DE6610613U

DE6610613U - Vorrichtung zur herstellung und injektion einer suspension eines den stroemungswiderstand vermindernden additivs

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Publication number: DE6610613U
Application number: DE6610613U
Authority: DE
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-09-11
Filing date: 1968-09-11
Publication date: 1974-12-19

Description

<\Vorrichtung zur Herstellung und Injektion einer Suspension
eines den Strömungswiderstand vermindernden Additivs\

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer Suspension eines den Strömungswiderstand vermindernden
Additivs in einer Flüssigkeit, sur anschließenden Hydratation dieser Suspension zur vollen Ausbildung der den Strömungswiderstand vermindernden Eigenschaften und zur Injektion der erhaltenen Lösung in eine Grenzfläche Festkörper-Flüssigkeit.

Die Neuerung beinhaltet eine Vorrichtung zur Vorbereitung von den Strömungswiderstand vermindernden Additiven für die Injektion in eine Flüssigkeit, die relativ zu dem Injektionspunkt
fließt. Diese Additive sind durch und durch hydratisiert. Beispiele für diese Anwendungen sind in den eigenen US-Patent-

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Schriften 3 290. 883 mit dem Titel "Widerstandsverminderung in hydraulischen Geräten.", 3 303 810 "Widerstandsverminderung durch Additive mit Rezirkulation" und 3 303 8II "Verfahren und Vorrichtung zur Widerstandsverminderung" aufgezeigt.

Aufgabe der Neuerung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Mischen eines Additivs mit einer Flüssigkeit und zur Injektion der Mischung in eine Grenzschicht Festkörper-Flüssigkeit, um den Strömungswiderstand zwischen der Flüssigkeit, der Grenzschicht und der oberfläche zu vermindern, die sich relativ zu der- Flüssigkeit bewegt.

Eine weitere Aufgabe dieser Neuerung ist die Schaffung einer Vorrichtung für die Durchführung eines Verfahrens zum schnellen Mischen von Wasser und einem polymeren Additiv, so daß das Polymer zu der Zeit hydratisiert wird, zu der es entlang der zu schmierenden Oberfläche injiziert wird.

Neuerungsgemäß werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung gelöst, welche durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist: eine Mischkammer zur schnellen Bildung einer Suspension des löslichen, den Strömungswiderstand vermindernden Additivs in einem Lösungsmittel eine Hydratationsvorrichtung, die mit der Mischkammer zur Hydratation der Suspension bei ihrer Bildung und bis zur Erzeugung einer Lösung eines beträchtlichen Anteils des polymeren Additivs verbunden ist, und eine Vorrichtung zur Injektion der erhaltenen Lösung mit ihrer Bildung in eine Grenzfläche Festkörper-Flüssigkeit. Dabei wird aus der von der Flüssigkeit und dem festen Körper gebildeten Grenzschicht Flüssigkeit herausgezogen, die Flüssigkeit wird als Strahl mit hohem Druck in eine Mischkammer gepumpt, ein polymeres Additiv wird in einer flüssigen Suspension neutraler Dichte in den Strahl gedrückt und kräftig mit der Flüssigkeit vermischt. Von der Mischkammer gelangt die teilweise gemischte Lösung in eine wabenförmige Hydratationsvorrichtung, in der der Mischvorgang im wesentlichen abgeschlossen wird. Die erhaltene Lösung des Polymers wird nun in die Grenzschicht zwischen

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der Flüssigkeit und dem festen Körper injiziert, wo sie zur Verminderung des Strömungswiderständes dient. Die Vorrichtung wird » zwar im wesentlichen in bezug auf die Vorbereitung von solchen

Additiven erörtert, wie z.B. wasserlöslichen, widerstandsvermindernden und viskoelastischen Polymeren, die in Wasser zum Zwecke Ij ' der Strömungswidersfcandsverminderung verwendet werden. Diese Vorjj richtung kann jedoch auch zum Mischen von anderen nicht in Wasser

}■ ■ ' löslichen Polymermaterialien verwendet werden. Beispielsweise

kann Polyisobutylen mit Kerosin oder anderen Flugkraftstoffen gemischt werden, um die Leitungskapazität beim Auftanken in der

\ Luft zu erhöhen und somit die gefährlichen Zeitabschnitte zu

verkürzen.

Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Neuerung werden anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen von Ausführungsformen der Neuerung näher erläutert.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung einer AusL^fuhrungsform der Neuerung.

Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Speichertanks für die Polymersuspension.

Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3~3 in Figur 1.

Die in Figur 1 dargestellte Ausfuhrungsform ist eine Vorrichtung '-.· zum Mischen von polymerem Additiv mit einer Flüssigkeit und zur :J±r ■"- . Injektion dieser Mischung. In Figur 1 ist zwar gezeigt, daß alese .,-,},/„■ Vorrichtung an eine Rohrleitung angeschlossen ist, sie kann aber

mit irgendeiner anderen Einrichtung verbunden sein, in der eine . Flüssigkeit entlang einer festen Oberfläche fließt, beispielsweise mit der Seitenwand eines Behälters. Beispiele hierfür sind in den oben angegebenen Patentschriften dargelegt. j

ä In der Ausführungsform nach Figur 1 ist ein Verteiler 1 in Form

eines Rohres auf einer Leitung angeordnet. Durch einen auf dem Umfang der Oberfläche 2 der Leitung befindlichen Schlitz 3 wird

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Wasser in das Verteilerrohr eingelassen. Dieses Wasser wird einer Rohrleitung 4 zugeführt und eine Hochdruckpumpe 5 verstärkt den Druck. Das Wasser gelangt dann durch ein Rohr in eine Düsenöffnung 6 in. der Wand der Mischkammer 7 und wird in Form eines Strahls in die Mischkammer gespritzt, der anschließend divergiert.

Ein Speichertank 8 enthält das polymere Material, das in einer Lösung neutraler Dichte suspendiert ist, die etwa das gleiche spezifische Gewicht wie das Polymer besitzt und mit dem Polymer nicht reagiert. Ein Beispiel einer derartigen Lösung ist eine Lösung neutraler Dichte aus Äthylenglykol. der Bleiacetat oder Zinkjodid zugesetzt ist. Das spezifische Gewicht des Äthylenglykols ist geringer als das spezifische Gewicht des zugesetzten. Polymers. Um also eine Lösung mit dem richtigen spezifischen Gewicht zu erhalten, wird beispielsweise eine geeignete Menge an Bleiacetat zugefügt, bis die Lösung das richtige spezifische Gewicht erreicht hat, um das bestimmte verwendete Polymer zu suspendieren. Auf diese Weise kann das polymere Additiv auf unbestimmte Zeit gelagert werden und steht zu jeder Zeit für eine Verwendung zur Verfügung.

Ein Teil des Wassers in dem Rohr h strömt durch eine Leitung 9 in den Speichertank 8, Hier erzeugt es oberhalb des Diaphragmas einen Druck, so daß bei Beginn des Betriebes in der Anordnung das unterhalb des Diaphragmas 10 befindliche Polymer die Membran 11 zerreißt und durch ein kleines Rohr 12 herausfließt, um sich Tropfen für Tropfen etwa in der Mitte des aus der Düsenöffnung austretenden Strahls in das fließende Wasser zu mischen. Der Strahl kann sich ausdehnen und erzeugt eine sehr turbulente Mischung zwischen dem Wasser und dem Polymer,

In einer anderen Ausführungsform nach Figur 2 kann sich die Polymersuspension in einem Speichertank 13 befinden, der auf der einen Seite einen schmalen Auslaß 14 und in der V/and der anderen Seite einen Kolben 15 aufweist, über die Auslaßseite des Speichertanks 13 ist eine zerreißbare Membran· 11 ge spännt, um die Suspensionsflüssigkeit von dem Wasser getrennt zu halten, wenn

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die Vorrichtung zur Injektion des Polymers nicht benutzt wird. Auf ähnliche Weise könnte aber auch ein von Hand oder durch eine Magnetspule bedientes Ventil verwendet werden. Wenn die Vorrichtung benutzt wird, zerreißt die Membran 11 durch die Kraft des Druckes der suspendierten Lösung und die Flüssigkeit fließt aus dem Speichertank heraus und in die Anordnung hinein.

