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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Eduktor-Mischersystem insbesondere
zur Zubereitung von Dispersionen, Lösungen und Schlämmen. Mehr insbesondere,
das Eduktor-Mischersystem gemäss der
Erfindung ist eine Verbesserung des Eduktor-Mischersystems gemäss meinen älteren
US-Patentschriften 4,186,772 (auf
welche die zweiteilige Form des unabhängigen Anspruches 1 sich stützt) und
3,777,775 .
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Hintergrund der Erfindung
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Ein
Eduktor-Mischersystem ist aufgebaut zum kontinuierlichen Vermischen
eines Gelöststoffes,
wie z.B. Farbpigmente, Feuerhemmer, Flüssigkeiten und Gels (z.B. ein
Pulver, Granulat oder anderen drucktransportierbaren oder fluidisierbaren
Materialien, einer Flüssigkeit
oder eines Gases) und eines Lösungsmittels
oder Arbeitsfluids (z.B. eine Flüssigkeit
oder in einigen Fällen
ein Gas) zum Herstellen einer Dispersion, eines Schlammes oder einer
Lösung.
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Der
Gelöststoffeinlass
eines Eduktor-Mischersystems ist in herkömmlicher Weise an den Auslass
eines fluidisierten Behälters
angeschlossen, damit ein Unterdruck, der in dem Eduktor-Mischer
durch die Strömung
eines Lösungsmittels
(Arbeitsfluid) durch eine innere Düse erzeugt wird, mit dem fluidisierten
Auslass für
das Pulver aus dem Behälter
zusammenwirkt damit die fluidisierte Lösung wirksam in den Eduktor-Mischer
angesaugt wird. In bekannten Eduktor-Mischersystemen gemäss dem Stand der Technik liegt
im Allgemeinen eine kegelförmige,
konvergente Strömung
des Arbeitsfluids vor, da zum pneumatischen Vakuumtransport ohne
Klumpenbildung oder Verstopfen die meisten Gelöststoffe, welche in diesen
Systemen verarbeitet werden, ein Gelöststoffrohr und eine Förderleitung
mit verhältnismässig grossem
Durchmesser verlangen (mehr als 1.0–1.5 Zoll). Solche Zufuhrrohre
mit grossem Durchmesser sind auf eine kegelförmige Düse angewiesen, um dem Arbeitsfluidstrahl
in ein Auslassrohr mit ausreichend kleinem Durchmesser einzuleiten,
um dem Querschnittsflächenkriterium
zur Unterdruckerzeugung und zum Vermischen nachzukommen. Obschon
einige Gelöststoffe
in Rohren mit kleinerem Durchmesser vakuumtransportiert werden können, kann
sich in solchen Gelöststoffrohren
mit kleinem Durchmesser Gelöststoff
am Rohrauslassende ansetzen infolge von Turbulenzen an dem kegelförmigen Ablenker
in dem Auslassrohr wodurch kleinere Mengen von Arbeitsfluid in das
Gelöststoffrohr
zurückspritzen.
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Desweiteren
werden herkömmliche
Eduktor-Mischersysteme als ziemlich nachteilig angesehen durch die
Einführung
einer Radialkomponente translatorischer Energie in den kegelförmig konvergierenden
Strahl des Arbeitsfluids, und sind demnach nicht so wirksam wie
theoretisch möglich
für die wirksame
Erzeugung eines Unterdruckes zum zwangsweisen Ansaugen des Gelöststoffes.
Es wird hingewiesen auf die
US-Patentschriften
1,806,287 ,
2,100,185 ,
2,310,265 ,
2,695,265 ,
2,772,372 ,
3,166,020 ,
3,186,769 sowie auf das
kanadische Patent Nr. 770,113 , welche
alle verschiedene Eduktor-Mischersysteme und Luftfördereinrichtungen
in dem gleichen allgemeinen Gebiet wie die vorliegende Erfindung
betreffen.
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Hingewiesen
wird auch auf die
US-Patentschrift
5,023,021 , die eine Venturi-Kartusche betrifft mit einem
Saugrohr, das mit seinem Auslassende in einem Venturi-Hals eines
Kartuschenkörpers
aufgenommen ist. Fluid aus dem Saugrohr wird in den Venturi-Hals
abgegeben, stromaufwärts
des divergenten Auslassabschnittes desselben. Gemäss einem
Ausführungsbeispiel
ist zum Bilden eines radialen Diffusors ein Endstück an dem
Kartuschenkörper
befestigt. In einer anderen
US-Patentschrift
Nr. 5,842,600 ist ein Venturi-Mischer beschrieben, wobei ein Auslassvorsprung
einer Druckzufuhrleitung in einem Düsenhals stromaufwärts eines
Düsenauslasses
aufgenommen ist.
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In
vielen bekannten Eduktor-Mischersystemen gemäss dem Stand der Technik muss
der Pudervorrat, selbst wenn er sich in einem fluidisierten Behälter befindet,
höher liegen
als das Eduktor-Mischersystem, da letzteres durch Schwerkraftzuführung mit
dem Puder versorgt wird. In den Systemen gemäss den
US-Patentschriften 4,186,772 und
3,777,775 sind die Eduktor-Mischer
nicht auf die Schwerkraftzuführung
angewiesen, da das Vakuum in dem Eduktor-Mischer ausreichend ist
zum zwangsweisen Ansaugen des Puders aus dem Behälter in die Eduktor-Mischersysteme
und somit sind die Systeme nicht abhängig von der relativen Lage des
Puderbehälters
in Bezug auf das Eduktor-Mischersystems.
