassöffnung 14 in
Verbindung steht, wobei die Querschnittsfläche des stromab liegenden Öffnungsbereichs 20 der
Durchflusskammer 16 größer als
die Querschnittsfläche
des stromauf liegenden Öffnungsbereichs 18 der
Durchflusskammer 16 ist; und einen Kavitationsgenerator 22,
der innerhalb der Durchflusskammer 16 zum Erzeugen eines
hydrodynamischen Kavitationsfelds stromab liegend des Generators 22 angeordnet
ist; auf. Eine Fluidströmung in
dieser Vorrichtung 10 ist in der Richtung eines Pfeils
A in den 1 bis 3 dargestellt.
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Für den Zweck
der Vereinfachung wird der Kavitationsgenerator 22 der
vorliegenden Erfindung so beschrieben, dass er eine Vielzahl von
Prallwandelementen besitzt, und insbesondere von zwei Prallwandelementen,
wie sie in der bevorzugten Ausführungsform
verwendet werden. Allerdings sollte für Fachleute auf dem betreffenden
Fachgebiet verständlich
werden, dass der Kavitationsgenerator 22 dieser Erfindung
ein einzelnes Prallwandelement verwenden könnte und noch innerhalb des
Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegt.
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Wie
in den 1 bis 3 dargestellt ist, ist das erste
Prallwandelement 24 (oder das stromab liegende Prallwandelement)
an der Vorrichtung 10 befestigt und innerhalb der Durchflusskammer 16 für eine axiale
Verschiebung in Bezug auf die Durchflusskammer 16 angeordnet.
Das zweite Prallwandelement 26 (oder das stromauf liegende
Prallwandelement) ist mit dem ersten Prallwandelement verbunden
und erstreckt sich koaxial stromauf liegend von dem ersten Prallwandelement 24 aus.
Jedes miteinander verbundene Prallwandelement 24, 26 ist
in Folge innerhalb der Durchflusskammer 16 zum Erzeugen
eines hydrodynamischen Kavitationsfelds stromab liegend jedes Prallwandelements 24, 26 angeordnet.
Und da jedes Prallwandelement 24, 26 unabhängig in
Bezug auf das andere innerhalb der Durchflusskammer 16 (wie
dies in den 2 und 3 dargestellt
ist) zwischen einer stromauf liegenden Position und einer stromab
liegenden Position bewegbar ist, kann die Erzeugung von Gravitationsfeldern,
die erzeugt sind, basierend auf dem erwünschten Ergebnis kontrolliert
und manipuliert werden.
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Das
erste Prallwandelement 24 kann entfernbar an der Vorrichtung 10 in
irgendeiner akzeptierbaren Art und Weise befestigt werden, allerdings verwendet
die bevorzugte Ausführungsform
einen Stab bzw. eine Stange 28, verbunden mit dem stromab
liegenden Bereich des ersten Prallwandelements 24, wobei
die Stange 28 gleitend an der Vorrichtung 10 befestigt
ist und dazu geeignet ist, in einer Position durch eine Verriegelungseinrichtung
verriegelt zu werden. In ähnlicher
Weise ist eine Stange 30 mit dem stromab liegenden Bereich
des zweiten Prallwandelements 26 verbunden, wobei die Stange 30 gleitend
koaxial durch das erste Prallwandelement 24 befestigt ist
und die Stange 28 dazu geeignet ist, in einer Position
in Bezug auf das erste Prallwandelement 24 und die Stange 28 durch
eine Verriegelungseinrichtung verriegelt zu werden. Eine solche Verriegelungseinrichtung
könnte
eine Gewindemutter oder einen Dichtring oder irgendeine andere Einrichtung
zum Verriegeln der Stange 30 in Bezug auf die Stange 28 aufweisen.
Deshalb sind sowohl das erste als auch das zweite Prallwandelement 24, 26 unabhängig und
gleitend koaxial innerhalb der Durchflusskammer 16 bewegbar,
um die Erzeugung und die Kontrolle von Kavitationsfeldern zu bewirken.