Unabhängig von der für den Speichertank verwendeten Ausführungsform gelangt das unter hohem Druck befindliche Wasser und das Polymer in einen Hydratationstank l6, sobald sie in der Mischkammer 7 (Figur 1) gemischt worden sind. Dieser Hydratationstank 16 ist zellenförmig oder bienenwabenartig unterteilt, so daß das fein verteilte Polymer genügend Zeit zur Hydratisierung mit dem Wasser findet. Da das Polymer fein verteilt ist und an der Düsenöffnung gut mit dem Wass"er vermischt wurde, ist die Hydratisierungszeit stark vermindert und die Hydratisierung wird vollständig in dem relativ kleinen Hydratationstank 16 durchgeführt.

Die Behälterabmessungen sind auch durch den Aufbau des Hydratationstanks 16 stark verkleinert, der eine bienenwabenartige Struktur 17 aufweist, die sich von der Nähe des einen Endes bis in die Nähe des anderen Endes des Tanks erstreckt. Das Polymer und das Wasser durchströmen die bienenwabenartige Struktur 17, wenn eine Schubkraft auf sie einwirkt, wodurch eine innige und schnelle Mischung dieser Substanzen bewirkt wird. Jede Zelle der Bienenwabe bildet einen hohen Widerstand, so daß die Strömung recht gleichmäßig über den Hydratationstank verteilt v_;ird und die Durchflußzeit durch den Tank ist für jeden Teil des Wassers etwa gleich. Dieses wäre nicht der Fall, wenn die Strömung in geradez· Linie von dem Einlaß 18 zu dem Auslaß 19 hindurchführen würde, wenn sich in dem Tank 16 keine bienenwabenartige Struktur befinden würde. Durch d;^ase Anordnung wird eine sehr hohe Ausnutzung des Volumens des Hydratationstanks 16 erzielt. Das hydr?frisierte Polymer gelangt unter verändertem Druck in ein Verteilerrohr 20 und sodann zu dem Schlitz 21 der Injektionseinrichtung, der zu der Grenzfläche zwischen der festen. Oberfläche 2 und dem Wasser führt, das sich relativ zu der festen Oberfläche bewegt. Die Ein-

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fahrung des hydratisieren Polymers, an dieser Grenzfläche ermöglicht es j daß das Polymer entlang dem festen Körper fließt, und das Wasser strömt mit sehr viel weniger Turbulenz an der überzogenen Grenzfläche vorbei. Außerdem ist die erforderliche Kraft, um eine bestimmte Flüssigkeitsmenge an einem Ort an der festen Oberfläche vorbei zu bewegen, geringer als wenn kein Polymer zugesetzt worden wäre. Umgekehrt betrachtet drückt eine gegebene Kraft eine größere Flüssigkeitsmenge an einem bestimmten Ort an der festen Oberfläche vorbei, wenn ein überziehendes Polymer zugesetzt ist.

Die Größe des Kydratatiönstanks 16 kann für eine ausreichende Hydratisierung durch die Verwendung einer zweiten Leitung 22 zur Bildung eines direkten Umleitungsweges wesentlich verringert werden. In diesem Fall wird nur ein geringer Teil des Wassers direkt durch die Düse des Systems der Mischkammer 7 und des Hydratationstanks 16 geführt. Hierdurch werden bedeutend höhere Prozentgehalte an Polymer in. der Lösung erhalten. In diesem Fall ist die Konzentration Additiv-Wasser, das aus dem Hydratationstank 16 aus-

an der

tritt, zu hoch für die wirksamste Ausnutzung/Grenzfläche Wasser-Festkörper. Deshalb werden diese höheren Konzentrationen mit dem umgeleiteten Strom vor der eigentlichen Injektion unu Verwendung verdünnt. Diese Anordnung aus Mischer und Umleitung besitzt größte Bedeutung für die Festlegung der Größe der Mischeranordnung, da eine solche Verdünnung in weniger als einem Zehntel der Zeit durchgeführt werden kann, welche für die Hydratation benötigt wird. Eine entsprechende Verkleinerung der Abmessungen des Hydratationstanks 16 wird dann realisiert, im Vergleich zu dem Fall, in dem der gesamte Fluß durch die Mischkammer 7 und den Hydratationstank 16 hindurchgeführt wird, wobei die gleichen Polymermengen erhalten werden.