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Das
Eduktor-Mischersystem gemäss
der vorliegenden Erfindung ist eine wesentliche Verbesserung der
vorstehend erwähnten
Eduktor-Mischersysteme und ist infolge einer verbesserten Düsenausführung in
der Lage eine grössere
Materialmenge zu fördern
und einen höheren
Unterdruck zu erzeugen. Desweiteren vermeidet die Erfindung Nachteile in
Zusammenhang mit dem Zurückspritzen
und dem Verstopfen von Gelöststoffrohren
mit engem Durchmesser, welche üblicherweise
in Verbindung mit kegelförmigen
Arbeitsmittelstrahlen auftreten.
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Kurze Erläuterung der Erfindung
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Unter
den vielen Merkmalen dieser Erfindung ist hervorzuheben:
das
Schaffen eines Eduktor-Mischersystems, das besonders gut geeignet
ist zur kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Zubereitung von
Dispersionen, Lösungen
oder Schlämmen
aus einem feinen, granularen Teilchenmaterial, oder pulvrigen Lösung, oder anderen
drucktransportierbaren oder fluidisierbaren Materialien und einem
Arbeitsfluid oder Lösungsmittel;
das
Schaffen eines Eduktor-Mischersystems, das auch geeignet ist zum
Vermischen von gas- oder dampfförmigen
Gelöststoffen
mit flüssigen
oder gasförmigen
Arbeitsfluids;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems, das den
Gelöststoff
und das Arbeitsfluid gründlich
miteinander vermischt;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems,
das selbstreinigend ist und die Rückströmung des Arbeitsmittelfluids
in den Gelöststoffeinlass
wirksam verhindert;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems,
das Arbeitsmittel fluid-Strömungsverluste
minimiert und hochwirksam ist zur Bewegungsenergieübertragung vom
Arbeitsfluid auf den Gelöststoff
und die zubereitete Dispersion;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems,
welches das Ausüben
einer Radialkomponente translatorischer Energie auf den Arbeitsmittelfluidstrom
minimiert, um die zur Verfügung
stehende kinetische Energie zum Erzeugen eines Unterdruckes zu maximieren,
der wirksam ist, um den Gelöststoff
durch das Gelöststoffrohr
zu saugen;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems, welches
das Erfordernis für
einen konvergenten Arbeitsmittelfluidstrahl ausschaltet, damit im
Wesentlichen die gesamte kinetische Energie des Arbeitsmittelfluids
in Längsrichtung
gerichtet ist;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems, das
optimiert ist für
den Betrieb mit Gelöststoffzufuhrleitungen
mit kleinem Durchmesser;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems,
das das Zurückspritzen
des Arbeitsmittelfluids infolge Turbulenz in die Gelöststoffzufuhrleitung
im Wesentlichen ausschaltet;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems
in welchem ziemlich hohe Unterdrücke
wirksam erreicht werden können,
um fluidisierbares Material in das Eduktor-Mischersystem anzusaugen
und wobei die relative Lage des Eduktor-Mischersystems und des fluidisierbaren
Materialvorrats weniger kritisch ist;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems,
das unerwünschte
Turbulenz in der Nähe
der Einleitung des fluidisierbaren Materials herabsetzt;
das
Schaffen eines Eduktor-Mischersystems wobei die radiale Lage der
Eduktordüse
abhängig
ist vom Aussendurchmesser des Gelöststoffrohres, und die Querschnittsfläche der
Düse proportional
ist zu der Querschnittsfläche
des Auslassrohres;
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems
wobei bestimmte Teile, welche der Strömungserosion unterliegen, einfach
und ökonomisch
zu ersetzen und in Bezug aufeinander einstellbar sind zum Kompensieren
ihrer Abnutzung, um ihre Lebensdauer zu verlängern bei Aufrechterhaltung
der erwünschten
Strömungseigenschaften
durch das Eduktor-Mischersystem;
das
Schaffen eines Eduktor-Mischersystems wobei bestimmte Teile einfach
ausgewechselt werden können
zur Veränderung
des Durchsatzes durch das Eduktor-Mischersystem innerhalb eines
vorbestimmten Bereiches; und
das Schaffen eines Eduktor-Mischersystems,
das einen verhältnismässig einfachen
und unempfindlichen Aufbau hat, zuverlässig im Betrieb ist, in bestehenden
Eduktor-Mischersystemen
nachgerüstet
werden kann, und das keine besondere Schulung oder Erfahrung des
Bedienungspersonals verlangt.