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Um
weiterhin die Erzeugung und die Kontrolle von Kavitationsfeldern
zu unterstützen,
sind die Prallwandelemente 24, 26 so aufgebaut,
um entfernbar zu sein und um durch Prallwandelemente ersetzbar zu
sein, die eine Vielzahl von Formen und Anordnungen besitzen, um
variierende, hydrodynamische Kavitationsfelder zu erzeugen. Die
Form und der Aufbau der Prallwandelemente kann wesentlich den Charakter
der Kavitationsströmung,
und, dementsprechend, die Qualität
eines Dispergierens, beeinflussen. Obwohl eine unendliche Vielfalt
von Formen und Anordnungen vorhanden ist, die in Verbindung mit
dieser Erfindung verwendet werden können, offenbart das US-Patent
Nr. 5,969,207, herausgegeben am 19. Oktober 1999, verschiedene,
akzeptable Prallwandelementformen und -anordnungen. In der bevorzugten
Ausführungsform
sind die Prallwandelemente 24, 26 so angeordnet
und geformt, um eine konisch geformte Oberfläche 32 einzuschließen, wobei der
konische Bereich der konisch geformten Oberfläche 32 der Fluidströmung entgegensteht.
Es ist auch im Stand der Technik bekannt, die Auslassströmung so
zu begrenzen, um den hydrostatischen Druck der Fluidströmung zu
kontrollieren, um eine Kavitation zu bewirken, wie dies, zum Beispiel,
in dem US-Patent Nr. 5,937,906, herausgegeben für den Anmelder am 17. August
1999, beschrieben ist. Irgendeine akzeptable Begrenzungseinrichtung
kann verwendet werden, um die Auslassströmung zu begrenzen, wie beispielsweise
solche, die im Stand der Technik bekannt sind. Allerdings ist eine
einstellbare Ventilbegrenzung, positioniert an dem Auslass oder unter
einem bestimmten Abstand von der Durchflusskammer, bevorzugt, um
den erwünschten,
anfänglichen,
hydrostatischen Druck innerhalb der Durchflusskammer zu erhalten.
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Diese
Erfindung macht von einer solchen einstellbaren Auslassbegrenzung
(nicht in den Figuren dargestellt) in vorteilhafter Weise Gebrauch,
um die Eigenschaften einer Kavitation innerhalb der Durchflusskammer
zu erzielen und zu kontrollieren. Genauer gesagt beeinflusst die
einstellbare Auslassbegrenzung in dieser Erfindung direkt den Druck stromab
liegend des ersten Prallwandelements 24, um dadurch eine
Kavitation in der Kavitationszone stromab liegend von dem ersten
Prallwandelement 24 zu bewirken (die stromab liegende Kavitationszone).
Die einstellbare Auslassbegrenzung könnte in ähnlicher Weise den Druck stromab
liegend des zweiten Prallwandelements 26 beeinflussen,
um dadurch eine Kavitation in der Kavitationszone stromab liegend
des zweiten Prallwandelements 26 zu beeinflussen (die stromauf
liegende Kavitationszone). Allerdings könnte man, zusätzlich zu
einem Manipulieren oder Kontrollieren des Fluidströmungsdrucks
unter Verwendung einer einstellbaren Auslassbegrenzung, auch diese
Erfindung dazu verwenden, die Drücke
in sowohl der stromauf liegenden als auch der stromab liegenden
Kavitationszone durch Manipulieren der Positionen des ersten und
des zweiten Prallwandelements 24, 26 innerhalb
der Durchflusskammer zu beeinflussen. Aufgrund der Wechselwirkung
zwischen den Prallwandelementen und den Wänden der Durchflusskammer könnte man
unabhängig
die ringförmige Öffnungsgröße zwischen
dem ersten und dem zweiten Prallwandelement 24, 26 und
der Wand der Durchflusskammer 34 beeinflussen, um den Druck
innerhalb einer oder aller Kavitationszone(n) zu beeinflussen. In
der bevorzugten Ausführungsform
erhöht
sich der hydrostatische Druck stromauf liegend von dem ersten Prallwandelement 24,
wenn das erste Prallwandelement zu der Einströmseite hin innerhalb der Durchflusskammer bewegt
wird, und verringert sich, wenn das erste Prallwande lement 24 zu
der Ausströmseite
hin innerhalb der Durchflusskammer bewegt wird. In ähnlicher Weise
erhöht
sich der hydrostatische Druck stromauf liegend zu dem zweiten Prallwandelement 26,
wenn das zweite Prallwandelement 26 zu der Einströmseite hin
innerhalb der Durchflusskammer bewegt wird, und verringert sich,
wenn das zweite Prallwandelement 26 zu der Ausströmseite hin
innerhalb der Durchflusskammer 16 bewegt wird.