Das hydratisierte Polymer, das eingespritzt und verwendet worden ist, kann erneut benutzt werden. Hierzu wird stromabwärts von dem Verteilerrohr 20 der Injektionseinrichtung ein Saugrohr angeordnet und ein großer Teil des hydratisierten Polymers abgezogen, wie es in der bereits erwähnten US-Patentschrift 3 303 810 beschrieben ist. Dieses hydratisierte Polymer wird dann durch eine

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Leitung 2 3 und eine Pumpe 2*1 zurückgeführt und vor einer erneuten Injektion wird frisches Polymer zugesetzt. Dies wird als ein anderes. Verfahren betrachtet, wenn ein lang dauernder Durchfluß zu erwarten ist und eine Rezirkulation entsprechende Polymerersparnisse ermöglicht. Wenn der hydratisierte Polymerzusatz stromabwärts von der Vorrichtung zur Injektion zurückgewonnen und dann zur erneuten Injektion zurückgeführt wird, dann kann der kenzentrierte Polymerzusatz aus dem Hydratationstank 16 direkt zu. dem zurückgewonnenen, etwas verdünnten Additiv hinzugefügt werden, und die Mischung kann durch das Verteilerrohr 20 für die Injektion und den Schlitz 21 Injiziert werden. Wenn das zurückgewonnene, verdünnte Additiv und die konzentrierten Additive im gemischten Zustand eine au hohe Konzentration erzeugen, kann durch die zweite Leitung 22 eine dosierte Wassermenge so lange zugeführt werden, bis eine geeignete Konzentration hergestellt ist.

Die Funktionswelse der Vorrichtung nach Figur 1 ist, wenn sie an. eine wasserführende Leitung angeschlossen ist, etwa die folgende. Ein Polymer mit hohem Molekulargewicht und Molekülen linearer Kettenbildung wird in einer nicht-reagierenden Flüssigkeit neutraler Dichte suspendiert und unter Druck Tropfen für Tropfeu in eine Wasserdüse gedrückt. Das Polymer und das Wasser wirbeln in einer Mischkammer herum und gelangen dann in einen Hydratationstank, in dem die Hydratisierung vollendet wird. Nach der Hydratisierung nird das hydratisierte Polymer in die Grenzschicht zwischen dem Wasser und der festen Oberfläche eingeführt, an der es entlangfließt. Das hydratisierte Polymer kann direkt in die Grenzschicht eingegeben werden oder einem anderen hydratisierten Polymer zugesetzt werden., das stromabwärts von dem Verteilerrohr der Injektionsvorrichtung aus der Grenzschicht zurückgewonnen worden ist und nun zurückgeführt und erneut in die Grenzschicht zwischen dem Wasser und der festen Oberfläche eingegeben wird. Die Größe des Hydratationstanks kann auf Wunsch verringert werden, indem nur ein kleiner Teil des Wassers durch

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die Düse, die Mischkammer und den Hydratationstank hindurchgeführt wird., während der Rest des Wassers, das mit dem konzentrierten hydratisierten Polymerzusatz zwischen dem Hydratationstank und dem Punkt der Injektion gemischt werden soll, um diese Bauteile herumgeführt wird.

Die andere Ausführungsform eines Speichertanks nach Figur 2 besitzt einen Motor 25 für eine Bewegung des Kolbens 15 in dem zylindrischen Speiehertank 13. Der Motor 25 kann durch den gleichen nicht dargestellten Schalter gestartet werden, der die Pumpe 5 steuert. Wenn die Pumpe und der Motor gestartet werden, zirkuliert dadurch Wasser unter hohem Druck und bildet an der Düsenöffnung 6 einen Strahl hoher Geschwindigkeit. Die Polymersuspension wird durch die Leitung 12 in £en Wasserstrahl eingespritzt, 'wenn der Motor 25 in Betrieb ist und den Kolben 15 bewegt. Die Funktionsweise der Gesamtanordnung ist auch unter Verwendung dieser Ausführungsform die gleiche, wie sie anhand der Figur 1 vorstehend bereits beschrieben worden ist. In dem Hydratationstank

16 ist eine in Figur 3 dargestellte bienenwabenformige Struktur

17 angebracht, die den Tank ausfüllt, so daß die gesamte durch den Tank hindurchtretende Flüssigkeit beim Durchströmen der bienenwabenförmigen Struktur beeinflußt wird, wie es oben erläutert ist. Die bienenwabenformige Struktur 17 sollte so fein sein, daß eine Schichtung der Lösung oder ein Kanaleffekt verhindert wird und eine fortgesetzte Mischung und Hydratisierung des bestimmten Polymers in der Wasserlösung möglich ist.