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Im
Allgemeinen hat ein Eduktor-Mischersystem gemäss der Erfindung, entsprechend
dem unabhängigen
Anspruch 1, einen Eduktorkörper
mit einem Arbeitsfluidkanal, der sich durch den Eduktorkörper erstreckt
für die
Strömung
eines Arbeitsfluids unter Druck von einem Ende des Arbeitsfluidkanals,
das ein Einlassende bildet, zu dem anderen Ende des Arbeitsfluidkanals,
das ein Auslassende bildet, wobei der Arbeitsfluidkanal im Wesentlichen
einen gleichförmigen,
kreisförmigen
Querschnitt entlang seiner Länge
aufweist. Der Eduktorkörper
besitzt eine Öffnung
gegenüberliegend
des Auslassendes des Arbeitsfluidkanals, welche Öffnung koaxial ist zu dem Auslassende
und einen wesentlich kleineren Durchmesser als der Durchmesser des
Arbeitsfluidkanals aufweist. Ein Einsatzstück, bestehend aus einem von dem
Eduktorkörper
separaten Ring, mit Innen- und Aussenflächen, und einer mittleren Durchgangsöffnung von
seiner Innenseite zu seiner Aussenseite, ist am Auslassende des
Arbeitsfluidkanals koaxial zum Auslassende lösbar befestigt. Die mittlere Öffnung des
Ringes hat einen wesentlich kleineren Durchmesser als der Durchmesser
des Arbeitsfluidkanals. Ein zylindrisches Rohrstück mit wesentlich kleinerem Durchmesser
als der Durchmesser des Arbeitsfluidkanals erstreckt sich von ausserhalb
des Eduktorkörpers
durch die Öffnung
in dem Eduktorkörper
gegenüberliegend
dem Auslassende des Arbeitsfluidkanals und erstreckt sich vorwärts in dem
Arbeitsfluidkanal vom inneren Ende der Öffnung in dem Eduktorkörper in
die mittlere Öffnung
in dem Ring. Das Rohrstück
ist offen an einem Ende in der mittleren Öffnung in dem Ring, und das
offene Ende des Rohrstückes
bildet ein Auslassende. Das Rohrstück ist axial einstellbar in
der Öffnung
und ist aus dieser herausnehmbar, und geeignet zum Anschluss ihres
Endes ausserhalb des Eduktorkörpers
an eine Quelle fliessfähigen
Materials zum Absaugen und zum Vermischen mit dem Arbeitsfluid für die Strömung des
Materials durch das Rohrstück
und Abgabe am Auslassende des Rohrstückes. Das Auslassende des Rohrstückes ist
im Wesentlichen koplanar mit der Aussenseite des Ringes.
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Der
Innenumfang des Ringes, der die mittlere Öffnung in dem Ring begrenzt,
ist zum einen Teil geformt als ein Einlass, der sich von der Innenseite
in Richtung zur Aussenseite des Ringes erstreckt und in Strömungsrichtung
konvergent ist von der Innenseite in Richtung zur Aussenseite des
Ringes, und zum anderen Teil als zylindrische Düsenfläche, die sich von dem engsten
Teil des Einlasses zur Aussenseite des Ringes erstreckt. Der engste
Teil des Einlasses des Ringes umgibt die zylindrische Aussenfläche des Rohrstückes und
ist von dieser beabstandet um ein Mass, das klein ist im Verhältnis zu
dem Durchmesser des Aussenendes des Einlasses, so dass die zylindrische
Düsenfläche eine
ringförmige Öffnung zwischen
der zylindrischen Aussenfläche
des Rohrstückes
und der zylindrischen Düsenfläche des
Ringes bildet zur Abgabe des Arbeitsfluids unter Druck aus dem Kanal
durch die ringförmige Öffnung.
Das Arbeitsfluid unter Druck wird in Form eines ringförmigen Strahls
abgegeben. Der Spalt zwischen der äusseren, zylindrischen Fläche des
Rohrstückes
und der zylindrischen Düsenfläche des
Ringes ist verhältnismässig klein
und die Länge
der ringförmigen
zylindrischen Öffnung
ist verhältnismässig kurz
zur schnellen Beschleunigung des durch die Öffnung strömenden Arbeitsfluids auf eine
verhältnismässig hohe
Lineargeschwindigkeit mit niedrigen Strömungsverlusten. Ein von dem
Ring separates Mittel bildet einen Auslasskanal stromabwärts des
Ringes am Auslassende des Arbeitsfluidkanals des Eduktorkörpers, in welchem
das am Auslassende des Rohres ausströmende Material und das aus
der Öffnung
in Form eines zylindrischen Strahls austretende Arbeitsfluid sich
vermischen können,
und ist lösbar
am Auslassende des Arbeitsfluidkanals am Eduktorkörper befestigt.
Der Auslasskanal erstreckt sich vom Ring nach aussen und hat einen
Aussendurchmesser an seinem an die Aussenseite des Ringes angrenzenden
Ende, der grösser
ist als der Durchmesser der zylindrischen Düsenfläche des Ringes. Die Innenfläche des
Mittels zum Bilden eines Auslasskanals liegt ausserhalb des austretenden
Strahls und parallel dazu längs
ihrer gesamten Länge.
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Die
vorstehenden und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie
zur Zeit bevorzugte Ausführungsbeispiele
sind ausführlicher
aus der nachfolgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen zu entnehmen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine auseinandergezogene perspektivische Darstellung eines Eduktor-Mischers
gemäss
dieser Erfindung;
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2A ist
eine Darstellung im Längsschnitt eines
Eduktor-Mischers gemäss
dem Stand der Technik;
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2B ist
eine Darstellung im Längsschnitt des
Eduktor-Mischers gemäss
der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine vergrösserte
Querschnittansicht eines Teiles des Eduktor-Mischers zur Darstellung
bestimmter Einzelheiten der Eduktordüse;
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4 ist
eine vergrösserte
Querschnittansicht eines Teiles des Eduktor-Mischers und zeigt die vergrösserte Wandstärke des
Gelöststoffrohres;
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5 ist
ein Diagramm zum Vergleich der Vakuumpumpkapazität eines Eduktor-Mischersystems
gemäss
der vorliegenden Erfindung mit der Vakuumpumpkapazität eines
Gerätes
entsprechend dem Stand der Technik, zum Verdeutlichen der verbesserten
Wirksamkeit des Eduktor-Mischers gemäss der Erfindung.
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Gleiche
Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Bauteile in den verschiedenen
Zeichnungsfiguren.