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Es
ist verständlich,
dass die Prallwandelemente 24, 26 entnehmbar an
den Stäben 28, 30 in
irgendeiner akzeptierbaren Art und Weise befestigt werden können. Allerdings
verwendet die bevorzugte Ausführungsform
ein Prallwandelement, das geschraubt in die Stange eingreift. Deshalb
muss, um die Form und die Anordnung jedes Prallwandelements 24, 26 zu ändern, die
Stange 28, 30 von der Vorrichtung 10 entfernt
werden und das originale Prallwandelement muss von der Stange abgeschraubt
werden und durch ein unterschiedliches Prallwandelement ersetzt
werden, das geschraubt mit der Stange in Eingriff gebracht und innerhalb
der Vorrichtung 10 ersetzt wird.
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Diese
Erfindung verwendet weiterhin ein erstes Prallwandelement 24,
das einen größeren Durchmesser
als das zweite Prallwandelement 26 besitzt. Der Stand der
Technik verwendet Prallwandelemente, bei denen das stromauf liegende
Prallwandelement einen größeren Oberflächenbereich
oder Durchmesser als das stromab liegende Prallwandelement besitzt.
Unter Verwendung der Anordnung der Prallwand nach dem Stand der
Technik wird der Fluidströmungsdruck,
der stromab liegend innerhalb der Durchflusskammer 16 erreicht
wird, verringert, da der Durchmesser des stromab liegenden Prallwandelements
kleiner als derjenige des stromauf liegenden Prallwandelements ist,
und der Durchmesser der Durchflusskammer verbleibt konstant. Diese
Erfindung verwendet eine einzigartige Maßnahme, bei der das stromauf
liegende Prallwandelement 26 einen kleineren Oberflächenbereich
oder Durchmesser als das stromab liegende Prallwandelement 24 besitzt, um
effizienter die Erzeugung einer Kavitation zu kontrollieren und
zu erzielen.
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Durchflusskammern,
verwendet in Kavitationsvorrichtungen nach dem Stand der Technik,
bestehen allgemein aus befestigten, zylindrischen Kammern, die innen
mindestens ein Prallwandelement aufnehmen. Allerdings beeinflusst,
da die Durchflusskammern im Stand der Technik übereinstimmende Querschnittsdurchmesser
entlang der Ffuidströmung
haben (d.h. zylinderförmig
sind), eine Bewegung des Prallwandelements innerhalb der Durchflusskammer
nicht den hydrodynamischen Druck innerhalb der Durchflusskam mer.
Die einzige Art und Weise, um einen hydrodynamischen Druck in Vorrichtungen
nach dem Stand der Technik zu erreichen, ist diejenige, den Fluiddruck
an dem Einlass zu erhöhen
oder ein Prallwandelement vorzusehen, das einen größeren Durchmesser
besitzt, um einen kleineren Bereich zwischen der Prallwand und der
zylindrischen Durchflusskammer zu erreichen.