Der Ausdruck "Additiv oder Polymer", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll alle Polymere oder Additive einschließen, welche die Eigenschaft der Verminderung des Strömungswiderstandes aufweisen, wenn sie mit einer Flüssigkeit gemischt werden. Der Begriff "hydratisiertes Polymer" soll alle diejenigen Additive umfassen, die für eine ausreichend lange Zeit einer Flüssigkeit ausgesetzt worden sind, um ihre Eigenschaft der Strömungswiderstandsverminderung vollständig entwickelt zu haben.

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Claims

- 9 Schut zansprü ehe

1. Vorrichtung zur Herstellung einer Suspension eines den Strömungswiderstand vermindernden polymeren Additivs in einer Flüssigkeit, zur Hydratation dieser Suspension zur vollständigen Ausbildung der den Strömungswiderstand vermindernden Eigenschaften und zur Injektion der erhaltenen Lösung in eine Grenzfläche Festkörper-Flüssigkeit, gekennzeichnet durch:

eine Mischkammer (7) zur schnellen Bildung einer Suspension des löslichen, den Strömungswiderstand vermindernden Additivs in einem Lösungsmittel, eine Hydratationsvorrichtung (16), die mit- der Mischkammer (7) zur Hydratation der Suspension bei ihrer Bildung bis zur Erzeugung einer Lösung eines beträchtlichen Anteils, des polymeren Additivs verbunden ist, und eine Vorrichtung (20) zur Injektion der erhaltenen Lösung mit ihrer Bildung in eine Grenzfläche Festkörper-Flüssigkeit.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Mischkammer (7) eine Vorrichtung (12) aufweist zur Herstellung eines Kontaktes des polymeren Materials mit einem Strom des Lösungsmittels und der Hydratationsprodukte während der Leitung der Suspension zur festen Oberfläche (2).

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet

. durch Einrichtungen (22) zur Verdünnung der Lösung mit zugesetztem Lösungsmittel.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen Speichertank (8) und einen Hydratacionstäük (16) aufweist, der eine mit der Mischkammer (7) verbundene Kammer enthält, und daß mit dieser Kammer des Hydratationstanks (16) die Vorrichtung (20) zur Injektion der Lösung in die Grenzschicht bei ihrer Bildung verbunden ist.

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- ίο -

5. Vorrichtung na cn. Anspruch ²J₃ dadurch gekennzeichnet _s daß in einem Ende des Speichertanks (8) ein Kolben (15) gleitend angebracht ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch H oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß ein flexibles Diaphragma (10) benachbart zur oberen Wand des Speichertanks (8) über demselben befestigt ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine zerbrechliche Membran (11) den Speichertank (8) überspannend n<_:ie se.i/ier unteren Wand angebracht ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Einrichtung zur Verdünnung der Lösung enthält, wobei diese Einrichtung zwischen der Kammer des Hydratationstanks (l6) und der Vorrichtung (20) für die Injektion der Lösung in die Grenzschicht bei ihrer Bildung angeschlossen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet j daß der Lösungsmittelstrom die an einer festen Oberfläche entlangstromende Flüssigkeit ist und zur Entnahme der Flüssigkeit eine Öffnung (3) in der festen Oberfläche (2) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch <' η η -zeichnet , daß eine Rohrleitung für die Leibung der Flüssigkeit und an einem stromabwärts in der Rohrleitung gelegenen Punkt eine Pumpvorrichtung (3* ^, 5) vorgesehen ist sowie eine Leitung zur erneuten Zuführung der Hydratationsprodukte an einem weiter stromaufwärts gelegenen Punkt (20, 21, 22) vorhanden ist.

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11. Vorrichtung nach Anspruch. 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet , daß Einrichtungen zur Umleitung, eines Teils des Lösungsmittels um die Mischkammer (7) herum und zur Verdünnung der bei der Hydratation gebildeten Lösung vorgesehen sind.

12.. Vorrichtung nach, Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine zweite Leitung (22) vorhanden ist, die einen· direkten Umleitungsweg von der Pump-Vöirricftcüng (p) zu Sex· Bexoxifig Wür exrneüo€n ZufünPtüig aSx¹ Hydratationsprodukte an einem weiter stromaufwärts gelegenen Punnet bildet.

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