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Bestes Beispiel zur Ausführung der
Erfindung
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Die
nachfolgende ausführliche
Beschreibung erläutert
die Erfindung beispielsweise und ist nicht in einschränkendem
Sinne zu verstehen. Die Beschreibung erlaubt es eindeutig einem
Fachmann die Erfindung auszuführen
und zu benutzen, beschreibt mehrere Ausführungsbeispiele, Anpassungen,
Veränderungen,
Alternativen und Anwendungen der Erfindung, einschliesslich desjenigen
was zur Zeit als beste Ausführungsform
zur Durchführung
der Erfindung angesehen wird.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Eduktor-Mischers gemäss
der vorliegenden Erfindung ist in den Zeichnungen insgesamt mit 1 bezeichnet
und besitzt einen Eduktorkörper
oder Gehäuse 3 mit
einem gekrümmten
Kanal, der durch das Gehäuse
führt,
für ein
Arbeitsfluid oder Lösungsmittel von
einem Einlassende 5 (auch als ein erster Einlass bezeichnet)
an einem Ende des Kanals. Das Gehäuse ist ausgeführt zum
Anschluss an eine Quelle eines Arbeitsfluids oder Lösungsmittels
unter Druck (z.B. an eine Flüssigkeitsleitung
oder eine Pumpe) und zum Transport des Arbeitsfluids oder Lösungsmittels zu
dem anderen Ende des Kanals, das ein Auslassende bildet, und hat
einen zweiten Einlass 7, der an einen Vorrat transportfähigen oder
fluidisierbaren Materials (im Folgenden auch als Gelöststoff
oder fliessfähiges
Material bezeichnet) anzuschliessen ist. Der Kanal hat im Wesentlichen
einen gleichförmigen, kreisförmigen Querschnitt
längs seiner
Länge.
Kanäle
mit ungleichförmigen
Querschnittsflächen
und anderen Formen, wie z.B. T.Formen, können aber auch geeignet sein
für das
Eduktor-Mischersystem gemäss
der Erfindung und fallen demgemäss
in den Schutzbereich der Erfindung. Wie vorstehend erwähnt kann
der Lösungsmitteleinlass
mit der Auslassseite einer Flüssigkeitspumpe
oder einer anderen Quelle eines Arbeitsfluids unter Druck angeschlossen
werden. Der Einlass 7 kann über eine geeignete Leitung
an die Auslassöffnung
eines fluidisierten Behälters
angeschlossen werden.
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Fluidisierte
Behälter
werden benutzt zum Transport und zur Aufbewahrung mittlerer Mengen (z.B.
mehr als ein Sack voll und weniger als ein Lastkraftwagen oder Eisenbahnwagen
voll) von pudrigem, feinem, granularem Werkstoff oder anderem fliessfähigen oder
fluidisierbaren Materialien, wie z.B. pulvrigen, feuerhemmenden
Materialien, Farbpigmenten, Zement, Öllochbohrschlämmen, Baryt,
Diatomeenerde, Talk, Kalk usw.. Es ist öfters erforderlich, den pulvrigen
Gelöststoff
nach der Entladung mit einem Lösungsmittel
zu vermischen, um eine Dispersion, einen Schlamm oder eine Lösung zu
bilden. Obschon das Eduktor-Mischersystem gemäss der hierin beschriebenen
und nachfolgend beanspruchten Erfindung hauptsächlich in Zusammenhang mit
fluidisierten Behältern
zum Vermischen pulvriger Gelöststoffe
mit flüssigen
Lösungsmitteln
erläutert
wird, ist zu verstehen dass das Eduktor-Mischersystem entsprechend
der Erfindung nicht nur in Zusammenhang mit einem fluidisierten
Behälter
eingesetzt, sondern zum Vermischen aller Arten von Gelöststoffen
und Lösungsmitteln
verwendet werden kann. Es wird insbesondere darauf hingewiesen,
dass das Eduktor-Mischersystem gemäss der Erfindung eingesetzt werden
kann zum Vermischen von flüssigen
und auch gasförmigen
Lösungsmitteln
und Gelöststoffen.
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Das
Eduktor-Mischersystem gemäss
der vorliegenden Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber dem
in
2A dargestellten Eduktor-Mischersystem entsprechend
den
US Patentschriften 4,186,772 und
3,777,775 . Bezugnehmend
nun auf die
1 und
2B, der
Körper
oder das Gehäuse
3 des
Eduktor-Mischersystems entsprechend der Erfindung ist vorzugsweise
aus einem geeigneten Metall, wie z.B. rostfreiem Stahl, herstellt
oder gegossen, und hat einen Kanal oder eine Plenumkammer
9,
die innerhalb des Gehäuses
geformt ist und in Verbindung mit dem Lösungsmitteleinlass
5 steht.
Ein Stutzen
11 erstreckt sich vom Gehäuse koaxial zu dem Auslassende
des Kanals. Es ist aber zu verstehen, dass der Stutzen
11 in
das Gehäuse
3 hineinragen
könnte.
Obschon das Gehäuse
3 im
Wesentlichen in Form eines 90° Kniestückes ausgeführt ist,
ist zu verstehen, dass das Gehäuse
andere Formen aufweisen könnte
und trotzdem in den Schutzbereich der Erfindung fallen würde. Der
Gelöststoffeinlass
7 ist
als zylindrisches Rohrstück
13 dargestellt,
das einen etwas kleineren Durchmesser als die Bohrung des Stutzens
11 aufweist.