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Eine
Kavitations-Effizienz und -Kontrolle wird unter Verwendung dieser
Erfindung durch das Einsetzen einer Durchflusskammer 16 erreicht,
bei der der Querschnittsflächenbereich
des stromab liegenden Öffnungsbereichs 20 der
Durchflusskammer 16 größer als
der Querschnittsflächenbereich
des stromauf liegenden Öffnungsbereichs 18 der
Durchflusskammer 16 ist. Über diese Anordnung können die
Größe der ringförmigen Öffnung zwischen
dem ersten Prallwandelement 24 und der Wand der Durchflusskammer
und die Größe der ringförmigen Öffnung zwischen
dem zweiten Prallwandelement 26 und der Wand 34 der
Durchflusskammer gleichzeitig und unabhängig beeinflusst werden, um
die Erzeugung und den Effekt einer Kavitation in der Vorrichtung
zu kontrollieren. In der bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung
verwendet die Durchflusskammer 16 die Form eines Kegelstumpfes,
wie dies in den 1 bis 3 und 4A dargestellt ist.
Allerdings können
andere Formen verwendet werden, wie beispielsweise solche, die in
den 4b und 4c dargestellt
sind.
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Weiterhin
können,
um die vielen Formen und Anordnungen von Wänden, die für die Durchflusskammer verfügbar sind,
zu verwenden, die Wände 34,
die die Durchflusskammer 16 definieren, entnehmbar innerhalb
der Kavitationsvorrichtung 10 befestigt werden und sind
gegen Ersatzwände
austauschbar, die verschiedene Formen und Anordnungen haben, wie
beispielsweise treppenstufenförmig oder
wellenförmig,
wie dies in den 4b und 4c jeweils
dargestellt ist. Durch Verwendung von Wänden, die unterschiedliche
Formen und Anordnungen haben, kann die Durchflusskammer 16 verschiedene
Formen und Anordnungen annehmen, um eine Kavitation zu erreichen.
In der bevorzugten Ausführungsform
ist die Durchflusskammer 16 entnehmbar innerhalb der Vorrichtung 10 so
befestigt, dass andere Durchflusskammern, die Wände haben, die eine unterschiedliche
Form und Anordnung haben, in der Vorrichtung 10 installiert
werden können,
um weiterhin die Kontrolle und die Erzeugung einer Kavitation zu
erreichen. Obwohl die Durchflusskammer 16 entnehmbar an
der Vorrichtung in irgendeiner akzeptierbaren Art und Weise befestigt werden
kann, verwendet die bevorzugte Ausführungsform eine Durchflusskammer-Platte,
die an Ort und Stelle durch Dichtungen oder O-Ringe 36 gehalten
ist.
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Im
Betrieb dieser Vorrichtung bewegt sich die hydrodynamische Strömung aus
einer Mischung aus Flüssigkeit
und Dispergiermittel-Komponenten entlang eines Pfeils A durch die
Einlassöffnung 12 und tritt
in die Durchflusskammer 16 ein, wo das Fluid auf das zweite
Prallwandelement 26 auftrifft. Aufgrund des Oberflächenbereichs,
kontrolliert durch das zweite Prallwandelement 26 innerhalb
der Durchflusskammer 16, wird die Fluidströmung dazu
gezwungen, zwischen der ersten ringförmigen Öffnung 38, erzeugt
zwischen dem Außendurchmesser
des zweiten Prallwandelements 26 und den Wänden 34,
hindurchzuführen.
Durch Beschränken
der Fluidströmung
in dieser Art und Weise wird der hydrostatische Fluiddruck stromauf
liegend von der ersten ringförmigen Öffnung 38 erhöht. Da das
Fluid unter hohem Druck durch die erste ringförmige Öffnung 38 strömt und hinter
das zweite Prallwandelement 26 führt, wird eine Kavität mit niedrigem
Druck stromab liegend von dem zweiten Prallwandelement 26 gebildet,
was die Bildung von Kavitationsblasen unterstützt. Das sich ergebende Kavitationsfeld,
das eine Wirbelstruktur besitzt, macht es möglich, Flüssigkeits- und Feststoffkomponenten über das
gesamte Volumen der Durchflusskammer 16 zu behandeln.