Das Rohrstück
13 ist
in den Stutzen einsetzbar, um sich durch die Plenumkammer oder den
Kanal
9 zu erstrecken damit das Arbeitsfluid oder Lösungsmittel
unter Druck die Plenumkammer oder den Kanal füllt und das Gelöststoffeinlassrohr
umgibt. Ein Aufnahmestück,
insgesamt mit
15 bezeichnet, ist lösbar am Gehäuse
3 befestigt. Das
Innere des Aufnahmestückes
bildet ein Kanalmittel
17, in dem der Gelöststoff
in dem Lösungsmittel
dispergiert wird und in dem das Lösungsmittel und der Gelöststoff
vermischt werden. Ein Einsatzstück
19 ist
in dem Gehäuse
3 am
Auslassende des Kanals oder der Kammer
9 zwischen der Kammer
9 und
dem Kanalmittel
17 angeordnet. Diese Einsatzstück besteht,
wie dargestellt, aus einem flachen Ring mit einer mittleren Öffnung oder
Düsenöffnung
21 in
dem Ring, die das Innere oder das Auslassende des Gelöststoffrohres
13 aufnimmt.
Die Düsenöffnung
21 ist etwas
grösser
als der Aussendurchmesser des Auslassendes des Gelöststoffrohres
und dieses ist im Wesentlichen in der Öffnung
21 zentriert,
um eine ringförmige
Düsenöffnung N
zu bilden, konzentrisch zu dem Gelöststoffrohr, durch welche das
Arbeitsfluid unter Druck aus der Plenumkammer oder dem Kanal mit
hoher Geschwindigkeit in den Empfangsteil
15 ausströmt. Das
Lösungsmittel
wird in Form eines ringförmigen
Strahls J abgegeben und es erzeugt einen Unterdruck in dem Kanalmittel.
Der Unterdruck ist in Kommunikation mit dem Auslassende des Gelöststoffrohres
13 und
zieht oder saugt somit den Gelöststoff
in das Kanalmittel
17.
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Wie
am besten in 3 dargestellt, hat das Gelöststoffrohr 19 einen
wesentlich kleineren Durchmesser als der Kanal 9 und hat
einen gleichförmigen Aussendurchmesser
OD und Innendurchmesser D1 angrenzend an das Auslassende, um eine
zylindrische Aussenfläche 23 aufzuweisen.
Das Einsatzstück 19 hat
eine innere, zylindrische Düsenfläche 25 konzentrisch
zu der zylindrischen Aussenfläche 23, welche eine
mittlere Öffnung
oder Düse 21 bildet. Das
Einsatzstück 19 hat
auf seiner Innenfläche
(nach links weisend in den 2B und 3)
einen kegelförmigen
Einlass 26, der in Richtung zur zylindrischen Düsenfläche 25 konvergiert.
Letzterer erstreckt sich von dem engsten Teil des kegelförmigen Einlasses 26 zu
der Aussenfläche
(nach rechts in 2B und 3) des Ringes.
Der Durchmesser der Öffnung
21 und die Länge
der zylindrischen Düsenfläche 25 in
der Richtung der Strömung
durch die Düse
hängt von
den erwünschten
Strömungsbedingungen
durch die Düse
ab. Es ist zu verstehen, dass die Durchflussmenge durch die Düse gleichermassen
abhängig
ist von dem Druck in der Plenumkammer oder in dem Kanal 9 und
in dem Kanalmittel 17 sowie auch von der Querschnittsfläche der
Düse N. Letztere
ist die Querschnittsfläche
des Spaltes G (siehe 3) zwischen der zylindrischen
Aussenfläche 23 des
Gelöststoffrohres
und der zylindrischen Düsenfläche 25.
Der Unterdruck, welcher durch den aus der Düse in das Kanalmittel eintretenden
Strahl erzeugt wird ist abhängig
von der Strahlgeschwindigkeit.
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Das
Eduktor-Mischersystem 1 gemäss der Erfindung ist besonders
gut geeignet zur wirksamen Beschleunigung des Arbeitsfluids aus
der Plenumkammer oder dem Kanal 9 in das Kanalmittel 17 in mehreren
wichtigen Hinsichten. Erstens ist die Querschnittsfläche der
Plenumkammer oder des Kanals sehr gross im Verhältnis zu der Querschnittsfläche der
Düse N.
Dies erlaubt die Arbeitsfluidströmung durch
den Kanal mit einer wesentlich kleineren Geschwindigkeit als es
durch Düse
strömt,
so dass wenig oder kein Energieverlust infolge der Strömung des
Arbeitsfluids durch den Kanal vorliegt. Die Länge L der Düse in der Strömungsrichtung
durch die Düse ist
verhältnismässig sehr
kurz. Dies erlaubt eine fast augenblickliche Beschleunigung des
Lösungsmittels auf
seine Auslassgeschwindigkeit in einer kurzen Wegstrecke, wodurch
die Strömungsverluste
beim Durchströmen
der Düse
und Verlassen derselben mit hoher Lineargeschwindigkeit minimiert
werden. Gemäss
einem Grenzfall kann die Düsenfläche 25 eine scharfe
Messerkante sein mit einer äusserst
kurzen, wirksamen Länge
(z.B. einige Tausendstel eines Zolls) in Richtung der Strömung durch
die Düse.
In anderen Fällen
kann die Düse
vorzugsweise eine grössere
Länge L
aufweisen etwa entsprechend der Breite des Spaltes G zu einem Zweck
der später noch
beschrieben wird. Es ist zu verstehen, dass bei zunehmender Düsenlänge L Scherkräfte (und
damit verbunderer Energieverlust) in der Düse zunehmen. Scherkräfte sind
natürlich
grösser
bei engeren Düsenspalten.