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Da
die hydrodynamische Strömung
die Kavitationsblasen aus dem Kavitationsfeld heraus bewegt, treten
die Kavitationsblasen in eine Zone ein, die einen erhöhten, hydrodynamischen
Druck besitzt, und zwar aufgrund des Effekts des stromab liegenden
ersten Prallwandelements 24. Da die Kavitationsblasen in
die Zone mit erhöhtem
Druck stromauf liegenden von dem ersten Prallwandelement 24 eintreten,
tritt ein koordiniertes Kollabieren der Kavitationsblasen, begleitet
durch hohen lokalen Druck und Temperatur, ebenso wie durch andere
physio-chemikalische Effekte, die das Fortschreiten eines Mischens,
einer Emulsifizierung, einer Homogenisierung oder Dispergierung
einleiten, auf.
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Die
Fluidströmung
wiederholt dann den angegebenen Vorgang durch Bewegen durch die
zweite ringförmige Öffnung 40,
erzeugt zwischen dem Außendurchmesser
des ersten Prallwandelements 24 und den Wänden 34.
Durch Begrenzen der Fluidströmung
auf diese Art und Weise wird der hydrostatische Fluiddruck stromauf
liegend von der zweiten ringförmigen Öffnung 40 erhöht. Wenn
das Fluid unter hohem Druck durch die zweite ringförmige Öffnung 40 und
hinter das erste Prallwandelement 24 strömt, wird
eine Kavität
mit niedrigem Druck stromab liegend von dem ersten Prallwandelement 24 gebil det,
was die Bildung von Kavitationsblasen unterstützt. Das sich ergebende Kavitationsfeld,
das eine Wirbelstruktur besitzt, macht es möglich, Flüssigkeits- und Feststoffkomponenten über das
gesamte Volumen der Durchflusskammer 16 zu behandeln, um
einen zweiten Vorgang eines Mischens, eines Emulsifizierens, einer
Homogenisierung oder Dispergierung einzuleiten. Nachdem die Strömung einer
Mischung aus flüssigen
Komponenten in den Kavitationsfeldern behandelt ist, wird die Strömungsmischung
von der Vorrichtung durch die Auslassöffnung 14 abgegeben.
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Um
präzisere
Misch- oder Dispergier-Charakteristika zu erreichen, kann eine Erregerströmung zurück zu der
Einlassöffnung 12 geführt werden,
um erneut durch die Vorrichtung 10 zu fließen. Und
da die Größe jeder
jeweiligen, ringförmigen Öffnung 38, 40 unabhängig aufgrund
der relativen Position zwischen der Form der Wand der Durchflusskammer und
den unabhängig
bewegbaren Prallwandelementen 24, 26 beeinflusst
werden kann, kann eine Erhöhung
in der Effektivität
und der Kontrolle einer Kavitation erreicht werden. Strömungs-Charakteristika
können
durch Beeinflussen der Größe der ersten
und der zweiten ringförmigen Öffnungen 24, 26 und
deren relativen Positionen innerhalb der Durchflusskammer 16 variiert
werden. Der Oberflächenbereich
einer jeweiligen, ringförmigen Öffnung 38, 40 erhöht sich, wenn
sich deren zugeordnetes Prallwandelement 24, 26 stromab
liegend durch die Durchflusskammer erhöht, um dadurch den Fluidströmungsdruck
zu verringern. Der Oberflächenbereich
einer jeweiligen ringförmigen Öffnung 38, 40 erhöht sich,
wenn sich deren zugeordnetes Prallwandelement 26 durch
die Durchflusskammer bewegt, um dadurch den Fluidströmungsdruck
zu erhöhen.