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Zweitens,
es wurde auch gefunden, dass das Verhältnis der Düsenlänge L zu der Spaltbreite G (d.h.
L/G) vorzugsweise zwischen etwa 0.001 für eine Schneidkantenfläche 23 und
bis zu etwa 10 für
eine zylindrische Düsenfläche 25 sein
soll, die parallel zu der äusseren,
zylindrischen Fläche 23 des
Rohres 12 ist. Wie die 2B und 3 zeigen,
hat der Aufnahmeteil 15 eine Auslassleitung 16 mit
konstantem Durchmesser, die an der Aussenfläche des Düsenteiles 19 anliegt,
und das Kanalmittel 17 bildet. Der Durchmesser D3 des inneren
Endes oder der Bohrung der Auslassleitung 16 ist etwas
grösser
als der Aussendurchmesser D2 der Düsenöffnung 21.
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Eine
dritte Anforderung damit das Eduktor-Mischersystem gemäss der Erfindung
Energieverluste minimiert, ist das Ausgleichen der Bereiche, in
welchen der durch die Düse
N strömende
Strahl des Arbeitsfluids sich ausdehnen kann. Um etwa gleiche Ausdehnungsbereiche
zu schaffen muss die Querschnittsfläche der Auslassleitung 16,
wie in 3 ersichtlich, die sich innerhalb des Strahls
an der Fläche
der Ringdüse
N befindet, mit dem Durchmesser OD des Gelöststoffrohres 13,
etwa der Querschnittsfläche
der Auslassleitung 16 entsprechen, die sich ausserhalb
des Strahls an der Fläche
der Ringdüse
N befindet. Diese zweite Querschnittsfläche ist der ringförmige Bereich
zwischen dem Innendurchmesser D3 der Auslassleitung und dem Aussendurchmesser
der Ringdüse
N, bestimmt durch D2 an der Aussenfläche der Düse N. Wenn diese zwei Querschnittsflächen etwa
die gleiche Grösse
aufweisen, kann der durch die Düse
N strömende
Fluidstrahl sich gleichförmig
in allen Richtungen ausdehnen und minimiert damit Energieverluste
infolge Wandreibung oder gegenseitige Beeinflussung.
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Das
Eduktor-Mischersystem gemäss
der Erfindung minimiert Energieverluste da die Innenfläche der
Auslassleitung 16 angrenzend an die Düse N ausserhalb und parallel
zu der projektierten Bahn des zylindrischen Strahls J ist, der aus
der Düse
austritt (wie in 3 durch die gestrichelten Linien
angedeutet ist). Dies gewährleistet,
dass Wandreibungsverluste an den Wänden des Kanalmittels minimiert sind,
da der Strahl mit hoher Geschwindigkeit in das Kanalmittel eintritt.
Desweiteren ist der Durchmesser der Auslassleitung an jeder Stelle
entlang ihrer Länge grösser als
der Durchmesser der projektierten Bahn des Strahls, um sicherzustellen
dass die Wände
der Auslassleitung vom Strahl frei sind. Gemäss der Erfindung ist die Querschnittsfläche der
Auslassleitung 16 stromabwärts des Kanalmittels 17 etwa
das 3–10-fache
der Querschnittsfläche
des Spaltes G, und grösser
für höhere Austrittsgeschwindigkeiten aber
in dem kleineren Bereich für
geringere Austrittsgeschwindigkeiten.
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Schliesslich,
durch den Austritt des Lösungsmittels
in einem konzentrischen, zylindrischen Strahl J, im Gegensatz zu
dem konvergenten, konischen Strahl, wie bei den erwähnten Patenten
gemäss
dem Stand der Technik, ist die Radialkomponente der Strahlenergie
im Wesentlichen ausgeschaltet, und die zur Verfügung stehende translatorische
kinetische Energie zur Unterdruckerzeugung ist dementsprechend erhöht. Das
Ausschalten des sich kegelförmig
zuspitzenden Strahls verhindert ausserdem weitgehend das Zurückspritzen
des Lösungsmittels in
Richtung zum Auslassende des Gelöststoffrohres 13,
und verhindert demnach das Ansetzen des Gelöststoffes und ein Verstopfen
des Rohrstückes.
Die Verlagerung des Strahls weg von der Öffnung an dem Auslassende des
Gelöststoffrohres 13 kann
weiter erfolgen durch eine gleichförmige Steigerung der Wandstärke des
Gelöststoffrohres,
wie in 4 dargestellt, angrenzend an das Auslassende,
und durch eine dementsprechende radiale Vergrösserung der zylindrischen Düsenfläche 25 nach
aussen, um die Querschnittsfläche
des Spaltes G in dem gewünschten
Bereich zu halten. Der Fachmann wird erkennen, dass die damit geschaffene
Struktur eine Ringdüse mit
grösserem
Durchmesser hat, einen Spalt G mit engerer Breite, und keine dementsprechende
Veränderung
in der Querschnittsfläche
des Spaltes.
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Diese
Verbesserungen wirken sich in einer beträchtlichen Steigerung der Wirksamkeit
des Eduktor-Mischersystems aus im Vergleich zu Systemen gemäss den eingangs
erwähnten
Patentschriften, wie aus
5 ersichtlich ist, die die Vakuumpumpkapazität des Eduktor-Mischersystems
entsprechend der
US Patentschrift
4,186,772 mit dem Eduktor-Mischersystem gemäss der Erfindung
vergleicht. In
5 wurden, bei einem vorbestimmten
Arbeitsfluiddruck, sowohl das durch das Gelöststoffrohr gesaugte Gasvolumen
und die Durchflussmenge der die Auslassleitung verlassenden Flüssigkeit
gemessen, um ein Verhältnis
zu bilden das repräsentativ
ist für
die Vakuumpumpkapazität.