Das einfache Beeinflussen der Bauteile der Vorrichtung 10,
insbesondere dann, während
der Prozess abläuft,
um Strömungs-Charakteristika
zu beeinflussen, wie dies nicht bei Vorrichtungen nach dem Stand
der Technik möglich
war, beeinflusst stark die Erzeugung und die Kontrolle einer Kavitation.
Und da das Niveau einer Energieabnahme in einem Kavitations-Mischer-Homogenisierer hauptsächlich von
drei Vital-Parametern in dem Kavitationsblasenfeld abhängt: die
Größe der Kavitationsblasen,
deren Konzentrationsvolumen in dem dispersiven Medium, und der Druck
in der kollabierenden Zone; unter Vorgabe der Fähigkeit dieser Erfindung, unabhängig eine
Anzahl von unterschiedlichen, strukturellen Parametern entweder
alleine oder zusammen zu ändern,
ermöglicht
dies eine stärkere
Erzeugung und Kontrolle einer Kavitation und der erforderlichen
Qualität
einer Dispersion.
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Das
Verfahren zum Erzeugen einer hydrodynamischen Kavitation in Fluiden
gemäß der Erfindung,
besteht darin, ein Fluid durch eine Durchflusskammer hindurchzuführen, die
einen stromauf liegenden Bereich und einen stromab liegenden Bereich
besitzt. Der Querschnittsflächenbereich
der Durchflusskammer erhöht
sich inkremental in der Richtung der Fluidströmung, wobei der Querschnittsflächenbereich
des stromab liegenden Bereichs größer als der Querschnittsflächenbereich
des stromauf liegenden Bereichs ist. Angeordnet innerhalb der Durchflusskammer
ist mindestens ein Prallwandelement, das koaxial innerhalb der Durchflusskammer bewegbar
ist, um ein hydrodynamisches Kavitationsfeld stromab liegend des
Prallwandelements zu erzeugen. Wenn das Fluid durch die Durchflusskammer
hindurchfährt,
trifft das Fluid auf das Prallwandelement auf und erzeugt eine Kavitation
so, wie dies vorstehend beschrieben ist.
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Das
Verfahren kann weiterhin ein zweites Prallwandelement vorsehen,
das sich koaxial stromauf liegend zu dem ersten Prallwandelement
innerhalb der Durchflusskammer zum Erzeugen eines zweiten, hydrodynamischen
Kavitationsfelds stromab liegend des zweiten Prallwandelements erstreckt. Unter
Verwendung der Anordnung, die vorstehend beschrieben ist, wird ein
Verfahren offenbart, bei dem die Erfindung Mittel vorsieht, um unabhängig jedes Prallwandelement
innerhalb der Durchflusskammer zu bewegen, um die Veränderung
jedes hydrodynamischen Kavitationsfelds innerhalb der Durchflusskammer
zu ermöglichen.
Die bevorzugte Ausführungsform
dieses Verfahrens verwendet Prallwandelemente, die eine konisch
geformte Oberfläche
haben, wobei der konische Bereich jeder konisch geformten Oberfläche der
Fluidströmung
entgegensteht und wobei jedes Prallwandelement gegen Prallwandelemente
austauschbar ist, die verschieden geformte Oberflächen und
Anordnungen haben.
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Während verschiedene
Ausführungsformen einer
Vorrichtung und eines Verfahrens zum Erzeugen einer hydrodynamischen
Kavitation in Fluiden offenbart worden sind, sollte verständlich werden,
dass Modifikationen und Anpassungen davon Fachleuten auf dem betreffenden
Fachgebiet ersichtlich werden. Andere Merkmale und Aspekte dieser
Erfindung werden für
Fachleute auf dem betreffenden Fachgebiet unter Lesen und Nachvollziehen
dieser Offenbarung ersichtlich werden. Solche Merkmale, Aspekte
und erwarteten Variationen und Modifikationen der angegebenen Ergebnisse
liegen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung, wobei die Erfindung
nur durch den Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche eingeschränkt ist.