Zum Beispiel, für
einen Manometerdruck des Arbeitsfluids von 40 Pfund/Quadratzoll
am ersten Einlass, schafft das bekannte Eduktor-Mischersystem ein
Vakuumpumpkapazitätsverhältnis von
0.23 scf/usg, während
das Eduktor-Mischersystem gemäss
der Erfindung für den
gleichen Arbeitsfluiddruck ein Vakuumpumpkapazitätsverhältnis von 0.34 scf/usg schafft,
eine 48%ige Verbesserung des Wirkungsgrades.
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Wie
vorstehend beschrieben, ist der durch das Eduktor-Mischersystem
1 gemäss der Erfindung erzeugte
Unterdruck wirksamer als bei dem bekannten Eduktor-Mischersystem
gemäss
den eingangs erwähnten
US Patentschriften 4,186,772 und
3,777,775 , um mehr Luft
und dementsprechend noch mehr Gelöststoff in das Eduktor-Mischersystem
anzusaugen. Somit ist das Eduktor-Mischersystem entsprechend der
Erfindung in der Lage eine grössere Menge
des pulvrigen Gelöststoffes
anzusaugen oder kann in einem grösseren
Abstand von dem pulvrigen Gelöststoff
in dem fluidisierten Gelöststoffbehälter angeordnet
werden als dies bisher möglich
war. Dementsprechend ist die Lage des Eduktor-Mischersystems in
Bezug auf den Gelöststoffvorrat
noch weniger kritisch als dies bisher bei den Systemen gemäss dem Stand
der Technik der Fall war.
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Es
ist zu verstehen, dass die Flächen 23 und 25 des
Gelöststoffrohres
bzw. des Einsatzstückes gehärtet, (d.h.
karburiert oder nitiert) werden können, um harte, abnutzungsresistente
Flächen
zu schaffen, die dem Abrieb durch das Lösungsmittel und den Gelöststoff
widerstehen, welche mit hohen Geschwindigkeiten über diese Flächen strömen. Abweichend davon
können
diese Flächen
auch aus einem besonderen, harten Werkstoff hergestellt werden,
der widerstandsfähig
ist gegen Abrieb durch die Strömungsreibung.
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Wie
vorstehend beschrieben, erstreckt sich das Gelöststoffrohr 13 in
das Gehäuse 3 durch
den Stutzen 11 und der Stutzen hat einen Innendurchmesser,
der etwas grösser
ist als der Aussendurchmesser des Gelöststoffrohres. Letzteres hat
eine oder mehrere Umfangsnuten 28 zur Aufnahme einer O-Ring-Dichtung 29,
die das Gelöststoffrohr
in der Stutzenöffnung
abdichtet wenn das Gelöststoffrohr axial
in den Stutzen eingesetzt ist. Diese Dichtung erlaubt es, das Gelöststoffrohr
axial in dem Stutzen hin- und herzubewegen unter Aufrechterhaltung
der Dichtwirkung. Wie aus 2B ersichtlich,
ist der Stutzen 11 im Wesentlichen koaxial zur Düsenöffnung 21 in
dem Einsatzstück 19 und
auch koaxial zu dem Mischrohr 15. Vorzugsweise wird das
Gelöststoffrohr 13 durch
den Stutzen 11 und die Plenumkammer 9 so in das
Gehäuse 3 eingesetzt
damit das Auslassende des Rohres im Wesentlichen koplanar zu dem
stromabwärtigen
Ende der Düsenfläche 25 und
koaxial zu der Düsenöffnung 21 ist,
damit der Spalt G eine gleichförmige
Dicke um das Rohr aufweist und damit das in der Plenumkammer enthaltene
Lösungsmittel
das Gelöststoffrohr
umgibt. Mehrere (z.B. drei) mit Gewinde versehene Befestiger 31 sind
am Stutzen 11 vorgesehen zum Festziehen gegen die äussere Oberfläche des
Gelöststoffrohres 13.
Wenn alle Befestiger 31 gegen die äussere Oberfläche des
Rohres 13 festgezogen sind, ist das Rohr in der gewünschten
axialen Lage in Bezug auf den Stutzen in diesem befestigt. Durch
Lösen und
Wiederfestschrauben der Befestiger 31 kann das Ende des
Rohres einfach in Bezug auf die Düse 25 eingestellt
und in seiner Lage befestigt werden wenn das Rohr in der Düse richtig
zentriert ist und der Spalt G eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke
um das Auslassende des Gelöststoffrohres
herum aufweist. Wenn die zylindrische Aussenfläche 23 des Gelöststoffrohres
so stark abgenützt
ist, dass die Strömungsgeometrie
durch den Eduktor-Mischer beeinflusst ist, können die Befestiger 31 gelöst und das Gelöststoffrohr 13 einfach
ausgebaut und die zylindrische, äussere
Oberfläche 23 des
Rohres erneuert werden, oder das Gelöststoffrohr kann weiter in
das Gehäuse
geschoben werden, um die Abnutzung des Gelöststoffrohres und/oder die
Abnutzung der Düsenfläche auszugleichen.
Da die Befestiger 31 sich in dem Stutzen 11 befinden
und von dem Einsatzstück 19 frei
sind und nicht in der Plenumkammer 9 liegen, strömt das Lösungsmittel
durch die Plenumkammer und die Düsenöffnung,
ohne eine Behinderung durch die Befestiger anzutreffen. Es ist auch
hervorzuheben, dass bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel die Düsenöffnung durch
den Eduktor-Mischer gemäss
der vorliegenden Erfindung ein kontinuierlicher, ringförmiger Spalt
um das Gelöststoffrohr
herum ist, ohne Stützen,
Strömungsteiler
oder anderen Verengungen in der Düse, die die Fluidströmung durch
die Düse
hemmen oder sonstwie behindern würden. Demnach
ist der konzentrische Lösungsmittelstrahl ein
kontinuierlicher, ringförmiger
Strahl beim Austritt aus der Düse.
Es ist aber zu verstehen, dass Strömungsteiler zwischen der Aussenfläche des
Gelöststoffrohres
und der Innenfläche
der Düse
angeordnet werden könnten
zum Tragen oder Zentrieren des äusseren
Endes des Gelöststoffrohres
in der Düsenöffnung.
In diesem Falle wäre
der aus der Düse
austretende Lösungsmittelstrahl
kein kontinuierlicher, ringförmiger
Strahl, sondern eine Reihe separater zylindrischer Strahle innerhalb
des Kanalmittels. Diese separaten Strahle werden als in den Schutzbereich der
vorliegenden Erfindung fallen angesehen.
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Wie
vorstehend erwähnt,
ist das Einsatzstück 19 ein
ringförmiger
Bauteil und, wie am besten in 3 dargestellt,
hat er eine Schulter 41 auf seiner vorderen Seite, die
an die Kammer angrenzt, und einen nach aussen vorstehenden Flansch 43.
Die Schulter 41 hat einen Durchmesser, der im Wesentlichen
der Gleiche ist wie der Durchmesser der kreisförmigen Innenbohrung des Gehäuses 3 und
somit ist die Schulter einfach in das offene Ende des Gehäuses einzusetzen,
um die Düsenöffnung in
Bezug auf die Längsachse
des Stutzens 11 und das darin eingesetzte Gelöststoffrohr 13 zu
zentrieren. Das Gehäuse 3 und
das Aufnahmerohr 15 haben beide zugehörige Flansche 45 und 47,
die Ende an Ende dicht aneinander zu befestigen sind. Wenn der Aufnahmerohrflansch 47 in
dichter Anlage mit dem Düsenflansch 43 ist,
ist das Einsatzstück 19 in
einer gewünschten
Lage in Bezug auf das Gehäuse
und den Aufnahmeteil eingespannt. Eine Umfangsnut 49 ist
in der Aussenfläche
des Flansches 47 vorgesehen zur Aufnahme einer O-Ring-Dichtung 51,
die den Aufnahmeteil gegenüber
dem Gehäuse
abdichtet. Diese Flansche 45 und 47 haben jeweils äussere Schrägflächen und
sind durch eine Abdichtbandklemme 53 gegeneinander festzuziehen,
die von der Firma Aeroquip Company aus Los Angeles, Californien,
zu beziehen ist. Beim Festziehen der Klemme 53 an den Flanschen 45 und 47 werden
diese Flansche gegeneinander in dichte Anlage mit dem O-Ring 51 festgezogen.
Es ist aber zu verstehen, dass andere Mittel als die Klemme 53 zur
lösbaren
und dichten Befestigung des Mischerrohres 15 an dem Gehäuse 3 vorgesehen
werden können.
Es ist dementsprechend zu erkennen, dass der Eduktor 1 gemäss der Erfindung einfach
umzubauen ist von einer Durchflusskapazität zu einer anderen durch einfaches
Auswechseln des Einsatzstückes 19 durch
ein anderes Einsatzstück mit
anderen Abmessungen der Düsenöffnung und Auswechseln
den Aufnahmeteiles 15, um ein gewünschtes Verhältnis zwischen
der Spaltquerschnittsfläche
und der Querschnittsfläche
des Kanalmittels beizubehalten.
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Gemäss der Erfindung
ist die Länge
L' der Leitung 16 vorzugsweise
etwa 5 bis 50 Mal länger
als ihr Durchmesser D3, und sogar noch besser etwa 15 bis 30 Mal
länger
als ihr Durchmesser zur Verbesserung der Vermischung (d.h. Dispersion)
des Gelöststoffes
und des Arbeitsfluids innerhalb der Leitung. Anders ausgedrückt, das
Verhältnis
L'/D3 soll vorzugsweise
zwischen 5 und 50 und noch besser zwischen etwa 15 und 30 liegen.
Es ist aber zu verstehen, dass dieses Verhältnis wesentlich verändert werden
kann und sogar ausserhalb der vorstehend erwähnten, bevorzugten Bereiche
liegen kann und dennoch unter den Schutzbereich der Erfindung fallen
würde.
Dieses Verhältnis
ist von vielen Faktoren abhängig,
wie z.B. den physikalischen Eigenschaften des zu vermischenden Gelöststoffes
und Lösungsmittels,
den Durchflussmengen und Drucken, und den Temperaturen des Gelöststoffes
und des Lösungsmittels,
sowie von vielen weiteren Faktoren. Demnach kann sich dieses Verhältnis sehr
beträchtlich ändern und
trotzdem kann eine zufrieden stellende Vermischung des Gelöststoffes
und des Lösungsmittels
mit dem Eduktor-Mischersystem gemäss der Erfindung erreicht werden.
Die vorstehend beschriebenen, bevorzugten Bereiche zeigen Bereiche
an, die für
viele Materialien gelten, welche einfach und zufriedenstellend mit
dem erfindungsgemässen
Gerät vermischt
wurden.